Question

工業上以黃鐵礦為原料生產硫酸主要分為三個階段進行，即在沸騰爐中煅燒黃鐵礦、SO₂的催化氧化及其SO₃的吸收。請回答下列幾個有關硫酸工業中的幾個問題。

（1）生產硫酸最古老的方法是以綠礬為原料，在蒸餾釜中煅燒。反應的化學方程式為：2FeSO₄·7H₂O  Fe₂O₃ + SO₂↑+ SO₃↑+ 14H₂O。其中三氧化硫與水蒸氣同時冷凝便得到硫酸。用如圖所示裝置模擬用綠礬制硫酸的實驗，并檢驗生成的硫酸和二氧化硫（加熱裝置已略去）。其中b為干燥的試管。下列關于該反應說法正確的是(     )

A．若將反應后的三種氣體通入BaCl₂溶液中，產生的沉淀為BaSO₃、BaSO₄

B．b中產物用紫色石蕊試液即可檢驗出其中H⁺和SO₄^2—

C．為檢驗反應的另一種生成物，試管c中應加入的試劑為NaOH溶液

D．b中所得到的硫酸的質量分數為29.5%

(2)從沸騰爐中出來的爐氣必須經除塵、洗滌、干燥后進入接觸室，其主要目的是__________。

(3)接觸室中熱交換器是實現冷熱交換的裝置。化學實驗中也經常利用熱交換來實現某種實驗目的，如氣、液熱交換時通常使用的儀器是______________。

(4)接觸室中主要反應是SO₂的催化氧化，在生成硫酸的過程中，釩觸媒(V₂O₅)所以能加快二氧化硫氧化的速度，除了具有吸附作用外，有人認為反應過程中還產生了一連串的中間體(如圖)。c步的化學方程式可表示為_______________________。

(5) 工業上以硫鐵礦為原料制硫酸所產生的尾氣除了含有N₂、O₂外，還含有SO₂、微量的SO₃和酸霧。為了保護環境，同時提高硫酸工業的綜合經濟效益，應盡可能將尾氣中的SO₂轉化為有用的副產品。將尾氣通入粉末狀的碳酸鈣或熟石灰的懸濁液中，經過一系列處理后得到一種相對分子質量為172的化工原料J。試寫出J的化學式_________。

Answer 1

(1) D(2分)，(2)防止催化劑中毒(2分)       (3)冷凝管(1分)

 (4) 2VOSO₄=SO₂+V₂O₅+SO₃(2分)     (5)CaSO₄·2H₂O(3分)

解析:

（1）將分解生成的氣體通入BaCl₂溶液中，生成的沉淀是BaSO₄；根據綠礬分解的方程式，產物Fe₂O₃留在試管中，SO₃和H₂O同時冷凝便得到硫酸，收集在試管a中，硫酸的檢驗分為兩部分，既要檢驗H⁺，又要檢驗SO₄^2—，要回答全面。試管b中溶液用來檢驗SO₂氣體，故用品紅溶液，SO₂能使品紅溶液退色，加熱紅色恢復。根據生成SO₃與水的物質的量之比，可以求得生成硫酸的理論濃度：設生成1molSO₃和14molH₂O，硫酸的質量分數為98/（80+14×18）=29.5%。(2)由于接觸室中使用V₂O₅作催化劑，為防止催化劑中毒，因此必須進行除雜操作。(4)根據催化劑的性質可知催化劑(V₂O₅)在反應過程中先參與反應，而后又生成，化學性質和質量在反應前后不變，在反應a中釩元素化合價降低被還原，可推知還原劑應為SO₂，化學方程式可表示為SO₂＋V₂O₅＝V₂O₄＋SO₃，反應b中根據元素守恒可確定SO₂也參與反應，釩元素化合價不變，硫元素化合價升高被氧化，因此反應過程中O₂也參與反應，化學方程式可表示為V₂O₄＋2SO₂＋O₂＝2VOSO₄，該反應屬于化合反應，因此原子利用率為100%，反應c中有V₂O₅生成，可推知反應c為2VOSO₄=SO₂＋V₂O₅＋SO₃。

(5)要考慮到SO₂和堿或鹽反應生成的亞硫酸鹽，亞硫酸鹽有較強的還原性易被空氣氧化，結合產物的相對分子質量172可確定產物為生石膏CaSO₄·2H₂O，其中反應的化學方程式可表示為：2SO₂+O₂+2CaCO₃+4H₂O＝2 [CaSO₄·2H₂O] +2CO₂ 或2SO₂+O₂+2Ca(OH)₂+2H₂O＝2 [CaSO₄·2H₂O]