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1、高中化學 第1單元 走進化學工業(yè) 課題1 化工生產(chǎn)過程中的基本問題 第1課時作業(yè) 新人教版選修2 一、依據(jù)化學反應原理確定生產(chǎn)過程 1.下列對硫酸生產(chǎn)中化學反應原理的分析正確的是 (　　) 　　　　　　　　　　　　　　 A.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學反應因原料的不同可能全部是氧化還原反應 B.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學反應都是放熱反應 C.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學反應都需要使用催化劑 D.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學反應都需要在較高溫度條件下進行 解析:三個化學反應都是放熱反應;三個反應中只有SO2SO3需使用催化劑;SO3H2SO4在常溫下進行,且是非氧化還原反應。 答案:B 2

2、.關于工業(yè)制硫酸的敘述中,不正確的是(　　) A.造氣階段排出的爐氣必須凈化,主要目的是防止催化劑中毒 B.SO2被氧化成SO3時反應是在催化劑表面進行的 C.黃鐵礦粉碎成細小礦粒,燃燒快、反應完全,提高了原料的利用率 D.SO3用稀硫酸吸收而不用水吸收,可防止形成酸霧并使SO3吸收完全 解析:生產(chǎn)中對礦石進行粉碎,增大了原料之間的接觸面積,增大了反應速率,可提高原料的利用率(轉化率);SO3用98%的硫酸吸收而不用稀硫酸或水吸收,可防止形成酸霧,使SO3吸收完全。 答案:D 二、生產(chǎn)中原料的選擇 3.工業(yè)制硫酸中,進入催化反應室的氣體必須預先凈化、干燥,其主要原因是(　　)

3、 A.防止催化劑中毒 B.提高反應速率 C.提高SO2轉化率 D.防止環(huán)境污染 解析:因為爐氣中的砷、硒化合物和礦塵使催化劑中毒,影響產(chǎn)率,所以必須預先凈化、干燥,選項A正確。 答案:A 4.有關工業(yè)制硫酸,下列說法中不正確的是(　　) A.硫黃或黃鐵礦均可作原料 B.SO2轉化為SO3,需在催化劑和加熱條件下進行 C.SO3可用水直接吸收 D.熱交換裝置可使生成的氣體冷卻,并對原料氣體加熱 解析:SO3用水吸收易形成酸霧,不利于SO3的吸收,工業(yè)上常用98%的硫酸吸收SO3。 答案:C 三、生產(chǎn)中反應條件的控制 5.在硫酸的工業(yè)制法中,下列生產(chǎn)操作與說明生產(chǎn)操作的原

4、因都正確的是(　　) A.黃鐵礦燃燒前需將礦粒粉碎,這樣易于投料 B.爐氣進入催化反應室之前需要凈化、干燥,因為爐氣中的雜質(zhì)易與SO2反應 C.SO2氧化為SO3時需使用催化劑,這樣可提高SO2的轉化率 D.催化反應室的反應溫度控制在400~500 ℃,因為在這個溫度范圍內(nèi),反應速率和SO2的轉化率都比較理想,且催化劑的活性也較高 解析:題中所提到的對工業(yè)制硫酸采取的生產(chǎn)操作都是正確的。但黃鐵礦需粉碎的原因是為了增大礦粒與空氣的接觸面積,使其燃燒得更快、更充分,從而提高黃鐵礦的利用率;進入催化反應室前爐氣必須凈化、干燥,是因為爐氣中的一些雜質(zhì)會使催化劑中毒,使催化劑喪失活性,同時防止

5、爐氣中的水蒸氣和SO2生成酸而腐蝕管道;SO2轉化為SO3時使用催化劑是為了縮短到達平衡的時間,但它不能影響化學平衡的移動,不影響SO2的轉化率大小;催化反應室控制反應的溫度在400~500 ℃,這是綜合考慮了催化劑的活性、反應速率及SO2的轉化率等因素而確定的,故D項正確。 答案:D 6.下列說法中正確的是(　　) A.合成硫酸的工業(yè)尾氣可以直接排入大氣 B.進入催化反應室的氣體,必須先經(jīng)凈化、干燥 C.造氣流程排出的爐渣可以作為肥料 D.在高溫、高壓下由SO2和O2合成SO3 解析:尾氣中含有大量SO2、SO3有害氣體,直接排入大氣易形成酸雨,故A項錯誤;爐渣可以作煉鐵原料及

6、制水泥、制磚原料,不能用作肥料,故C項錯誤;SO2與O2反應的條件應該是高溫、常壓,故D項錯誤;為了防止催化劑中毒,進入催化反應室的氣體必須先經(jīng)凈化、干燥,故B項正確。 答案:B 7.工業(yè)制硫酸采用逆流的主要目的是(　　) ①礦石充分燃燒?、诖呋磻抑蓄A熱反應氣體和冷卻生成氣體?、畚誗O3時形成酸霧少 ④提高原料的利用率和產(chǎn)品的產(chǎn)率 A.①② B.②④ C.③④ D.④ 解析:由于2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH<0,其正反應為放熱反應,逆流操作后,可使溫度下降,提高SO2的轉化率,同時預熱反應物,提高催化劑的催化活性。 答案:B 8.在硫酸的工業(yè)制法中,下列

7、生產(chǎn)操作與生產(chǎn)操作的主要原因兩者都正確的是(　　) A.黃鐵礦燃燒前要粉碎,因為大塊的黃鐵礦不能燃燒 B.SO3用98%的硫酸吸收,目的是防止形成酸霧,以便SO3吸收完全 C.SO2氧化為SO3時需使用催化劑,這樣可以提高SO2的轉化率 D.造氣階段產(chǎn)生的爐氣需凈化,因為爐氣中SO2會與雜質(zhì)反應 解析:黃鐵礦粉碎的目的是使礦石燃燒充分,提高原料利用率;使用催化劑不能使化學平衡移動,不能提高SO2的轉化率;對造氣階段產(chǎn)生的爐氣進行凈化的目的是防止雜質(zhì)使催化劑中毒。 答案:B 9.以黃鐵礦為原料,生產(chǎn)硫酸的流程可簡示如下: 請回答下列問題: (1)在爐氣制造中,生成SO2的化

8、學方程式為 　;? (2)爐氣精制的作用是將含SO2的爐氣　　　、　　　及干燥,如果爐氣不經(jīng)過精制,對SO2催化氧化的影響是　? 　;? (3)精制爐氣(含SO2體積分數(shù)為7%、O2為11%、N2為82%)中SO2平衡轉化率與溫度及壓強的關系如下圖所示。在實際生產(chǎn)中,SO2催化氧化反應的條件選擇常壓、450 ℃左右(對應圖中A點),而沒有選擇SO2轉化率更高的B點或C點對應的反應條件,其原因分別是? ? ? ? ? ? ? ? 　;? (4)在SO2催化氧化設備中設置熱交換器的目的是　、? ? 　,? 從而充分利用能源。 解析:(2)煅燒黃鐵礦制得的爐氣中

9、含有礦塵、砷和硒等的化合物、水蒸氣;應對爐氣進行除塵、水洗和干燥,避免催化劑中毒。 (3)從圖可知,在低溫下進行時SO2的平衡轉化率較高,但低溫時催化劑的活性不高,反應速率慢,實際生產(chǎn)中采用400~500 ℃的溫度。由圖可知,在高壓下進行時SO2的平衡轉化率較高,但增大壓強時SO2的轉化率提高不大,且加壓會增大成本和能量消耗,而常壓下的轉化率已很高,故實際生產(chǎn)中采用常壓操作。 (4)SO2和O2的反應為放熱反應,而經(jīng)凈化后的爐氣需要加熱,故可通過熱交換器,對冷的SO2、O2加熱,達到充分利用能源的目的。 答案:(1)4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2 (2)除塵　水洗　礦塵、砷

10、、硒等化合物會使催化劑中毒,水蒸氣對設備和生產(chǎn)有不良影響 (3)不選B點,因為壓強越大對設備的投資越大,消耗的能量越大;450 ℃時,SO2原料的轉化率在0.1 MPa下的轉化率已達到97%左右,再提高壓強,SO2的轉化率提高得很小,所以采用0.1 MPa 不選C點,因為溫度越低,SO2的轉化率雖然更高,但催化劑的催化作用會受影響,450 ℃時,催化劑的催化效率最高。故選擇A點,不選C點 (4)利用反應放出的熱量預熱原料氣體　上層反應氣體經(jīng)熱交換器溫度降到400~500 ℃進入下層使反應更加完全 (建議用時:30分鐘) 1.以下有關工業(yè)生產(chǎn)硫酸的論述錯誤的是(　　) 　　　

11、　　　　　　　　　　 A.為提高反應速率和原料利用率,黃鐵礦要在“沸騰”狀態(tài)下燃燒 B.為防止催化劑中毒,氣體在進入催化反應室前要先凈化 C.催化反應室中熱交換裝置的主要作用是預熱未反應的氣體和冷卻反應后的氣體 D.吸收塔中SO3從下而上,水從上而噴下,剩余氣體從上部排出 答案:D 2.工業(yè)生產(chǎn)硫酸時,造氣階段產(chǎn)生的爐氣必須經(jīng)過凈化處理,其正確過程是(　　) A.洗滌、干燥、除塵 B.干燥、除塵、洗滌 C.除塵、洗滌、干燥 D.除去硒和砷的化合物 解析:通入催化反應室的氣體必須先凈化,因為爐氣中含二氧化硫、氧氣、氮氣、水蒸氣以及砷、硒化合物、礦塵等。砷、硒化合物和礦塵會使催化

12、劑中毒,水蒸氣對生產(chǎn)設備有不良影響。因此爐氣必須通過除塵、洗滌、干燥等凈化處理。干燥在凈化過程中一般放在最后,故C正確。 答案:C 3.在工業(yè)制硫酸的過程中有以下反應:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH<0,下列說法中錯誤的是(　　) A.生產(chǎn)中通入過量的空氣,可以提高二氧化硫的轉化率 B.生產(chǎn)中選擇400~500 ℃,不僅能加快反應速率,而且催化劑的活性好 C.根據(jù)實際情況在生產(chǎn)中選擇常壓,可以提高綜合經(jīng)濟效益 D.在催化反應室被氧化生成的三氧化硫,進入吸收塔被水吸收制成硫酸 解析:用水吸收三氧化硫容易形成酸霧,應用98%的硫酸吸收三氧化硫。 答案:D 4.用濃

13、硫酸吸收SO3可得到H2SO4·1.5SO3,若用1 kg 98%的硫酸充分吸收SO3后,再進行稀釋,可得98%的硫酸(　　) A.2.78 kg 　B.2.6 kg 　C.2.42 kg 　D.2.22 kg 解析:此題注意吸收劑為98%的硫酸而非純硫酸,且水吸收SO3后產(chǎn)物還能吸收SO3,只有這樣全面考慮,方可正確作答。如無B的干擾,可直接選大于2.5 kg的A項。此題可以硫守恒為依據(jù)推導,即m(98% H2SO4)= , 解得m(98%H2SO4)≈2.78 kg。 答案:A 5.有關二氧化硫的敘述正確的是(　　) A.二氧化硫不能使溴水、高錳酸鉀溶液迅速褪色 B.硫酸工

14、業(yè)中造氣階段的爐氣中含SO2 C.實驗室可用啟普發(fā)生器制取二氧化硫 D.用澄清石灰水很容易區(qū)分二氧化碳和二氧化硫 解析:SO2具有還原性,能使溴水、高錳酸鉀溶液褪色,故A錯。啟普發(fā)生器的適用范圍是塊狀固體與液體不加熱制氣,而制備SO2用的Na2SO3為粉末,故不能用啟普發(fā)生器制取,故C錯。SO2、CO2都能使澄清石灰水變渾濁,故D錯。造氣階段發(fā)生4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2或S+O2SO2的反應,排出的爐氣含SO2,故B正確。 答案:B 6.硫酸工業(yè)生產(chǎn)中,通過下列反應使SO2轉化為SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-196 kJ·mol-1。已知

15、常壓下SO3的體積分數(shù)為91%,試回答下列問題: (1)在生產(chǎn)中常用過量的空氣是為了? ? 　。? (2)加熱到450 ℃是由于:? ? ? 　。? (3)壓強應采用　　　　　(填“加壓”“常壓”或“減壓”),原因是　? ? 　。? (4)尾氣中的SO2常用氨水等堿溶液吸收,因為 ? 　。? 解析:工業(yè)生產(chǎn)中常增加某一廉價反應物的濃度,以提高另一反應物的轉化率。硫酸工業(yè)生產(chǎn)中通入過量空氣是為了使平衡向正反應方向移動,提高SO2的轉化率,使成本較高的SO2得到較充分地利用。 溫度的選擇不僅要從反應的限度考慮,更要考慮反應的速率和催化劑的活性。450 ℃時催化劑的活性

16、較高,選擇此溫度可提高反應速率,縮短反應達到平衡所需的時間,提高單位時間的產(chǎn)量。 壓強的選擇主要考慮平衡的移動、設備及動力系統(tǒng)等方面的因素。雖然增大壓強可提高該反應中SO2的轉化率,但在常壓下SO3的體積分數(shù)已達91%,而增大壓強對設備、動力系統(tǒng)要求高。成本增大,不合算,故工業(yè)生產(chǎn)中采用常壓。 答案:(1)使平衡向正反應方向移動,提高SO2的轉化率,使成本較高的SO2得到較充分地利用 (2)450 ℃時,催化劑的活性較高,選擇此溫度可提高反應速率,縮短反應達到平衡所需的時間,提高單位時間的產(chǎn)量 (3)常壓　常壓下SO3的體積分數(shù)已達91%,而增大壓強對設備、動力系統(tǒng)要求高,成本增大,綜

17、合經(jīng)濟效益降低 (4)NH3+H2O+SO2NH4HSO3,即氨水吸收SO2生成NH4HSO3,避免污染環(huán)境 7.下面的裝置是仿照工業(yè)上制備硫酸的工藝流程設計出來的,用于探究工業(yè)上為何采用98%的硫酸吸收三氧化硫。 請回答下列問題: (1)寫出煅燒黃鐵礦的化學方程式:? 　。? (2)甲和乙相當于工業(yè)上制取硫酸裝置中的　　　　　　　　　　　　。? (3)寫出在催化劑表面所發(fā)生反應的化學方程式:　　　　　　　　　　　,在實驗過程中不能持續(xù)加熱的理由是　? 　。? (4)在乙反應器內(nèi)要求氧氣的量要比二氧化硫的量多一倍左右,你是如何控制和估計的? ? 　。? (5)若丁裝

18、置在反應過程中先出現(xiàn)氣泡,不久就出現(xiàn)了霧,而丙裝置一直都沒有任何現(xiàn)象,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是　　　。? A.濃硫酸對三氧化硫的吸收效率遠高于水,三氧化硫被濃硫酸充分吸收 B.三氧化硫的通氣速率太快,三氧化硫未被水和濃硫酸充分吸收 C.丙中的導氣管插得太深,導致兩個吸收瓶內(nèi)的氣壓差較大 D.丁中的導氣管插得太淺,三氧化硫氣體從水中逸出,與水蒸氣化合形成酸霧 解析:裝置甲有多個作用:一是通過觀察氣泡產(chǎn)生的速率調(diào)節(jié)通入二氧化硫、氧氣的比例;二是使兩種原料氣體充分混合;三是起到干燥的作用。 答案:(1)4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2 (2)催化反應室 (3)2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　防止溫度過高,而降低SO2的轉化率及催化劑活性 (4)可以通過調(diào)節(jié)氣閥,控制氣體流量,通過觀察甲裝置中氣泡產(chǎn)生的速率進行估算 (5)AC