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2019-2020年高中化學(xué)（大綱版）第三冊(cè) 第五單元 硫酸工業(yè) 第一節(jié)接觸法制硫酸(第二課時(shí)) ［引言］上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了工業(yè)制硫酸的反應(yīng)原理并簡(jiǎn)單了解了其生產(chǎn)流程。同時(shí)還認(rèn)識(shí)了其中的一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備——沸騰爐。本節(jié)課我們就在此基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)工業(yè)生產(chǎn)硫酸的生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程。 ［板書］第一節(jié) 接觸法制硫酸(第二課時(shí)) 三、生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程 ［師］上節(jié)所學(xué)沸騰爐中的工藝我們可簡(jiǎn)單表示如下： ［板書］ ［過(guò)渡］從沸騰爐出來(lái)的爐氣經(jīng)凈化、干燥后便進(jìn)入硫酸生產(chǎn)的第二階段，即氧化階段。 下面，我們就來(lái)分析一下SO2轉(zhuǎn)化為SO3的反應(yīng)條件。 ［講解］根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，二氧化硫的氧化是在催化劑存在條件下進(jìn)行的，目前工業(yè)生產(chǎn)上采用的是釩催化劑。二氧化硫同氧氣在釩催化劑表面上與其接觸時(shí)發(fā)生反應(yīng)，所以，工業(yè)上將這種生產(chǎn)硫酸的方法叫做接觸法制硫酸。 二氧化硫發(fā)生催化氧化的熱化學(xué)方程式為： ［提問(wèn)］SO2的接觸氧化在什么條件下反應(yīng)可提高SO2的轉(zhuǎn)化率？ ［師］請(qǐng)大家根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行回答 ［生］SO2的氧化為一可逆反應(yīng)。根據(jù)勒夏特列原理，加壓、降溫有利于SO2轉(zhuǎn)化率的提高。 ［教師評(píng)價(jià)］回答得很好！ ［問(wèn)］對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來(lái)講，假如原料轉(zhuǎn)化率很高，但反應(yīng)速率卻很慢，這樣的生產(chǎn)有無(wú)意義呢？ ［學(xué)生搖頭］沒(méi)有！ ［師］從我們剛才的分析結(jié)論可知，SO2的氧化在低溫下進(jìn)行可有利于SO2轉(zhuǎn)化率的提高，但這對(duì)反應(yīng)的速率將有何影響呢？ ［生］使化學(xué)反應(yīng)速率減慢！ ［想一想］應(yīng)該怎樣解決上述矛盾？ ［教師提示：可聯(lián)想工業(yè)制NH3的有關(guān)知識(shí)］ ［生恍然大悟］找一個(gè)折中的辦法，即既要使SO2的轉(zhuǎn)化率不太低，又要使反應(yīng)的速率不太慢。 ［師］很好，下面是一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，請(qǐng)大家分析。 ［投影］ 同溫度下SO2的平衡轉(zhuǎn)化率 ［原料氣成分(體積分?jǐn)?shù))：SO2 7%，O2 11%，N2 82%；壓強(qiáng)：0.1 MPa］ ［問(wèn)］你們認(rèn)為溫度控制在什么范圍比較合適呢？說(shuō)出理由。 ［學(xué)生各抒己見(jiàn)］ ［小結(jié)］由大家剛才的發(fā)言并結(jié)合實(shí)際情況，可知溫度在400℃～500℃的范圍內(nèi)比較合適，這是因?yàn)椋憾趸虻霓D(zhuǎn)化率在此溫度下已比較理想，且滿足催化劑的活性溫度(為 430℃～600℃)，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)的速率又不會(huì)太慢。綜合考慮以上因素，我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中選定400℃～500℃作為操作溫度。 ［板書］反應(yīng)條件：溫度400℃～500℃ ［師］下面是壓強(qiáng)對(duì)SO2平衡轉(zhuǎn)化率的影響。請(qǐng)大家分組討論，綜合多種因素選擇SO2接觸氧化的合適壓強(qiáng)。 ［投影］ 壓強(qiáng)對(duì)SO2平衡轉(zhuǎn)化率的影響 (原料氣成分同上表) ［學(xué)生分組討論，并宣布討論結(jié)果］ ［小結(jié)］通過(guò)剛才的討論并結(jié)合以上數(shù)據(jù)可以看出，常壓下400℃～500℃時(shí)，二氧化硫的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高。加壓雖然可以提高平衡轉(zhuǎn)化率，但加壓需要增加動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)上并不合算，一般工廠都采用常壓法生產(chǎn)。 ［板書］壓強(qiáng)：常壓 ［講解］硫酸工業(yè)生產(chǎn)的最佳工藝條件選定后，接下來(lái)要考慮的是反應(yīng)器。反應(yīng)器是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，操作方式都要盡可能地使反應(yīng)能在工藝條件所規(guī)定的參數(shù)下進(jìn)行。二氧化硫氧化反應(yīng)器現(xiàn)在多采用的是接觸室。我們來(lái)看一下接觸室的結(jié)構(gòu)。 ［板書］接觸室 ［展示］接觸法制硫酸接觸室模型 ［結(jié)合教具講解］接觸室采用了上下兩層催化劑，中部安裝熱交換器的結(jié)構(gòu)。 ［板書］結(jié)構(gòu)：上下兩層催化劑 中部安裝熱交換器 ［過(guò)渡］我們首先來(lái)認(rèn)識(shí)一下熱交換器。 ［投影］一種熱交換器示意圖及介紹 熱交換器是化學(xué)工業(yè)里廣泛應(yīng)用的熱交換設(shè)備，它有多種形式。在多數(shù)熱交換器內(nèi)部，裝有許多平行的管道或蛇管，以擴(kuò)大傳熱面，提高熱交換效果。一種流體在管道內(nèi)流動(dòng)，另一種流體在管道外流動(dòng)。兩種流體通過(guò)管壁進(jìn)行熱交換，熱的流體得到冷卻，冷的流體得到加熱。右圖是一種常見(jiàn)的熱交換器。 一種熱交換器示意圖 ［過(guò)渡］二氧化硫在接觸室里是如何氧化成三氧化硫的呢？ ［講解］經(jīng)過(guò)凈化、干燥的爐氣，通過(guò)接觸室中部的熱交換器被預(yù)熱到400℃～500℃,通過(guò)上層催化劑被第一次氧化，因?yàn)槎趸虻拇呋趸欠艧岱磻?yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)環(huán)境的溫度會(huì)不斷升高，這不利于三氧化硫的生成。接觸室中部安裝的熱交換器正是把反應(yīng)生成的熱傳遞給接觸室里需要預(yù)熱的爐氣，同時(shí)降低反應(yīng)后生成氣體的溫度，使之通過(guò)下層催化劑被第二次氧化。這是提高可逆反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的一種非常有效的方法。 ［過(guò)渡］二氧化硫在接觸室里經(jīng)過(guò)催化氧化后得到的氣體含三氧化硫一般不超過(guò)10%，其余為N2、O2及少量二氧化硫氣體。這時(shí)進(jìn)入硫酸生產(chǎn)的第三階段，即成酸階段。其反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為： ［板書］SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l);ΔH=－130.3 kJ/mol ［過(guò)渡］從反應(yīng)原理上看，硫酸是由三氧化硫跟水化合制得的。事實(shí)上，工業(yè)上卻是用98.3%的濃H2SO4來(lái)吸收SO3的，為什么要這樣操作呢？請(qǐng)大家參閱課本。 ［學(xué)生閱讀課本］ ［講解］從理論上講，三氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸有二種途徑：一種是三氧化硫被硫酸水溶液吸收，與水溶液中的水發(fā)生反應(yīng)生成硫酸。SO3(g)＋H2O(l) H2SO4(l),ΔH＜0,這是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)。在常溫下，這一反應(yīng)轉(zhuǎn)化率極高，可以認(rèn)為是不可逆的。決定這一反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的實(shí)際上是混合氣體中三氧化硫被硫酸水溶液吸收的吸收率?；旌蠚庵腥趸蚴菤鈶B(tài)，分子運(yùn)動(dòng)速率極快，有足夠的吸收機(jī)會(huì)，使吸收率達(dá)到99.9%。另一途徑是硫酸與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成包含雜質(zhì)氣體的酸霧。由于三氧化硫與水的化合是放熱反應(yīng)，在生產(chǎn)條件下，反應(yīng)器中有大量水蒸氣。而三氧化硫氣體一旦形成酸霧，它很少有機(jī)會(huì)被液體捕捉，而是隨不溶性氣體一起排到大氣。根據(jù)生產(chǎn)目的，在工藝上促進(jìn)第一種吸收途徑，抑制第二種吸收途徑。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，用98.3%的濃硫酸作為吸收劑吸收三氧化硫。 ［板書］1.用98.3%的濃H2SO4作吸收劑。 ［過(guò)渡］工業(yè)上為實(shí)現(xiàn)這一生產(chǎn)過(guò)程，采用的反應(yīng)器是“吸收塔”。 ［板書］3.吸收塔 ［過(guò)渡］我們來(lái)看一下吸收塔示意圖 ［投影］ ［講解］為增大SO3跟98.3%的濃硫酸的接觸面積，強(qiáng)化吸收過(guò)程，在吸收塔中，安裝大量耐酸瓷環(huán)，并采用了逆流的吸收方式，三氧化硫從塔底通入，98.3%的濃硫酸從塔頂噴下，硫酸吸收三氧化硫后，濃度增至98.8%，溫度升高20℃～30℃。然后從塔底排出，經(jīng)冷卻，稀釋，即得成品。 ［討論］1.從吸收塔里排出的尾氣有哪些成分，能直接排放到空氣中嗎？ 2.尾氣應(yīng)如何處理？ ［學(xué)生回答，教師總結(jié)］從吸收塔排出的氣體主要有N2、O2，少量二氧化硫，若直接排放到空氣中，會(huì)造成嚴(yán)重的污染，同時(shí)也會(huì)造成原料的浪費(fèi)。因此應(yīng)將上述氣體再次通入接觸室進(jìn)行二次氧化，然后進(jìn)一步吸收。也可用NH3吸收SO2以生產(chǎn)亞硫酸銨，或用堿吸收后，再通過(guò)加酸生產(chǎn)高濃度二氧化硫和硫酸銨。 ［板書］2.尾氣回收利用。 ［小結(jié)］本節(jié)我們學(xué)習(xí)了接觸法制硫酸的生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程，請(qǐng)同學(xué)來(lái)描述一下從原料到成品硫酸的生產(chǎn)過(guò)程。 ［投影］ ［學(xué)生回答］(教師結(jié)合投影糾錯(cuò)、補(bǔ)充) ［總結(jié)］從硫酸的工業(yè)生產(chǎn)來(lái)看，化學(xué)反應(yīng)原理是化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)，生產(chǎn)過(guò)程是為實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)服務(wù)的，而生產(chǎn)設(shè)備是為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程服務(wù)的。這個(gè)邏輯關(guān)系是我們學(xué)習(xí)化工知識(shí)的基本思路。在本節(jié)里，我們討論了如何優(yōu)化工藝條件，達(dá)到生產(chǎn)最佳狀態(tài)，但這僅僅是復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)中很少的一部分，要想進(jìn)一步了解復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，就需要我們現(xiàn)在刻苦學(xué)習(xí)，爭(zhēng)取深造的機(jī)會(huì)。 ●板書設(shè)計(jì) 第一節(jié) 接觸法制硫酸(第二課時(shí)) 四、生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程 ●教學(xué)說(shuō)明 本節(jié)是學(xué)習(xí)化工生產(chǎn)知識(shí)的最后一部分，通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，要使學(xué)生初步掌握學(xué)習(xí)化工知識(shí)的基本思路，即化學(xué)反應(yīng)原理是化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)，生產(chǎn)過(guò)程為實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)服務(wù)，而設(shè)備為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程服務(wù)。同時(shí)本節(jié)課又是理論聯(lián)系實(shí)際的典范。為此，本節(jié)課設(shè)計(jì)突出了以下幾點(diǎn)： 1.多啟發(fā)，提出啟發(fā)性問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生積極思考，培養(yǎng)其思維能力。 2.多討論，促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動(dòng)。 3.多分析，用學(xué)過(guò)知識(shí)分析實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生感到有深度、有趣味，同時(shí)復(fù)習(xí)鞏固已學(xué)過(guò)的知識(shí)。 ●綜合能力訓(xùn)練題 1.在硫酸的工業(yè)制法中，下列生產(chǎn)操作與說(shuō)明生產(chǎn)操作的主要原因二者都是正確的是 A.硫鐵礦燃燒前需要粉碎，因?yàn)榇髩K的硫鐵礦不能燃燒 B.從沸騰爐出來(lái)的爐氣需凈化，因?yàn)闋t氣中SO2會(huì)與雜質(zhì)反應(yīng) C.SO2氧化為SO3時(shí)需使用催化劑，這樣可以提高SO2的轉(zhuǎn)化率 D.SO3用98.3%的濃H2SO4吸收，目的是防止形成酸霧，以便使SO3吸收完全 解析：選項(xiàng)A中操作正確，但解釋不對(duì)，將礦石粉碎是使礦石與空氣的接觸面積增大，可以燃燒得更充分、更快。B項(xiàng)的說(shuō)明不對(duì)，凈化的目的是防止?fàn)t氣中的雜質(zhì)和礦塵使催化劑中毒、失效。選項(xiàng)C的說(shuō)明是錯(cuò)誤的。催化劑的作用是縮短反應(yīng)完成的時(shí)間。選項(xiàng)D正確。 答案：D 2.固體A、B都由兩種相同的元素組成，在A、B中兩元素的原子個(gè)數(shù)比分別為1∶1和1∶2，將A、B在高溫時(shí)煅燒，產(chǎn)物都是C(s)和D(g)。由D最終可制得E，E是非金屬元素顯＋6價(jià)的含氧酸，該非金屬元素形成的單質(zhì)通常是一種淡黃色晶體，E的稀溶液和A反應(yīng)時(shí)生成G(g)和F(aq),G通入D的水溶液，有淡黃色沉淀生成。在F中滴入溴水后，加入KOH溶液有紅褐色沉淀生成，加熱時(shí)又能轉(zhuǎn)變?yōu)镚。根據(jù)上述事實(shí)回答： (1)A的化學(xué)式是_________，B的化學(xué)式是_________。 (2)寫出下列反應(yīng)的化學(xué)方程式： 。 ①B煅燒生成C和D ②G通入D溶液中 ③向F中滴入溴水 解析：解答這道題的關(guān)鍵在于推出組成固體A和B的兩種元素。 第一步：根據(jù)E是非金屬元素顯＋6價(jià)含氧酸且該非金屬元素形成的單質(zhì)，通常是一種淡黃色固體，所以E是H2SO4。 第二步：A(或B) C＋D，D最終制得E，E＋AG↑＋F,G＋D淡黃色沉淀。該淡黃色沉淀必為S，進(jìn)一步驗(yàn)證E為H2SO4，A和B中均含S元素。 第三步：F紅褐色沉淀C,該紅褐色沉淀必為Fe(OH)3，因此C為Fe2O3,F為含F(xiàn)e2＋的溶液，A和B中均含F(xiàn)e元素。 答案：A為FeS,B為FeS2。 ①4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2 ②2H2S＋H2SO3===3S↓＋3H2O ③6FeSO4＋3Br2===2Fe2(SO4)3＋2FeBr3