2017人教版高中化学选修2第2课时《硫酸工业中的三废处理及能量利用》

第2课时硫酸工业中的三废处理及能量利用
学案
【学习目标】
1.了解硫酸工业生产中的三废处理的方法，防止环境污染。

2.了解硫酸工业生产中如何实现能量的综合利用。

3.理解硫酸工业的有关计算。

【重点难点】
1.理解硫酸工业的有关计算。

2.通过对硫酸工业“三废”、能量的利用以及生产规模、厂址的选择等的讨论，认识环境保护的重要性，培养良好的环境保护意识。

课前预习
【情景材料】化工生产中废渣，一般是由未反应的固体原料或是在生产过程中新生成的固体所形成的。

化工废渣属于环境污染物，但许多化工废渣都有一定程度的利用价值。

从可持续发展的大战略上看待化工废渣的合理利用或处理，价值就更高了。

如何处理硫酸工业中的三废及能量利用？
【预习内容】
根据教材有关内容填写下列空白：
一、生产中的三废处理
1．尾气吸收
硫酸生产的尾气中含有少量，可用吸收，使其生成，再用处理，生成和。

方程式为、；
2.污水处理
硫酸生产过程中的污水，含有杂质，可用中和法处理。

方程式为。

3.废渣的利用
废渣可用来制或制造。

炉渣和矿灰，可作为的原料。

二、能量的充分利用
硫酸生产过程中的三个反应都是热反应，如果分利用这些热量，不但可以由硫酸厂自行提供能量，而且还可以，可大大降低生产成本。

一般生产1t硫酸约需消耗的电能。

生产1t硫酸放出的反应热相当于的电能。

如果能够充分利用这些热量，不但可以由硫酸厂自行能量，还可以向外界大量的能量，可大大降低。

预习内容答案
一、1.SO2 Ca(OH)2CaSO3H2SO4SO2CaSO4
SO2 +Ca(OH)2 =CaSO3+H2O H2SO4+CaSO3= CaSO4+H2O+SO2↑
2.酸性石灰乳Ca(OH)2 + H2SO4= CaSO4+2H2O
3．砖水泥炼铁
二、放向外界输出大量能量100 kW·H 200 k W·H 提供输出生产成本
堂中互动
【问题探究1】常说的工业三废指的是什么？硫酸工业生产过程中三废如何处理？
【教师点拨】预处理及生产过程中产生的废气、废液、废渣情况及处理成本，往往成为是否采用该工艺的决定性因素。

分析解答:三废处理方法：①尾气吸收。

②污水处理利用不同化工生产过程中产生的污水所含的杂质不同，根据杂质的性质利用不同的化学方法进行处理。

③废渣的利用。

【即学即练1】下列废物处理方法中正确的是()
A.化学实验中产生的二氧化硫废气可用浓硫酸吸收
B.化学实验中产生的二氧化氮废气可用烧碱溶液吸收
C.用黄铁矿作原料生产硫酸的过程中产生的废渣可用于提取燃料
D.用黄铁矿作原料生产硫酸的过程中产生的废气可用于提取漂白剂
1.BD【解析】二氧化硫在浓硫酸中的溶解度非常小，A项错误；二氧化氮可跟烧碱溶液发生化学反应2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，B项正确；黄铁矿本来就是无机矿物质，又经过高温煅烧后，废渣的主要成分是氧化铁、二氧化硅、氧化铝等，从中提取燃料是不现实的，C项错误；硫酸生产厂的废气中含有较高浓度的二氧化硫气体，二氧化硫可用作漂白剂，D项正确。

【问题探究2】你认为硫酸工业可以怎样合理利用能源？
【教师点拨】硫酸工业的能量循环（理论：放热大于吸热），这些废热的利用，可以向外界输出大量的能量，能大大降低生产成本。

分析解答：（1）在沸腾炉（造气炉）旁设置蒸汽锅炉进行发电
（2）在接触室（催化反应室）中设置热交换器一方面预热反应原料气，另一方面使接触氧化到适宜温度
（3）在接触室（催化反应室）附近建造浴室，提高劳动福利或创造经济效益。

【即学即练2】接触法生产硫酸的过程中，对废气、废水、废渣、废热的处理正确的是()
①尾气用氨水处理②污水用石灰乳处理
③废渣用来造水泥、炼铁④设置废热锅炉产生蒸汽、供热或发电
A.①②
B.①③④
C.①②③
D.①②③④
2.D【解析】硫酸厂尾气中含有SO2，可用氨水吸收处理；硫酸厂废水中含有硫酸可用石灰乳中和；硫酸厂废渣中含有SiO2、Fe2O3等，可用于制造水泥、炼铁；由于硫酸生产过程中三个化学反应都是放热反应，可以充分利用这些反应放出的热能来降低生产成本。

【问题探究3】硫酸工业中涉及多步反应，计算起来比较烦琐，如何快速掌握硫酸工业中多步反应的计算？
【教师点拨】通过本题的计算进一步掌握物质纯度，转化率、产率的计算关系式，并在多步反应中找出量的相当式进行简捷的计算。

（1）关系式法：先写出多步反应的化学方程式，然后找出反应物和生成物之间物质的量（或质量）之比，列出关系式，即可一步计算。

（2）元素守衡法：找出主要原料和最终产物之间物质的量的对应关系。

找出此关系的简便方法，就是分析原料与产物之间所含关键元素原子个数关系，
分析解答：FeS2～2H2SO4，S～H2SO4。

若已知（欲求）FeS2含量，用前面的关系式，若已知（欲求）S的含量，用后一关系式，且二氧化硫转化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物FeS2（或S）进行计算。

【即学即练3】含FeS265%的硫铁矿在煅烧时有1.8%的硫损失而混入炉渣，二氧化硫转化为三氧化硫的利用率为99%。

由这种硫铁矿制2t98%的硫酸，需硫铁矿多少吨？
3. 189.9t
【解析】题中65%为硫铁矿的纯度，有1.8%的硫损失也即是1.8%的FeS2损失，二氧化硫的利用率（转化率）也即是FeS2的利用率。

设需这种硫铁矿的质量为x。

解法一：FeS2～2H2SO4
120 2×98
x×65%(1-1.8%)×99% 2t×98% x=189.9t
解法二：S ～H2SO4
32 98
64/120x×65%×(1-1.8%)×99% 2t×98% x=189.9t
练案
A组（课堂反馈满分50分）
一、选择题（每小题5分，共35分）
1.工业制硫酸用硫黄作为原料产生的污染较用硫铁矿小，主要方面是( )
A.废气
B.废渣
C.废水
D.酸雨
1.B【解析】用硫铁矿制硫酸，废渣较多，而用硫黄作为原料，几乎没有废渣，但废气的量
没有减少，也会产生废水。

2.环境污染已成为人类社会面临的重大威胁，各种污染数不胜数，下列名词与环境污染无关的是()
①温室效应②赤潮③酸雨④光化学污染
⑤臭氧层空洞⑥水俣病⑦潮汐⑧大脖子病
A.①②
B.⑦⑧
C.⑥⑦⑧
D.②⑤⑦
2.B【解析】①③④⑤属于大气污染，②⑥属于水污染，潮汐是一种自然现象，大脖子病是因人体缺乏碘元素造成的，所以⑦⑧不属于环境污染。

3.工业上以硫铁矿为原料制硫酸所产生的尾气除了含有N2、O2外，还含有SO2等对环境有较大影响的有害气体。

能用于测定硫酸尾气中SO2含量的是()
A.NaOH溶液、酚酞试液
B.石灰水、石蕊试液
C.碘水、淀粉溶液
D.氨水、酚酞试液
3.C【解析】测定SO2含量必须要能跟SO2反应，而且可以用颜色变化来准确确定反应终点。

A项和D项虽然能反应，但A在完全生成Na2SO3时溶液还是碱性，没变色，而D在SO2还没与氨水完全反应时就开始变色了。

C项石灰水中所含溶质较少，且石蕊试液的颜色变化不明显。

4.某制药厂尾气中含少量SO2气体，一般用NaOH溶液或氨水吸收，以防污染环境。

分别用0.1 mol·L－1的NaOH溶液或同浓度的氨水处理相同量的尾气，两种方法所需吸收液的体积关系是()
A．NaOH溶液的体积大于氨水B．NaOH溶液的体积等于氨水
C．NaOH溶液的体积小于氨水D．无法判断
4.B【解析】SO2＋2NaOH===Na2SO3＋H2O，SO2＋2NH3·H2O===(NH4)2SO3＋H2O。

5.在硫酸工业生产中，SO3的吸收过程是在吸收塔(如图)中进行的，吸收塔里还装入了大量
瓷环。

下列说法中不正确
．．．的是()
A.从①处通入SO3，整个吸收操作采取逆流的形式
B.从②处喷下98%的硫酸，瓷环的作用是增大接触面积
C.从③处导出的气体只含有少量SO2，可直接排入大气
D.从④处流出的是可用水或稀硫酸稀释的浓硫酸
5.C【解析】三氧化硫的吸收通常使用98%的硫酸，不用水或稀硫酸，原因是水或稀硫酸吸收三氧化硫时容易形成酸雾，吸收速率慢，不利于三氧化硫的吸收；气体的吸收常采用逆流原理，这样有利于气、液的充分接触，吸收效果好；从吸收塔上部导出的气体是N2、没有起反应的O2和少量二氧化硫，直接排入大气会污染环境，所以应用吸收剂吸收或循环使用。

6.下图为硫酸工业生产中的某一设备，下列说法正确的是( )
A.上图所示设备为吸收塔
B.在该设备中应该尽量增大压强，提高SO 2的转化率
C.热交换的目的，一方面使即将参加反应的气体达到一定温度，另一方面降低体系温度有利于生成SO 3
D.在A 处流出的气体为SO 2、SO 3、O 2
6.C 【解析】本题考查工业制硫酸的设备分析。

图中装置为接触室，A 错误；在该设备中压强不宜过大，压强过大对设备和动力的要求比较高，不利于节省成本，B 错误；在该设备中使用了热交换器，热交换的目的，一方面使即将参加反应的气体达到一定温度，另一方面降低体系温度有利于生成SO 3，C 正确；在A 处流出的气体为SO 2、O 2，循环利用，D 错误。

7.把含硫48%的硫铁矿先制成硫酸，再吸收氨气制成硫酸铵。

1t 这种硫铁矿在理论上能制得硫酸铵( )
A.1.06 t
B.1.98 t
C.2.14 t
D.2.26 t
7. B 【解析】根据“S ”―→H 2SO 4―→(NH 4)2SO 4关系式可得出m [(NH 4)2SO 4]＝1 t ×48%32
×132＝1.98 t 。

二、填空题（共15分）
8.(7分)石膏也可用于工业生产二氧化硫，进而生产硫酸。

天然石膏的化学式为CaSO 4·2H 2O 。

将天然石膏脱水后，第2步化学反应就可制得二氧化硫。

(1)写出第1步反应的化学方程式______________________________________。

(2)在第2步化学反应中，下列原料可以使用的是(用序号填空)________。

写出有关化学反应的方程式______________________________________。

①空气 ②氧气 ③硫酸 ④焦炭
(3)在第2步化学反应中，可能会排入空气的气态污染物是________________。

它(或它们)的主要危害是______________________________________。

8.(1)CaSO 4·2H 2O=====△CaSO 4＋2H 2O （2分）
(2)④（1分）2CaSO 4＋C=====高温2CaO ＋2SO 2↑＋CO 2↑（2分）
(3)二氧化硫和一氧化碳（1分） 二氧化硫导致酸雨，一氧化碳使人中毒（2分）
【解析】在CaSO 4→SO 2的变化中硫元素被还原，所以要使用还原剂(焦炭)。

焦炭的氧化产物中有可能含有一氧化碳。

9.(8分)工业上以硫铁矿为原料制硫酸所产生的尾气除了含有N2，O2外，还含有SO2、微量的SO3和酸雾。

为了保护环境，同时提高硫酸工业的综合经济效益，应尽可能将尾气中的SO2转化为有用的副产品。

请按要求回答下列问题：
(1)将尾气通入氨水中，能发生多个反应，写出其中可能发生的两个氧化还原反应的化学方程式________________________________________、________________________________。

(2)在尾气与氨水反应所得到的高浓度溶液中，按一定比例加入氨水或碳酸氢铵，此时溶液的温度会自行降低，并析出晶体。

①导致溶液温度降低的原因可能是____________________________________________。

②析出的晶体可用于造纸工业，也可用于照相用显影液的生产。

已知该结晶水合物的
相对分子质量为134，则其化学式为_____________________。

③生产中往往需要向溶液中加入适量的对苯二酚或对苯二胺等物质，其目的是___________
_____________________________________________________________。

9.(1)2H2SO3＋O2===2H2SO4（2分）
2(NH4)2SO3＋O2===2(NH4)2SO4或2NH4HSO3＋O2===2NH4HSO4（2分）
(2)①反应吸热（1分）②(NH4)2SO3·H2O（2分）③防止亚硫酸铵被氧化（1分）【解析】(1)尾气中的SO2与NH3·H2O的反应：SO2＋2NH3·H2O===(NH4)SO3，当SO2继续通入则发生：(NH4)2SO3＋SO2＋H2O===2NH4HSO3。

发生的氧化还原反应应是SO32－、HSO3－被氧气氧化为SO42－；(2)在尾气与氨水反应所得到的高浓度溶液中主要含NH4HSO3，加入的氨水或碳酸氢铵与NH4HSO3反应生成(NH4)2SO3。

①导致溶液温度降低的原因应是反应吸热。

②Mr[(NH4)2SO3]＝116，结合结晶水合物的相对分子质量134，可知结晶水合物含1分子H2O，化学式为(NH4)2SO3·H2O。

③(NH4)2SO3易被氧气氧化，且对苯二酚或对苯二胺具有还原性，所以加入适量的对苯二酚或对苯二胺等物质，其目的是防止亚硫酸铵被氧化。

B组（课后拓展）
(s) Ca2＋(aq)＋2OH－(aq)，
1.已知氢氧化钙和碳酸钙在水中存在下列溶解平衡：Ca(OH)
CaCO 3(s)CO32－(aq)＋Ca2＋(aq)。

在火力发电厂燃烧煤的废气中往往含有SO2、O2、N2、CO2等。

为了除去有害气体SO2并变废为宝，常常用粉末状的碳酸钙或熟石灰的悬浊液洗涤废气。

(1)写出上述两个反应的化学方程式：
①SO2与CaCO3悬浊液反应______________________________________；
②SO2与Ca(OH)2悬浊液反应______________________________________。

(2)试说明用熟石灰的悬浊液而不用澄清石灰水的理由___________________________。

(3)在英国进行的一项研究结果表明：高烟囱可以有效地降低地表面的SO2浓度。

在上世纪的60～70年代的十年间，由发电厂排放的SO2增加了45%，但由于建造高烟囱的结果，地表面SO2浓度却降低了30%之多。

请你从全球环境保护的角度，分析这种方法是否可取并简述理由：。

1.(1)①CaCO3＋SO2===CaSO3＋CO2 ②SO2＋Ca(OH)2===CaSO3＋H2O
(2)由于Ca(OH)2的溶解度太小，澄清石灰水吸收SO2的效果不好
(3)不可取，这种方法虽然能减少地表面SO2的浓度，但SO2仍然存在，污染并未消除【解析】本题以工业尾气中SO2的处理为背景，考查了环保知识，解答问题的关键是从反应的实质入手。

2.黄铁矿(主要成分为FeS2)是工业制取硫酸的重要原料，其煅烧产物为SO2和Fe3O4。

(1)将0.050 mol SO2 (g)和0.030 mol O2(g)放入容积为1 L的密闭容器中，反应2SO2(g)＋O2(g)
2SO3(g)在一定条件下达到平衡，测得c(SO3)＝0.040 mol·L－1。

计算该条件下反应的平衡常数K和SO2的平衡转化率(写出计算过程)。

(2)已知上述反应是放热反应，当该反应处于平衡状态时，在体积不变的条件下，下列措施中有利于提高SO2平衡转化率的有________(填字母)。

A．升高温度B．降低温度C．增大压强
D．减小压强E．加入催化剂F．移出氧气
(3)SO2尾气用饱和Na2SO3溶液吸收可得到重要化工原料，反应的化学方程式为_________ _____________________________。

(4)将黄铁矿的煅烧产物Fe3O4溶于H2SO4后，加入铁粉，可制备FeSO4。

酸溶过程中需保持溶液足够酸性，其原因是______________________________________。

2.(1) 2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)
起始浓度/
0.050 0.030 0
mol·L－1
平衡浓度/
0.050－0.040 0.030－0.040/2 0.040
mol·L－1
所以，K ＝c 2(SO 3)c 2(SO 2)·c (O 2)＝(0.040 mol·L －
1)2(0.010 mol·L －1)2×(0.010 mol·L －1)＝1.6×103 L·mol －1 α(SO 2)＝0.050 mol·L －1－0.010 mol·L －
1
0.050 mol·L －1×100%＝80% (2)BC
(3)SO 2＋H 2O ＋Na 2SO 3===2NaHSO 3
(4)抑制Fe 3＋、Fe 2＋的水解，防止Fe 2＋被氧化成Fe 3＋
【解析】(2)欲提高SO 2转化率，则平衡需正向移动，根据反应方程式知，降低温度、增大压强都使平衡右移，B 、C 正确。

(4)因Fe 2＋、Fe 3＋均能水解，为防止水解，故需加酸抑制；铁粉除了能将Fe 3＋还原为Fe 2＋外，还可防止Fe 2＋被氧化。

3.某化工厂每小时生产a 吨98%（质量分数）硫酸。

为使硫充分燃烧，且在下一步催化氧化时不再补充空气，要求燃烧后的混合气体中含氧气的体积分数为b%。

若空气中氧气的体积分数为21%，且不考虑各生产阶段的物料损失，则
（1）该厂每小时消耗标准状况下空气的体积为 m 3。

（2）为满足题设要求，b%的下限等于 。

3.(1)22400a/(21-b)；（2）7%
【解析】根据S+O 2=SO 2反应前后气体体积不变，求出燃烧后O 2的体积。

（1）每小时生产的纯硫酸为(a×106g×98%)÷98g/mol=a×104mol 。

生产过程中生成的SO 2和SO 3也都是a×104mol 。

设每小时消耗空气的体积为V ，则由S+O 2=SO 2消耗O 2的体积等于生成的SO 2体积，即燃烧前空气的体积等于燃烧后混合气体的体积，据此可得以下关系：空气中O 2的体积=反应中消耗的O 2的体积+燃烧后混合气体中O 2的体积，即V×21%=a×104 mol×22.4L/mol×10-3 m 3/L+V×b%，V=22400a/(21-b)。

（2）“b 的下限”，其含义是指燃烧后剩余的O 2在第二步催化氧化时恰好完全反应，也就是说，燃烧前空气中的氧（空气体积的21%）恰好满足两步反应。

因S+O 2=SO 2和O 2+2SO 2=2SO 3两步反应耗O 2之比为2:1，故燃烧后（第一步反应后）混合气体中O 2的体积分数的下限是b%=(1/3)×21%=7%。