(人教版)高中化学必修2教学案 第一单元走进化学工业课题1化工生产过程中的基本问题(含答案)

课题1化工生产过程中的基本问题1．关于工业制硫酸的反应原理及过程需考虑的因素 (1)分析产品的化学组成，确定生产该产品的主要原料。

从H 2SO 4的组成看，生产原料应该是自然界中含硫的物质，如硫黄、黄铁矿(主要成分FeS 2)等。

(2)分析产品与生产原料之间关键元素的性质，确定反应原理和主要生产步骤。

H 2SO 4中S 的化合价是＋6价，生产过程中，要先使硫元素转化为SO 2，再把SO 2转化为SO 3，再与H 2O 反应制得硫酸。

2．工业制硫酸的基本生产原理以S(或FeS 2)为原料制硫酸的反应原理用化学方程式表示为：(1)S ＋O 2=====点燃SO 2(4FeS 2＋11O 2=====高温2Fe 2O 3＋8SO 2) (放热反应)； (2)2SO 2＋O 2催化剂△2SO 3(放热反应)； (3)SO 3＋H 2O===H 2SO 4(放热反应)。

3．工业制硫酸的过程工业制硫酸主要分为造气、催化氧化和吸收三个阶段。

硫酸生产的工艺流程：[跟随名师·解疑难](1)S 或FeS 2不能直接被氧化为H 2SO 4，所以需要经过中间步骤，先得到SO 3，再通过SO 3与H 2O 反应得到H 2SO 4。

(2)煅烧黄铁矿制得的炉气中含有三种有害杂质：矿尘，砷、硒等化合物，水蒸气；对应三个净化过程：除尘、水洗和干燥，避免催化剂中毒。

(3)工业上用98.3%的硫酸吸收SO 3，可以避免用水吸收SO 3产生的酸雾腐蚀设备，并且可以提高吸收率。

(4)硫酸生产的三个主要设备：沸腾炉、接触室(催化反应室)、吸收塔。

[剖析典例·探技法][例1] 下列对硫酸生产中化学反应原理的分析正确的是( )A．硫酸生产中涉及的三个化学反应因原料的不同可能全部是氧化还原反应B．硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应C．硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要使用催化剂D．硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要在较高温度下进行[名师解析] 三个化学反应都是放热反应；三个反应中只有SO2→SO3需使用催化剂；SO3→H2SO4在常温下进行，且是非氧化还原反应。

[答案] B工业生产某种化工产品，选择原料时，要从多方面去考虑，如化学反应原理、厂址选择、原料、能源、工业用水的供应能力、存储、运输、预处理成本及环境保护等。

(1)由于以黄铁矿为原料制硫酸时产生的废弃物太多，处理成本高，故这一工艺正在逐步被淘汰。

(2)依据反应物之间的接触面积越大，反应速率越快的原理，送进沸腾炉的矿石要粉碎成细小的矿粒，增大矿石跟空气的接触面积，使之充分反应。

(3)依据增大廉价易得的反应物的浓度，使较贵重的原料得以充分利用的原理，采用过量的空气使黄铁矿或硫黄充分反应。

[剖析典例·探技法][例2] 与以黄铁矿为原料的生产工艺相比，以硫黄为原料的生产工艺的特点是( ) A．SO2的转化率提高B．产生的废渣减少C．耗氧量减少D．不需要使用催化剂[名师解析] 以S或FeS2为原料来制取SO2气体不影响SO2的转化率，A不正确；黄铁矿被氧化时，S元素被氧化为SO2的同时，Fe元素也被氧化生成Fe2O3(废渣)，故以硫黄为原料时，耗氧量减少，且产生的废渣减少，B、C正确。

[答案] BC[名师点睛]环境保护已成为化工生产乃至原料选择中优先考虑的因素。

1．化学平衡(1)概念：如果外界条件不发生变化，可逆反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度将不再发生变化，反应体系处于化学平衡状态。

如硫酸工业中将SO2氧化成SO3是一个可逆反应，一定条件下反应可达到平衡状态。

(2)改变反应条件浓度、温度、压强等可破坏原有的化学平衡。

2．平衡移动原理(勒夏特列原理)(1)概念：如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、温度、压强等)，平衡就向能减弱这种改变的方向移动。

(2)催化剂对化学平衡没有(填“有”或“没有”)影响，但能改变到达平衡所需时间。

3．生产中反应条件的选择在化工生产中要通过反应条件的控制使反应速率和平衡转化率都比较理想，还要同时考虑控制某些反应条件的成本和实际可能性。

4．SO2催化氧化条件的选择[跟随名师·解疑难]1．平衡移动的重要结论(1)增大反应物浓度或减小生成物浓度，化学平衡向正反应方向移动；减小反应物浓度或增大生成物浓度，化学平衡向逆反应方向移动。

(2)升高温度，化学平衡向吸热的反应方向移动；降低温度，化学平衡向放热的反应方向移动。

(3)增大压强，化学平衡向气体分子数减小的方向移动；减小压强，化学平衡向气体分子数增大的方向移动。

2．反应2SO2＋O22SO3的适宜条件2SO2(g)＋O2(g)催化剂△2SO3(g)ΔH＝－196.6 kJ·mol－1这是一个气体分子总数减小的、放热的可逆反应。

(1)温度SO2催化氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡移动理论判断，温度较低对提高SO2的转化率有利。

但是，温度较低时催化剂活性不高，反应速率低。

在实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，这时反应速率和SO2的转化率都比较理想。

(2)压强SO2催化氧化是一个气体分子总数减小的可逆反应，根据化学平衡移动理论判断，增大压强对提高SO2的平衡转化率有利。

但是，在常压、400～500 ℃时，SO2的平衡转化率已经很高，因高压条件对设备提出了苛刻的要求，增大压强必须增大投资和能量消耗，故在实际生产中，通常采用常压操作。

(3)适当过量的空气目的是提高SO2的转化率。

综上所述，催化氧化的适宜条件是常压、较高的温度(400～500 ℃)和催化剂。

[剖析典例·探技法][例3] 工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。

压强及温度对SO2转化率的影响如下表(原料气各成分的体积分数为：SO27%，O211%，N282%)：(1)已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)在400～500 ℃时，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？____(填“是”或“否”)，是否可以增大该反应所放出的热量？______(填“是”或“否”)。

(4)为提高SO3吸收率，实际生产中用________吸收SO3。

[名师解析] (1)根据表格中的数据可以看出，在相同压强下(如在0.1 MPa下)，升高温度(如由400 ℃升高到500 ℃)时，SO2的转化率降低(由99.2%降低为93.5%)，即升高温度时，此化学平衡向逆反应方向移动，而升高温度，化学平衡应该向吸热反应方向移动，所以此反应的正反应为放热反应。

(2)根据表格中的数据可以得知：在0.1 MPa时，SO2的转化率已经很高，若增大压强到10 MPa，SO2的转化率只增大了0.7%，变化不大。

而压强增大100倍，需要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高，即要增大成本投入。

(3)使用催化剂只能改变反应到达平衡的时间，不能使化学平衡发生移动，即对SO2的转化率不产生影响；而在一定条件下，化学反应放出的热量与参加反应的反应物的量成正比，因SO2的转化率不变，所以反应放出的热量也不会增大。

(4)在实际生产中是采用98%的浓硫酸作为吸收剂来吸收SO3的。

因为若用水或稀硫酸进行吸收会形成酸雾，将影响SO3的吸收速率和生产效率。

[答案] (1)压强一定时，温度升高，SO2转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应为放热反应(2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加成本(3)否否(4)98%的硫酸[名师点睛]化工生产条件的选择是理论在生产实际中的重要应用，在选择生产条件时既涉及外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响，又要考虑生产实际问题。

在学习时应对二氧化硫催化氧化的生产条件(温度、压强、充入空气的量)的选择充分理解、熟练掌握，并学会举一反三。

1．尾气吸收硫酸生产的尾气中含有少量SO2，可用石灰水吸收，使其生成CaSO3，再用H2SO4处理，从而得到含量较高的SO2，可返回用作原料。

化学方程式为：SO2＋Ca(OH)2===CaSO3＋H2O，CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋H2O＋SO2↑。

2．污水处理硫酸生产过程中的污水，含有酸性杂质，可用石灰乳进行中和处理。

化学方程式为H2SO4＋Ca(OH)2===CaSO4＋2H2O。

3．废渣的利用(1)炉渣和矿灰可作为炼铁的原料。

(2)可以用来提炼贵重的有色金属。

(3)废渣还可作为制造水泥的原料或用于制砖。

[跟随名师·解疑难](1)环境保护条件提升到首要考虑因素，所以预处理和生产过程中“三废”情况及处理成本，往往成为是否采用该工艺的决定性因素。

(2)在最终产生的“三废”中，往往还含有未反应的反应物，为了充分利用原料，在收集产品或处理“三废”时可将剩余反应物重新并入原料中，使生产过程带有局部循环的特点，这是化工生产工艺设计中常用的方法。

[剖析典例·探技法][例4] 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水吸收C．用黄铁矿做原料生产硫酸的过程中，产生的废渣可用于提取燃料D．用黄铁矿做原料生产硫酸的过程中，产生的废气可用于提取漂白剂[名师解析] 二氧化硫在浓硫酸中的溶解度非常小，A项错误；二氧化氮一般用烧碱溶液吸收，发生的反应为：2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，B项错误；黄铁矿本来就是无机矿物质，又经过高温煅烧，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；硫酸生产过程产生的废气中含有较高浓度的二氧化硫气体，二氧化硫可用做漂白剂，D项正确。

[答案] D[名师点睛] 厂址选择(1)化工厂厂址的选择要考虑一些自然因素，如有无合适的建筑用地，有无近便、丰富而优质的水源，有无生产所必需的自然资源(如能源和原料)等。

(2)化工厂厂址的选择要考虑经济因素，如怎样接近原料、燃料的产地，如何接近消费市场以尽可能节省运输费用、降低生产成本等。