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2019-2020年高中化學(xué)第1單元走進化學(xué)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 一、依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理確定生產(chǎn)過程 1.下列對硫酸生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)原理的分析正確的是 (　　) 　　　　　　　　　　　　　　 A.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)因原料的不同可能全部是氧化還原反應(yīng) B.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng) C.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)都需要使用催化劑 D.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)都需要在較高溫度條件下進行 解析:三個化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng);三個反應(yīng)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(yīng)。 答案:B 2.關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)速率,可提高原料的利用率(轉(zhuǎn)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(yīng)室的氣體必須預(yù)先凈化、干燥,其主要原因是(　　) A.防止催化劑中毒 B.提高反應(yīng)速率 C.提高SO2轉(zhuǎn)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(yù)先凈化、干燥,選項A正確。 答案:A 4.有關(guān)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)室之前需要凈化、干燥,因為爐氣中的雜質(zhì)易與SO2反應(yīng) C.SO2氧化為SO3時需使用催化劑,這樣可提高SO2的轉(zhuǎn)化率 D.催化反應(yīng)室的反應(yīng)溫度控制在400~500 ℃,因為在這個溫度范圍內(nèi),反應(yīng)速率和SO2的轉(zhuǎn)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(yīng)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,同時防止爐氣中的水蒸氣和SO2生成酸而腐蝕管道;SO2轉(zhuǎn)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(xué)平衡的移動,不影響SO2的轉(zhuǎn)化率大小;催化反應(yīng)室控制反應(yīng)的溫度在400~500 ℃,這是綜合考慮了催化劑的活性、反應(yīng)速率及SO2的轉(zhuǎn)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(yīng)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制水泥、制磚原料,不能用作肥料,故C項錯誤;SO2與O2反應(yīng)的條件應(yīng)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(yīng)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?yīng)室中預(yù)熱反應(yīng)氣體和冷卻生成氣體　③吸收SO3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(yīng)為放熱反應(yīng),逆流操作后,可使溫度下降,提高SO2的轉(zhuǎn)化率,同時預(yù)熱反應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng) 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(xué)平衡移動,不能提高SO2的轉(zhuǎn)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的化學(xué)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(zhuǎn)化率與溫度及壓強的關(guān)系如下圖所示。在實際生產(chǎn)中,SO2催化氧化反應(yīng)的條件選擇常壓、450 ℃左右(對應(yīng)圖中A點),而沒有選擇SO2轉(zhuǎn)化率更高的B點或C點對應(yīng)的反應(yīng)條件,其原因分別是 　; (4)在SO2催化氧化設(shè)備中設(shè)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含有礦塵、砷和硒等的化合物、水蒸氣;應(yīng)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(zhuǎn)化率較高,但低溫時催化劑的活性不高,反應(yīng)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(zhuǎn)化率較高,但增大壓強時SO2的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)為放熱反應(yīng),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、硒等化合物會使催化劑中毒,水蒸氣對設(shè)備和生產(chǎn)有不良影響 (3)不選B點,因為壓強越大對設(shè)備的投資越大,消耗的能量越大;450 ℃時,SO2原料的轉(zhuǎn)化率在0.1 MPa下的轉(zhuǎn)化率已達到97%左右,再提高壓強,SO2的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)放出的熱量預(yù)熱原料氣體　上層反應(yīng)氣體經(jīng)熱交換器溫度降到400~500 ℃進入下層使反應(yīng)更加完全 (建議用時:30分鐘) 1.以下有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)硫酸的論述錯誤的是(　　) 　　　　　　　　　　　　　 A.為提高反應(yīng)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(yīng)室前要先凈化 C.催化反應(yīng)室中熱交換裝置的主要作用是預(yù)熱未反應(yīng)的氣體和冷卻反應(yīng)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(yīng)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劑中毒,水蒸氣對生產(chǎn)設(shè)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(yīng):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(zhuǎn)化率 B.生產(chǎn)中選擇400~500 ℃,不僅能加快反應(yīng)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(yīng)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(yīng)用98%的硫酸吸收三氧化硫。 答案:D 4.用濃硫酸吸收SO3可得到H2SO41.5SO3,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(dǎo),即m(98% H2SO4)= , 解得m(98%H2SO4)≈2.78 kg。 答案:A 5.有關(guān)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(yīng),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(yīng)使SO2轉(zhuǎn)化為SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-196 kJmol-1。已知常壓下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(yīng)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(yīng)物的濃度,以提高另一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)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(yīng)方向移動,提高SO2的轉(zhuǎn)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(yīng)的限度考慮,更要考慮反應(yīng)的速率和催化劑的活性。450 ℃時催化劑的活性較高,選擇此溫度可提高反應(yīng)速率,縮短反應(yīng)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(shè)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(yīng)中SO2的轉(zhuǎn)化率,但在常壓下SO3的體積分數(shù)已達91%,而增大壓強對設(shè)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(yīng)方向移動,提高SO2的轉(zhuǎn)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(yīng)速率,縮短反應(yīng)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(shè)備、動力系統(tǒng)要求高,成本增大,綜合經(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(shè)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(xué)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(yīng)的化學(xué)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(yīng)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)若丁裝置在反應(yīng)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(dǎo)氣管插得太深,導(dǎo)致兩個吸收瓶內(nèi)的氣壓差較大 D.丁中的導(dǎo)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(yīng)室 (3)2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　防止溫度過高,而降低SO2的轉(zhuǎn)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