2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第一單元走進(jìn)化學(xué)工業(yè)課題1化工生產(chǎn)過(guò)程中的基本問(wèn)題學(xué)案新人教版選修2

PAGE9-課題1化工生產(chǎn)過(guò)程中的基本問(wèn)題1．駕馭接觸法制硫酸的化學(xué)反應(yīng)原理，并了解其生產(chǎn)過(guò)程和幾個(gè)典型設(shè)備。2．應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)的限度，分析并駕馭硫酸工業(yè)相宜條件的選擇。3．了解防止硫酸工業(yè)“三廢”造成污染和“廢熱”利用的初步學(xué)問(wèn)。相識(shí)環(huán)境愛(ài)護(hù)與節(jié)約的意義，強(qiáng)化環(huán)保與節(jié)約意識(shí)。授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū)第1頁(yè)一、依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理確定生產(chǎn)過(guò)程1．化工生產(chǎn)與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系化工生產(chǎn)是以化學(xué)反應(yīng)原理為依據(jù)，以試驗(yàn)室探討為基礎(chǔ)的。任何生產(chǎn)的完成都要符合化學(xué)反應(yīng)規(guī)律。2．確定化工生產(chǎn)反應(yīng)原理與過(guò)程的一般方法對(duì)于某一詳細(xì)的化工產(chǎn)品，探討生產(chǎn)過(guò)程要從產(chǎn)品的化學(xué)組成和性質(zhì)考慮，來(lái)確定原料和生產(chǎn)路途。3．化工生產(chǎn)的案例探討——生產(chǎn)硫酸(1)原料：從H2SO4的組成看，原料應(yīng)當(dāng)是自然界存在的含硫的物質(zhì)，如硫黃、黃鐵礦(主要成分是FeS2)等。(2)生產(chǎn)步驟：生產(chǎn)硫酸的主要化學(xué)過(guò)程可以分成SO2的生成、SO2轉(zhuǎn)化為SO3和SO3轉(zhuǎn)化為硫酸三個(gè)階段。(3)工業(yè)上制硫酸的基本生產(chǎn)原理：①造氣：以S為原料制備SO2，反應(yīng)方程式S＋O2eq\o(=,\s\up7(點(diǎn)燃))SO2(屬放熱反應(yīng))。②催化氧化：將SO2氧化成SO3，反應(yīng)方程式2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(催化劑),\s\do5(450℃或△))2SO3(屬放熱反應(yīng))。③SO3汲?。喝趸蜣D(zhuǎn)化成硫酸，反應(yīng)方程式SO3＋H2O=H2SO4(屬放熱反應(yīng))。二、生產(chǎn)中原料的選擇1．在工業(yè)生產(chǎn)中，選擇原料除依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理外，還有很多因素須要考慮，如廠址選擇、原料、能源、工業(yè)用水的供應(yīng)實(shí)力、貯存、運(yùn)輸、預(yù)處理成本及環(huán)境愛(ài)護(hù)等。2．目前，世界大多數(shù)國(guó)家生產(chǎn)硫酸主要以硫黃為原料，我國(guó)主要是以黃鐵礦為原料制硫酸的。三、生產(chǎn)中反應(yīng)條件的限制1．生產(chǎn)中反應(yīng)條件的選擇在化工生產(chǎn)中要通過(guò)反應(yīng)條件的限制使化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率都比較志向，還要同時(shí)考慮限制某些反應(yīng)條件的成本和實(shí)際可能性。2．二氧化硫催化氧化條件的選擇(1)溫度條件：選擇400～500_℃作為操作溫度，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)速率和二氧化硫的轉(zhuǎn)化率都比較志向。(2)壓強(qiáng)條件：增大氣體壓強(qiáng)，SO2的平衡轉(zhuǎn)化率提高得并不多，所以，通常采納常壓操作。(3)催化劑：催化劑對(duì)化學(xué)平衡沒(méi)有影響，但能變更到達(dá)平衡所需的時(shí)間。四、生產(chǎn)中的三廢處理1．尾氣汲取硫酸生產(chǎn)的尾氣中含有少量SO2，可用Ca(OH)2汲取，使其生成CaSO3，再用H2SO4處理，生成SO2和CaSO4。方程式為SO2＋Ca(OH)2=CaSO3＋H2O；CaSO3＋H2SO4=CaSO4＋SO2↑＋H2O。2．污水處理硫酸生產(chǎn)過(guò)程中的污水，含有酸性雜質(zhì)，可用石灰乳中和法處理。方程式為Ca(OH)2＋H2SO4=CaSO4＋2H2O。3．廢渣的利用廢渣可用來(lái)制磚或制造水泥，爐渣和礦灰可作為煉鐵的原料。五、能量的充分利用硫酸生產(chǎn)過(guò)程中的三個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，假如能充分利用這些熱量，不但可以由硫酸廠自行供應(yīng)能量，而且還可以向外界輸出大量能量，可大大降低生產(chǎn)成本。授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū)第2頁(yè)要點(diǎn)一解讀工業(yè)制備硫酸的過(guò)程1．三原料：硫鐵礦(FeS2)、空氣、水接觸法制硫酸一般可以用硫黃、黃鐵礦、石膏、有色金屬冶煉廠的煙氣(含肯定量的SO2)等。其中用硫黃作原料成本低、對(duì)環(huán)境污染少。我國(guó)硫黃資源較少，主要用黃鐵礦(主要成分為FeS2)作生產(chǎn)硫酸的原料。2．三反應(yīng)(1)4FeS2＋11O2=2Fe2O3＋8SO2(高溫)(2)2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(催化劑),\s\do5(加熱))2SO3(催化劑，加熱)(3)SO3＋H2O=H2SO43．三設(shè)備：(1)沸騰爐(2)接觸室(3)合成塔4．三原理：化學(xué)平衡原理、熱交換原理、逆流原理(1)化學(xué)平衡原理：增大反應(yīng)物濃度、增大反應(yīng)物間接觸面積，能提高反應(yīng)速率并使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，以充分提高原料利用率。(2)熱交換原理：在接觸室中生成的熱量經(jīng)過(guò)熱交換器，傳遞給進(jìn)入接觸室的須要預(yù)熱的混合氣體，為二氧化硫的接觸氧化和三氧化硫的汲取創(chuàng)建了有利條件。(3)逆流原理：液體由上向下流，氣體由下向上升，兩者在逆流過(guò)程中充分反應(yīng)。[例1]在接觸法制硫酸的工業(yè)生產(chǎn)中，下列生產(chǎn)操作與說(shuō)明這些操作的主要緣由都正確的是()A．黃鐵礦煅燒前須要粉碎，因?yàn)榇髩K黃鐵礦不能燃燒B．從沸騰爐出來(lái)的爐氣須要凈化，這樣可以提高產(chǎn)品的純度C．SO2氧化為SO3時(shí)需運(yùn)用催化劑，這樣可以提高反應(yīng)速率和SO2的轉(zhuǎn)化率D．用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.3%的硫酸汲取SO3，目的是防止形成酸霧，以便使SO3汲取完全[解析]將黃鐵礦粉碎的主要目的是為了增大和空氣的接觸面積，可使其燃燒得更充分、更快，所以選項(xiàng)A操作正確，但說(shuō)明錯(cuò)誤；爐氣凈化的目的是防止?fàn)t氣中的雜質(zhì)和礦塵使催化劑中毒、失效，所以選項(xiàng)B操作正確，但說(shuō)明錯(cuò)誤；運(yùn)用催化劑是為了提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)完成的時(shí)間，但對(duì)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的產(chǎn)率均無(wú)影響，所以選項(xiàng)C也是操作正確，但說(shuō)明錯(cuò)誤；選項(xiàng)D是正確的。[答案]D[方法規(guī)律]確定化工生產(chǎn)反應(yīng)原理與過(guò)程的一般方法：對(duì)于某一詳細(xì)的化工產(chǎn)品，探討生產(chǎn)過(guò)程要從產(chǎn)品的化學(xué)組成和性質(zhì)來(lái)確定原料和生產(chǎn)路途。①分析產(chǎn)品的化學(xué)組成，據(jù)此確定生產(chǎn)產(chǎn)品的主要原料；②分析產(chǎn)品與生產(chǎn)原料之間關(guān)鍵元素的性質(zhì)，確定主要生產(chǎn)步驟；③分析生產(chǎn)原料的性質(zhì)，確定反應(yīng)原理。1．在用接觸法制硫酸的過(guò)程中，若將接觸室內(nèi)混合氣體突然冷卻到15℃，有白色晶體析出，此晶體是()A．硫酸酐B．固態(tài)氧C．硫黃D．亞硫酸酐解析：冷卻到15℃，SO3將會(huì)成為固體，而SO2、O2仍是氣體，硫黃雖是固體但在接觸室中不行能有它的存在。答案：A要點(diǎn)二硫酸工業(yè)生產(chǎn)中反應(yīng)條件的選擇1．影響硫酸生產(chǎn)效率的因素分析(1)接觸氧化的反應(yīng)為：SO2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)eq\o(,\s\up7(催化劑),\s\do5(△))SO3(g)ΔH＝－98.3kJ·mol－1。這是一個(gè)氣體總體積縮小的、放熱的可逆反應(yīng)，低溫高壓有利于SO3的生成。(2)從教材P6表1－1和表1－2可以看出，溫度越低、壓強(qiáng)越大，越有利于SO3的生成，但壓強(qiáng)的影響不是很大。(3)綜合考慮低溫時(shí)有利于SO2的轉(zhuǎn)化，但考慮催化劑活性，溫度不能太低。高壓有利于SO2的轉(zhuǎn)化，但試驗(yàn)表明增大壓強(qiáng)，SO2的轉(zhuǎn)化率提高并不大，而且考慮設(shè)備、成本和能源消耗問(wèn)題，壓強(qiáng)不應(yīng)很高，可以考慮常壓。2．硫酸工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中條件的選擇(1)溫度：依據(jù)平衡移動(dòng)原理，應(yīng)在低溫下進(jìn)行，但低溫時(shí)催化劑的活性不高，反應(yīng)速率低，實(shí)際生產(chǎn)中采納400～500℃的溫度。(2)常壓：依據(jù)平衡移動(dòng)原理，應(yīng)在高壓下進(jìn)行，但增大壓強(qiáng)對(duì)SO2的轉(zhuǎn)化率提高不大，且加壓會(huì)增大成本和能量消耗，而常壓下的轉(zhuǎn)化率已很高，實(shí)際生產(chǎn)采納常壓操作。(3)適當(dāng)過(guò)量的空氣：目的是提高SO2的轉(zhuǎn)化率。(4)接觸氧化的相宜條件：常壓、較高的溫度(400～500℃)和催化劑。[例2]工業(yè)上生產(chǎn)硫酸時(shí)，利用催化氧化反應(yīng)將SO2轉(zhuǎn)化為SO3是一個(gè)關(guān)鍵步驟。壓強(qiáng)及溫度對(duì)SO2轉(zhuǎn)化率的影響如下表(原料氣各成分的體積分?jǐn)?shù)為：SO27%，O211%，N282%)：0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4(1)已知SO2的氧化是放熱反應(yīng)，如何利用表中數(shù)據(jù)推斷此結(jié)論？________________________________________________________________________；(2)在400～500℃時(shí)，SO2的催化氧化采納常壓而不是高壓，主要緣由是________________________________________________________________________；(3)選擇相宜的催化劑，是否可以提高SO2的轉(zhuǎn)化率？________(填“是”或“否”)，是否可以增大該反應(yīng)所放出的熱量？________(填“是”或“否”)；(4)為提高SO3汲取率，實(shí)際生產(chǎn)中用________汲取SO3；(5)已知：2SO2(g)＋O2(g)=2SO3(g)ΔH＝－196.6kJ·mol－1，計(jì)算每生產(chǎn)1萬(wàn)噸98%硫酸所須要的SO3質(zhì)量和由SO2生產(chǎn)這些SO3所放出的熱量。[解析](1)依據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以看出，在相同壓強(qiáng)下(如在0.1MPa下)上升溫度(如由400℃上升到500℃)時(shí)，SO2的轉(zhuǎn)化率降低(由99.2%降低為93.5%)，即上升溫度時(shí)此化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，而上升溫度化學(xué)平衡應(yīng)當(dāng)向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，所以此反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。(2)依據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以得知：在0.1MPa(即常壓1atm下)SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，如在400℃時(shí)已達(dá)99.2%，若增大壓強(qiáng)到10MPa(即100atm)，壓強(qiáng)增大了100倍，但是SO2的轉(zhuǎn)化率增大為99.9%，只增大了0.7%，變更不大。而壓強(qiáng)增大100倍，須要對(duì)設(shè)備的材料、動(dòng)力、能源等都作相應(yīng)的提高，即要增大成本投入。(3)運(yùn)用催化劑只能改變更學(xué)反應(yīng)的速率，變更反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)，即對(duì)SO2的轉(zhuǎn)化率不產(chǎn)生影響；而在肯定條件下，化學(xué)反應(yīng)放出的熱量與參與反應(yīng)的反應(yīng)物的量成正比，因SO2的轉(zhuǎn)化率不變，所以反應(yīng)放出的熱量也不會(huì)增大。(4)在生產(chǎn)實(shí)際中是采納98.3%的濃硫酸作汲取劑來(lái)汲取SO3的。因?yàn)槿粲盟M(jìn)行汲取會(huì)形成酸霧，將影響SO3的汲取速率和效率。(5)SO2→SO3→H2SO4～反應(yīng)熱eq\f(80g,mSO3)＝eq\f(98g,104×106g×98%)＝eq\f(196.6kJ/2,Q)解得：m(SO3)＝8.0×109g＝8.0×103t，Q＝9.83×109kJ。[答案](1)壓強(qiáng)肯定時(shí)，溫度上升，SO2轉(zhuǎn)化率下降，說(shuō)明升溫有利于逆反應(yīng)進(jìn)行，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)(2)增大壓強(qiáng)對(duì)提高SO2轉(zhuǎn)化率無(wú)顯著影響，反而會(huì)增加成本(3)否否(4)濃硫酸(5)9.83×109kJ[方法規(guī)律]化工生產(chǎn)條件的選擇是理論聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際,的一個(gè)重要應(yīng)用，在選擇生產(chǎn)條件時(shí)既涉及外界條,件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響，又要考慮生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題。在學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)對(duì)合成二氧化硫的催化氧化的生產(chǎn)條件的選擇充分理解、嫻熟駕馭，并學(xué)會(huì)舉一反三。2．下列說(shuō)法正確的是()A．在設(shè)計(jì)化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時(shí)，只要將化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)和化學(xué)反應(yīng)理論相結(jié)合進(jìn)行全面分析就沒(méi)問(wèn)題了B．在設(shè)計(jì)化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時(shí)，若化學(xué)反應(yīng)的速率很高，就不須要考慮催化劑的問(wèn)題C．在現(xiàn)代工業(yè)上將二氧化硫氧化為三氧化硫的相宜條件是高溫、高壓和催化劑D．在2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(V2O5),\s\do5(450℃))2SO3中，對(duì)“450℃”的選擇，來(lái)自對(duì)反應(yīng)物性質(zhì)和催化劑性質(zhì)的綜合考慮解析：在設(shè)計(jì)化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時(shí)，若化學(xué)反應(yīng)速率過(guò)高而對(duì)生產(chǎn)不利時(shí)，就要考慮施加負(fù)催化劑的問(wèn)題。答案：D要點(diǎn)三硫酸工業(yè)中多步反應(yīng)的計(jì)算方法1．關(guān)系式法：先寫(xiě)出多步反應(yīng)的化學(xué)方程式，然后找出反應(yīng)物和生成物之間物質(zhì)的量(或質(zhì)量)之比，列出關(guān)系式，即可一步計(jì)算。2．元素守恒法：找出主要原料和最終產(chǎn)物之間物質(zhì)的量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。找出此關(guān)系的簡(jiǎn)便方法，就是分析原料與產(chǎn)物之間所含關(guān)鍵元素原子個(gè)數(shù)關(guān)系，如：FeS2～2H2SO4，S～H2SO4。若已知(欲求)FeS2含量，用前面的關(guān)系式，若已知(欲求)S的含量，用后一關(guān)系式，二氧化硫轉(zhuǎn)化率、三氧化硫汲取率均可折算成起始物FeS2(或S)進(jìn)行計(jì)算。[例3]用含F(xiàn)eS278%的硫鐵礦制硫酸，若煅燒時(shí)損失6%的硫，在接觸氧化時(shí)又損失2%，求制得1t98%的濃H2SO4需這種礦石多少噸？[解析]每種化合物都有固定的組成，即每種化合物的組成元素的質(zhì)量都有肯定的比例，當(dāng)某一化合物損失a%時(shí)，其組分元素也必定損失各自的a%，反之亦然。由此可知接觸氧化時(shí)硫損失2%，也就是接觸氧化時(shí)FeS2的轉(zhuǎn)化率為98%。設(shè)需硫鐵礦的質(zhì)量為x，涉及的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)方程式如下：4FeS2＋11O2eq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe2O3＋8SO22SO2＋O2eq\o(,\s\up7(V2O5),\s\do5(△))2SO3SO3＋H2O=H2SO4依據(jù)各化學(xué)方程式中反應(yīng)物和生成物之間的比例關(guān)系，可找出FeS2與每步反應(yīng)中產(chǎn)物之間的關(guān)系式：4FeS2～8SO2～8SO3～8H2SO4簡(jiǎn)單得出這組連續(xù)反應(yīng)的反應(yīng)關(guān)系：FeS2～2H2SO4120t2×98tx·78%(1－6%)·(1－2%)1t×98%解之得：x＝0.83t。[答案]0.83t3．含硫48%的硫鐵礦煅燒時(shí)FeS2損失2%，則下列說(shuō)法不正確的是()A．該硫鐵礦含F(xiàn)eS2也是48%B．硫損失也是2%C．鐵損失也是2%D．該硫鐵礦含F(xiàn)eS290%解析：該硫鐵礦含F(xiàn)eS2為eq\f(120,64)×48%＝90%，故D項(xiàng)正確，而A項(xiàng)錯(cuò)誤；煅燒時(shí)FeS2損失2%，則其中的鐵和硫也都損失2%。答案：A授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū)第4頁(yè)1．在硫酸工業(yè)生產(chǎn)中，為了有利于SO2的轉(zhuǎn)化，且能充分利用熱能，采納了中間有熱交換器的接觸室(見(jiàn)右圖)，下列有關(guān)說(shuō)法中錯(cuò)誤的是()A．上端進(jìn)入的氣體溫度較高，下端出來(lái)的氣體溫度較低B．預(yù)熱含有二氧化硫的混合氣體，有利于接觸氧化C．A處流出的氣體為SO2和O2D．預(yù)熱SO3，有利于被濃硫酸汲取解析：此題考查了工業(yè)生產(chǎn)H2SO4的重要設(shè)備之一——接觸室中氣體的流向。SO2和O2進(jìn)入熱交換器的管外時(shí)，雖具備合成溫度，但無(wú)V2O5催化，不會(huì)生成SO3，只有SO2和O2。原料SO2、O2從裝置左側(cè)中間進(jìn)入熱交換器，汲取熱能后由A處流出再進(jìn)入接觸室發(fā)生反應(yīng)，并放出大量的熱，而熱交換器的作用是把一部分熱量交換給剛進(jìn)入熱交換器的原料氣，然后由下端流入下一個(gè)裝置，SO3溫度過(guò)高不易被汲取，所以下端出來(lái)的氣體溫度較低，這也是熱交換器的作用之一。答案：D2．接觸法生產(chǎn)硫酸的過(guò)程中，對(duì)廢氣、廢水、廢渣、廢熱的處理正確的是()①尾氣用氨水處理②污水用石灰乳處理③廢渣用來(lái)造水泥、煉鐵④設(shè)置廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，供熱或發(fā)電A．①② B．①③④C．①②③ D．①②③④解析：硫酸廠尾氣中含有SO2，可用氨水汲取處理；硫酸廠廢水中含有硫酸可用石灰乳中和；硫酸廠廢渣中含有SiO2、Fe2O3等，可用于制造水泥、煉鐵；由于硫酸生產(chǎn)過(guò)程中三個(gè)化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，可以充分利用這些反應(yīng)放出的熱能來(lái)降低生產(chǎn)成本。答案：D3．煅燒黃鐵礦損失x%的硫，則FeS2的損失率與硫的損失率相比為()A．大于x% B．小于x%C．等于x% D．不能確定解析：由元素守恒可知硫的損失率應(yīng)當(dāng)與FeS2的損失率相等。答案：C4．下列關(guān)于硫酸工業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益的探討中，敘述錯(cuò)誤的是()A．充分利用三個(gè)反應(yīng)放出的熱能，來(lái)降低生產(chǎn)成本B．為了防止尾氣的污染，用氨水汲取尾氣C．硫酸工廠要遠(yuǎn)離人口稠密的居民區(qū)和環(huán)保要求高的地區(qū)，遠(yuǎn)離硫酸消費(fèi)中心D．生產(chǎn)過(guò)程中含有少量硫酸的污水，可用石灰乳中和處理解析：硫酸工廠要遠(yuǎn)離人口稠密的居民區(qū)和環(huán)保要求高的地區(qū)。遠(yuǎn)離硫酸消費(fèi)中心，勢(shì)必造成運(yùn)輸、環(huán)境污染等問(wèn)題。答案：C5．在硫酸工業(yè)中，通過(guò)下列反應(yīng)使SO2轉(zhuǎn)化為SO3：2SO2＋O22SO3ΔH<0，已知常壓下平衡混合氣體中SO3體積分?jǐn)?shù)為91%。試回答：(1)在生產(chǎn)中常用過(guò)量的空氣是為了____________________________________________________________________________________________________________________。(2)加熱到400～500℃是由于________________