Question

工业上以黄铁矿为原料生产硫酸主要分为三个阶段进行，即在沸腾炉中煅烧黄铁矿、SO₂的催化氧化及其SO₃的吸收。请回答下列几个有关硫酸工业中的几个问题。

（1）生产硫酸最古老的方法是以绿矾为原料，在蒸馏釜中煅烧。反应的化学方程式为：2FeSO₄·7H₂O  Fe₂O₃ + SO₂↑+ SO₃↑+ 14H₂O。其中三氧化硫与水蒸气同时冷凝便得到硫酸。用如图所示装置模拟用绿矾制硫酸的实验，并检验生成的硫酸和二氧化硫（加热装置已略去）。其中b为干燥的试管。下列关于该反应说法正确的是(     )

A．若将反应后的三种气体通入BaCl₂溶液中，产生的沉淀为BaSO₃、BaSO₄

B．b中产物用紫色石蕊试液即可检验出其中H⁺和SO₄^2—

C．为检验反应的另一种生成物，试管c中应加入的试剂为NaOH溶液

D．b中所得到的硫酸的质量分数为29.5%

(2)从沸腾炉中出来的炉气必须经除尘、洗涤、干燥后进入接触室，其主要目的是__________。

(3)接触室中热交换器是实现冷热交换的装置。化学实验中也经常利用热交换来实现某种实验目的，如气、液热交换时通常使用的仪器是______________。

(4)接触室中主要反应是SO₂的催化氧化，在生成硫酸的过程中，钒触媒(V₂O₅)所以能加快二氧化硫氧化的速度，除了具有吸附作用外，有人认为反应过程中还产生了一连串的中间体(如图)。c步的化学方程式可表示为_______________________。

(5) 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。将尾气通入粉末状的碳酸钙或熟石灰的悬浊液中，经过一系列处理后得到一种相对分子质量为172的化工原料J。试写出J的化学式_________。

Answer 1

(1) D(2分)，(2)防止催化剂中毒(2分)       (3)冷凝管(1分)

 (4) 2VOSO₄=SO₂+V₂O₅+SO₃(2分)     (5)CaSO₄·2H₂O(3分)

解析:

（1）将分解生成的气体通入BaCl₂溶液中，生成的沉淀是BaSO₄；根据绿矾分解的方程式，产物Fe₂O₃留在试管中，SO₃和H₂O同时冷凝便得到硫酸，收集在试管a中，硫酸的检验分为两部分，既要检验H⁺，又要检验SO₄^2—，要回答全面。试管b中溶液用来检验SO₂气体，故用品红溶液，SO₂能使品红溶液退色，加热红色恢复。根据生成SO₃与水的物质的量之比，可以求得生成硫酸的理论浓度：设生成1molSO₃和14molH₂O，硫酸的质量分数为98/（80+14×18）=29.5%。(2)由于接触室中使用V₂O₅作催化剂，为防止催化剂中毒，因此必须进行除杂操作。(4)根据催化剂的性质可知催化剂(V₂O₅)在反应过程中先参与反应，而后又生成，化学性质和质量在反应前后不变，在反应a中钒元素化合价降低被还原，可推知还原剂应为SO₂，化学方程式可表示为SO₂＋V₂O₅＝V₂O₄＋SO₃，反应b中根据元素守恒可确定SO₂也参与反应，钒元素化合价不变，硫元素化合价升高被氧化，因此反应过程中O₂也参与反应，化学方程式可表示为V₂O₄＋2SO₂＋O₂＝2VOSO₄，该反应属于化合反应，因此原子利用率为100%，反应c中有V₂O₅生成，可推知反应c为2VOSO₄=SO₂＋V₂O₅＋SO₃。

(5)要考虑到SO₂和碱或盐反应生成的亚硫酸盐，亚硫酸盐有较强的还原性易被空气氧化，结合产物的相对分子质量172可确定产物为生石膏CaSO₄·2H₂O，其中反应的化学方程式可表示为：2SO₂+O₂+2CaCO₃+4H₂O＝2 [CaSO₄·2H₂O] +2CO₂ 或2SO₂+O₂+2Ca(OH)₂+2H₂O＝2 [CaSO₄·2H₂O]