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第6章 化学反应速率和化学平衡
6.3化工生产
工业制备硫酸
1．制备过程
（1）三原料
工业上制硫酸所需的原料有硫(S)、空气、水。用硫黄作原料成本低、对环境污染少。我国硫黄资源较少，在早期相当一段时间内，主要用黄铁矿(FeS2)作原料。
（2）三反应
①制备SO2
S(s)＋O2(g)=SO2(g) (4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2)，（属放热反应）
②利用催化氧化反应将SO2氧化成SO3
2SO2(g)＋O2(g) (
催化剂
△
)2SO3(g)，（属放热反应）。
③三氧化硫转化成硫酸
SO3(g)＋H2O(l)=H2SO4(l)，（属放热反应）
（3）三个设备(以FeS2为原料)：沸腾炉(造气)、接触室(催化氧化室)、吸收塔。
（4）三原理
①化学平衡原理：增大反应物浓度、增大反应物间接触面积，能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动，以充分提高原料利用率。
②热交换原理：在接触室中生成的热量经过热交换器，传递给进入接触室需要预热的混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。
③逆流原理：液体由上向下流，气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应。
2．生产中原料的选择
（1）从基建投资、加工费用及环保方面考虑，用硫黄制硫酸优于用黄铁矿制硫酸。
（2）我国天然硫资源缺乏，而且开采条件比较复杂。
（3）我国黄铁矿储量比天然硫黄要大。
（4）硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，设备简单，三废治理量小，劳动生产率高，易于设备大型化。
（5）由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸高。
3．生产中反应条件的控制
（1）从反应原理分析条件选择
①主要反应原理：2SO2＋O2 (
催化剂
△
)2SO3，放热反应；
②反应速率要求：高温、高压、使用催化剂；
③化学平衡要求：低温、高压。
（2）从工业生产实际考虑条件选择
①温度应综合考虑反应速率和实际转化率两个方面；同时还要考虑催化剂的最佳活性。
②压强除从反应原理考虑外，还要考虑产率、设备条件等。
（3）工业制硫酸的适宜条件
①温度：400～500 ℃（兼顾反应速率和转化率，同时又能使催化剂达到最佳活性）
②压强：常压（常压下SO2转化率已较高，增压对转化率提高有限，加压增大投资和能量消耗）
③使用催化剂（尽量加大反应速率）
④适当过量的空气，目的是提高SO2的转化率。
【要点诠释】接触法制硫酸应注意：
①送进沸腾炉的原料要粉碎成细小的矿粒。
②通入接触室的混合气体必须预先净化，防止催化剂中毒及水蒸气对生产和设备造成不良影响。
③吸收塔中用质量分数为98%的浓硫酸吸收SO3，而不用水或稀硫酸，防止形成酸雾，使吸收速率减慢。
4．生产中的三废处理
（1）尾气吸收
H2SO4工业的尾气主要是SO2，采用酸氨法吸收，。
SO2＋2NH3＋H2O ===(NH4)2SO3
SO2＋(NH4)2SO3＋H2O ===2NH4HSO3
2NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2SO2↑＋2H2O
（2）污水处理
不同化工生产过程产生的污水，所含杂质不同，要根据杂质的性质不同，采用不同的物理化学方法，如酸碱中和法（废水用石灰乳中和：Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O），重金属离子沉淀法等。
（3）废渣的利用
用黄铁矿为原料生产硫酸的过程中，会排出一些炉渣和矿灰，可作为炼铁的原料；还可用来提炼贵重的有色金属；另外，这些废渣还可作为制造水泥的原料或用于制砖。
5．能量的充分利用
（1）生产1 t硫酸需消耗100 kW·h的电能，硫酸生产过程中的三个化学反应都是放热反应， 生产1 t硫酸放出的反应热相当于200 kW·h的电能。这些废热的利用，可以向外界输出大量能量，大大降低生产成本。
（2）可以利用SO2氧化成SO3时放出的热量来预热即将参加反应的SO2和O2等。
6．化工生产过程中应考虑的问题
（1）确定化学反应原理
（2）选择原料
（3）选择设备和工艺流程
（4）三废处理(环境保护)
（5）能源的利用(综合经济利益)
（6）其它问题(如厂址，成本，反应条件等问题）
【典型例题】
类型一：工业制备硫酸
例1．下列说法正确的是……………………………………………………………………（ ）
A．合成硫酸的工业尾气可以直接排入大气中
B．进入接触室的气体，必须先经净化、干燥
C．以黄铁矿为原料生产硫酸，从沸腾炉中排出的炉渣可以作为肥料
D．在高温、高压下由SO2和O2合成SO3
例2．在接触法制硫酸的工业生产中，下列生产操作与说明这些操作的主要原因都正确的（ ）
①黄铁矿煅烧前需要粉碎，因为大块黄铁矿不能燃烧
②从沸腾炉出来的炉气需要净化，这样可以提高产品的纯度
③在接触室内使用热交换器，这样可以节约能源，降低成本
④用质量分数为98.3%的硫酸吸收SO3，目的是防止形成酸雾，以便使SO3吸收完全
A．①②　　　　　　　　 B．③④
C．①③ D．②④
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：SO2 7%，O2 11%，N2 82%)：
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 10 MPa
400℃ 99.2% 99.6% 99.7% 99.9%
500℃ 93.5% 96.9% 97.8% 99.3%
600℃ 73.7% 85.8% 89.5% 96.4%
（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；
【练习题】
1．（双选）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
2．下列关于硫酸工业生产过程的叙述错误的………………………………………………（ ）
A．在接触室中使用铁粉作催化剂
B．在接触室中运用热交换技术可充分利用能源
C．把硫铁矿磨成细粉末，可以提高原料的利用率
D．该反应采用450～500 ℃主要是因为该温度下催化剂活性好
下列物质的制备，符合工业生产实际的是………………………………………………（ ）
A．将氯气通入澄清石灰水中制漂白粉
B．用电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气
C．将氢气和氯气混合后点燃，产物用水吸收制备盐酸
D．将SO2和O2的混合气加高压后，通过接触室，制备SO3
4．在工业生产硫酸中，在吸收塔内用来吸收三氧化硫的是………………………………（ ）
A．H2O　　　　　　　　　 B．稀硫酸
C．浓硫酸 D．氨水
5．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
6．下列说法中正确的…………………………………………………………………………（ ）
A．在设计化工生产的化学反应条件时，只要将化学反应的特点和化学反应理论相结合进行全面分析就没问题了
B．在设计化工生产的化学反应条件时，若化学反应的速率很高，就不需要考虑催化剂的问题
C．在现代，工业上将二氧化硫氧化为三氧化硫的适宜条件是高温、高压和催化剂
D．在2SO2＋O2 (
V
2
O
5
450
℃
)2SO3中，对“450 ℃”的选择，来自对反应物性质和催化剂性质的综合考虑
7．10g SO3溶解于90g H2O中，所得溶液中溶质的质量分数为…………………………（ ）
A．10％ B．12.25％ C．14.0％ D．78.4％
8．在氧气中灼烧0.40 g硫和铁的化合物，使其中的硫全部转化为二氧化硫，把这些二氧化硫全部氧化并转化为硫酸。这些硫酸与20 mL 0.5 mol·L－1的氢氧化钠溶液完全中和。原化合物中硫的质量分数为……………………………………………………………………………（ ）
A．30% B．36.4% C．40% D．53.3%
9．在可逆反应2SO2 (气) + O2 (气) (
V
2
O
5
450
℃
)2SO3 （放热反应）中，要使SO2的转化率和反应速率都增大，所采取的措施是…………………………………………………………（ ）
A．升高温度 B．降低压强
C．增大压强 D．通入足量的纯氧
10．对于可逆反应 2SO2 + O2 (
V
2
O
5
450
℃
)3SO3，下列说法中正确的是………………（ ）
A．达到平衡时，反应物和生成物的浓度一定相等
B．达到平衡时，反应物和生成物的浓度保持一定
C．加入催化剂V2O5，可以缩短达到平衡的时间
D．反应达到平衡后，该平衡不随外界条件变化而改变
11．在接触法制硫酸工业中，接触室中装有热交换器。采用热交换器的好处是…………（ ）
①充分利用热量，降低能耗　 ②促使平衡向正反应方向移动，提高产率　
③减少热量对环境的污染　 ④提高最终产品的纯度
A．仅①　　　　　　　 B．仅①②
C．仅①②③ D．①②③④
12．在接触法制硫酸的工业生产中，下列生产操作及其原因解释二者都正确的是………（ ）
A．黄铁矿燃烧前需要粉碎，因为块状黄铁矿不能燃烧
B．SO2氧化为SO3时需要高压，这样可以提高SO2的转化率
C．SO2氧化为SO3无需进行加热，因为此反应为放热反应
D．用98.3%的浓H2SO4吸收SO3，可以防止形成酸雾阻碍SO3的吸收
13．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
14．2SO2(g)＋O2(g) (
V
2
O
5
△
)2SO3(g)是制备硫酸的重要反应。下列叙述正确的……（ ）
A．催化剂V2O5不改变该反应的逆反应速率
B．增大反应体系的压强，反应速率一定增大
C．该反应是放热反应，降低温度将缩短反应达到平衡的时间
D．在t1、t2时刻，SO3(g)的浓度分别是c1、c2，则时间间隔t1～t2内，SO3(g)生成的平均速率为v＝
15．欲除去CO2气体中含有的SO2气体，应选用的试剂是………………………………（ ）
A．品红溶液 B．饱和NaHCO3溶液
C．Na2CO3溶液 D．烧碱溶液
16．有关二氧化硫的叙述正确的是…………………………………………………………(　　 )
A．二氧化硫不能使溴水、高锰酸钾溶液迅速褪色
B．接触法制硫酸的沸腾炉排出的炉气中含SO2
C．实验室可用启普发生器制取二氧化硫
D．用石灰水很容易区分二氧化碳和二氧化硫
17．对于反应2SO2＋O2 (
V
2
O
5
△
)2SO3，下列判断正确的是…………………………（ ）
A．2体积SO2和足量O2反应，必定生成2体积SO3
B．其他条件不变，增大压强，平衡必定向左移动
C．平衡时，SO2的消耗速率必定等于O2生成速率的两倍
D．平衡时，SO2浓度必定等于O2浓度的两倍
18．构建和谐社会的内容之一是人类与环境的和谐发展，而“绿色化学”的内容是指从技术经济上设计可行的化学反应，尽可能减少对环境的副作用，下列化学反应不符合“绿色化学”概念的是……………………………………………………………………………………( )
A．消除硫酸厂尾气中的SO2：SO2＋2NH3＋H2O===(NH4)2SO3
B．消除硝酸工业尾气的氮氧化物的污染：NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O
C．制CuSO4：Cu＋2H2SO4(浓) CuSO4＋SO2↑＋2H2O
D．制CuSO4：2Cu＋O2＋2H2SO42CuSO4＋2H2O
19．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：2SO2＋O2 (
V
2
O
5
△
)2SO3(放热反应)。已知常压下平衡混合气体中SO3的体积分数为91%。试回答：
（1）在生产中常用过量的空气是为了_________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）加热到400～500 ℃是由于_______________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）压强采用________，原因是_____________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）常用浓H2SO4来吸收SO3，而不用水，因为_________________________________
________________________________________________________________________。
20．如图所示装置是仿照工业上制备硫酸的工艺流程设计出来的，用于探究工业上为何用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫。
请回答下列问题：
（1）写出沸腾炉内煅烧黄铁矿的化学反应方程式：_____________________________
________________________________________________________________________；
（2）甲和乙相当于工业上制取硫酸装置中的________；
（3）写出在催化剂表面所发生的化学反应方程式：______________________________
________________________，在实验过程中不能持续加热的理由是______________；
（4）在乙反应器内要求氧气的量要比二氧化硫的量多一倍左右，你是如何控制和估计的？________________________________________________________________________。
（5）若丁装置在反应过程中先出现气泡，不久就出现了雾，而丙装置一直都没有任何现象，产生这种现象的原因可能是……………………………………………………………（ ）
A．浓硫酸对三氧化硫的吸收效率远大于水，三氧化硫被浓硫酸充分吸收
B．三氧化硫的通气速率太快，三氧化硫未被水和浓硫酸充分吸收
C．丙中的导气管插得太深，导致两个吸收瓶内的气压差较大
21．硫酸工业在国民经济中占有极其重要的地位。
（1）硫酸的最大消费渠道是化肥工业，用硫酸制造的常见化肥有________________(任写一种)。
（2）硫酸生产中，根据化学平衡原理来确定的条件或措施有____________(填写序号)。
A．矿石加入沸腾焙烧炉之前先粉碎 B．使用V2O5作催化剂
C．催化反应室中使用适宜的温度 D．净化后的炉气中要有过量的空气
E．催化氧化在常压下进行 F．吸收塔中用98.3%的浓硫酸吸收SO3
（3）在硫酸工业中，通过下列反应使二氧化硫转化为三氧化硫：
2SO2(g)＋O2(g) (
V
2
O
5
△
)2SO3(g)(放热反应)
在实际工业生产中，常采用“二转二吸法”，即将第一次转化生成的SO3分离后，将未转化的SO2进行二次转化，假若两次SO2的转化率均为95%，则最终SO2的转化率为________。
（4）硫酸的工业制法过程涉及三个主要的化学反应及相应的设备(沸腾炉、接触室、吸收塔)。
①三个设备分别使反应物之间或冷热气体间进行了“对流”。请简单描述吸收塔中反应物之间是怎样对流的。
________________________________________________________________________。
②工业生产中常用氨—酸法进行尾气脱硫，以达到消除污染、废物利用的目的。用化学方程式表示其反应原理(只写出2个化学方程式即可)。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
参考答案
【典型例题】
例1．B 例2．B
例3．（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）浓硫酸
【练习题】
1．BC2．A3．B4．C5．B6．D7．B8．C9．D 10．C
11．C12．D13．D14．D15．B16．B17．C18．C
19． (1)增大氧气的浓度，提高成本较高的SO2的转化率
(2)在此温度下，催化剂活性最好，反应速率快，可缩短达到平衡的时间，提高单位时间内SO3的产率
(3)常压　因常压下平衡混合气体中SO3的体积分数已达很高，若再加压，对设备动力系统要求高，成本高，加压已无实际意义
(4)用水吸收易形成酸雾，降低吸收速率，同时腐蚀设备
20． (1)4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2　(2)接触室
(3)2SO2＋O2 (
催化剂
△
)2SO3　防止温度过高，而降低SO2的转化率及催化剂活性(4)可以通过调节气阀，控制气体流量，观察甲装置的冒泡速率进行估算　(5)AC
21． (1)(NH4)2SO4(或K2SO4)　(2)D　(3)99.75%
(4)①SO3从吸收塔底部进入，吸收剂(浓硫酸)从顶部下淋，形成对流
②SO2＋NH3·H2O===NH4HSO3　2NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2H2O＋2SO2↑
[或SO2＋2NH3·H2O===(NH4)2SO3＋H2O
(NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋H2O＋SO2↑]

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