Question

以黃鐵礦為原料生產硫酸的工藝流程圖如下：

（1）將燃燒黃鐵礦的化學方程式補充完整
4

 

+11O₂

高溫  .

2Fe₂O₃+8SO₂
（2）接觸室中發生反應的化學方程式是

 

．
（3）依據工藝流程圖判斷下列說法正確的是（選填序號字母）

 

．
a．為使黃鐵礦充分燃燒，需將其粉碎
b．過量空氣能提高SO₂的轉化率
c．使用催化劑能提高SO₂的反應速率和轉化率
d．沸騰爐排出的礦渣可供煉鐵
（4）每160g SO₃氣體與H₂O化合放出260.6kJ的熱量，該反應的熱化學方程式是

 

．
（5）吸收塔排出的尾氣先用氨水吸收，再用濃硫酸處理，得到較高濃度的SO₂和銨鹽．
①SO₂既可作為生產硫酸的原料循環再利用，也可用于工業制溴過程中吸收潮濕空氣中的Br₂．SO₂吸收Br₂的離子方程式是

 

．
②為測定該銨鹽中氮元素的質量分數，將不同質量的銨鹽分別加入到50.00mL相同濃度的NaOH溶液中，沸水浴加熱至氣體全部逸出（此溫度下銨鹽不分解），該氣體經干燥后用濃硫酸吸收完全，測定濃硫酸增加的質量．
部分測定結果：
銨鹽質量為10.00g和20.00g時，濃硫酸增加的質量相同；
銨鹽質量為30.00g時，濃硫酸增加的質量為0.68g；銨鹽質量為40.00g時，濃硫酸的質量不變．
計算：該銨鹽中氮元素的質量分數是

 

%；若銨鹽質量為l5.00g，濃硫酸增加的質量為

 

．（計算結果保留兩位小數）

Answer 1

分析：（1）利用工業制硫酸的原理分析，需要的原料是黃鐵礦；
（2）接觸室內的反應是二氧化硫的催化氧化；
（3）依據影響反應速率的因素和平衡移動的影響因素分析解答；
（4）每160g SO₃氣體物質的量為2mol；與液態H₂O化合放出260.6kJ的熱量，依據熱化學方程式書寫方法寫出，標注物質聚集狀態和對應量的反應熱；
（5）二氧化硫吸收溴單質利用的是二氧化硫的還原性和溴單質的氧化性；根據氧化還原反應書寫離子方程式；
（6）本反應歷程是：OH^-首先是和NH₄HSO₃中的H⁺反應，隨后有多的OH^-再和NH₄⁺反應放出氨氣，所以隨著銨鹽的量的增大，NH₄HSO₃的量也增大，放出的氨氣的量會為0．濃硫酸增加的質量就是氨氣的質量．第一次和第二次放出的氨氣的量是一樣的，所以說第一次肯定是OH^-的量過量．利用第二次的量計算（因為是OH^-不足）．

解答：解：（1）依據題意，黃鐵礦是制硫酸的第一步所需的原料，由成分可知化學式為FeS₂，故答案為：FeS₂；
（2）沸騰爐中生成的二氧化硫氣體和空氣中的氧氣在接觸室內發生的催化氧化反應生成三氧化硫；2SO₂+O₂

催化劑 .

△

2SO₃  故答案為：2SO₂+O₂

催化劑 .

△

2SO₃；
（3）粉碎礦石增大接觸面積提高反應速率；增加空氣的量會使平衡正向進行，提高了二氧化硫的轉化率；催化劑只改變速率不改變平衡，不改變轉化率；生產過程中的礦渣中含有三氧化二鐵；所以正確的是abd；故答案為：abd；
（4）每160g SO₃氣體物質的量為2mol；與液態H₂O化合放出260.6kJ的熱量，1mol三氧化硫和水反應放熱130.3KJ；熱化學方程式為：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）；△H=-130.3kJ/mol
故答案為：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）；△H=-130.3kJ/mol；
（5）①SO₂吸收Br₂的反應中二氧化硫被氧化為硫酸，溴單質被還原為溴化氫，離子方程式為SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-，故答案為：SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-；
②從吸收塔出來的氣體用一定量氨水吸收，得到的銨鹽產品是（NH₄）₂SO₃和NH₄HSO₃的混合物；本反應歷程是：OH^-首先是和NH₄HSO₃中的H⁺反應，隨后有多的OH^-再和NH₄⁺反應放出氨氣，所以隨著銨鹽的量的增大，NH₄HSO₃的量也增大，放出的氨氣的量會為0；
由題知銨鹽質量為30.00g時，產生0.04molNH₃．該銨鹽中NH₄HSO₄先與NaOH溶液反應，2NH₄HSO₄+2NaOH=（NH₄）₂SO₄+Na₂SO₄+H₂O，只有當NH₄HSO₄中的H⁺消耗完全后，NH₄⁺才能與NaOH溶液反應產生NH₃，NH₄⁺+OH^-=NH₃↑+H₂O．據此判斷銨鹽質量為10.00g時NaOH溶液過量，銨鹽質量為20.00g和30.00g時，消耗的NaOH質量相等．設10.00g銨鹽中NH₄HSO₄ 與（NH₄）₂SO₄的物質的量分別為X、Y，n（NH₃）=n（OH^-）-n（H⁺），則有：

銨鹽質量/g	10.00	20.00	30.00	40.00
含NH4HSO4、（NH4）2SO4/mol	X、Y	2X、2Y	3X、3Y	4X、4Y
產生NH3/mol	X+2Y	X+2Y	0.04	0
消耗NaOH/mol	2X+2Y	3X+2Y	3X+0.04	3X+0.04

因此3X+2Y=3X+0.04，解得Y=0.02mol，又115X+132Y=10.00，得X=0.064mol．則該銨鹽中氮元素的質量分數=

(0.064+2×0.02)×14

10.00

×100%=14.56%．計算15.00 g銨鹽與NaOH溶液反應產生的NH₃；由上面討論可知此NaOH溶液中共有0.232molNaOH，當銨鹽質量為15.00g時含0.096mol NH₄HSO₄和0.03mol （NH₄）₂SO₄，共有NH₄⁺和H⁺ 0.252mol，故NaOH不足，此時產生n（NH₃）=（0.232-0.096）mol=0.136mol，NH₃的質量=0.136mol×17g/mol=2.31g．
故答案為：14.56； 2.31g．

點評：本題考查了工業制硫酸的基本原理，考查化學平衡的影響因素和化學反應速率的影響因素，以硫酸工業尾氣的吸收為載體考查化學計算，涉及混合物計算，過量問題的計算、范圍討論型計算、信息遷移型計算、NH₄⁺、H⁺與NaOH溶液反應的先后順序等知識，定性與定量相結合，綜合性強，難度較大．