Question

以黃鐵礦為原料生產硫酸的工藝流程圖如下：

（1）已知：（已折算為標況下）SO₃氣體與H₂O化合時放出的熱量為       （保留兩位有效數字）。
（2）沸騰爐中發生反應的化學方程式為                      。
（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．沸騰爐排出的礦渣可供煉鐵
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．為使黃鐵礦充分燃燒，需將其粉碎
（4）在吸收塔吸收SO₃不用水或稀硫酸的原因                  。
（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。部分測定結果如下表（a>0）：   

計算：該銨鹽中氮元素的質量分數是      %；若銨鹽質量為15.00g，濃硫酸增加的質量為         。（計算結果保留兩位小數）

Answer 1

（1）3.9×10⁵kJ（2分）  （2）4FeS₂+11O₂4Fe₂O₃+8SO₂（2分）（3）a  b  d（3分）
（4）SO₃與H₂O化合時放出大量的熱，用水或稀硫酸吸收容易形成酸霧，反而不利于充分吸收SO₃（2分）
（5）①SO₂＋Br₂＋2H₂O＝4H^＋＋2Br^－＋SO₄^2－（2分） ②14.56（2分）（14.56%不給分） 
2.31g（2分）

試題分析：（1）根據熱化學方程式可知SO₃氣體與H₂O化合時放出的熱量為×130.3kJ/mol＝3.9×10⁵kJ。
（2）黃鐵礦燃燒燃燒生成SO₂和氧化鐵，反應的化學方程式為FeS₂＋11O₂4Fe₂O₃＋8SO₂。
（3）生產過程中的礦渣中含有三氧化二鐵，可以煉鐵，a正確；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，b正確；催化劑只改變速率不改變平衡，不改變轉化率，c不正確；粉碎礦石增大接觸面積提高反應速率，d正確，所以正確答案選abd。
（4）由于SO₃與H₂O化合時放出大量的熱，用水或稀硫酸吸收容易形成酸霧，反而不利于充分吸收SO₃，所以在吸收塔吸收SO₃不用水或稀硫酸。
（5）①單質溴具有氧化性，能把SO₂氧化生成硫酸，而溴單質被還原為溴離子，因此反應的離子方程式是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，然后OH^－再和NH₄⁺反應放出氨氣。由題知銨鹽質量為30.00g時，產生0.68g÷17g/mol＝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＝×100%＝14.56%。
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，因此NH₃的質量＝0.136mol×17g/mol＝2.31g。