第三单元　硫酸工业
1．氧化还原反应的本质和特征是什么？
     提示　电子转移，元素化合价升降。
2．SO2中硫元素的价态为多少？据此判断SO2的氧化性和还 
      原性？
     提示　＋4价，居中间价态，故SO2既具有氧化性又具有
     还原性。
3．导致酸雨的气体主要有哪些？“工业三废”是指什么？
     提示　SO2、NOx；废气、废水、废渣

1．了解我国基本化工的生产资源、基本化工产品的主要种类和  
      发展概况。
2．掌握工业制硫酸的工艺流程。
3．认识化学平衡原理在化工生产中的实际应用。
4．初步了解生产中三废的处理和利用。

    从硫铁矿制造二氧化硫，是先将矿物                                ，放入                      中，从该炉下部通入空气，在高温下鼓入炉中的                 把矿石小颗粒扬起，呈沸腾状燃烧氧化。
    硫铁矿沸腾焙烧得到的炉气中除了含有二氧化硫外，还含有多种杂质。这些杂质有的使催化剂        、         ，有的对反应设备有          作用，有的使制得的硫酸            。所以，从沸腾焙烧炉出来的高温炉气需要经过          、           和         。焙烧工序产生的矿渣和粉尘，经冷却增湿后，被送到钢铁厂作为
                    原料。
粉碎
沸腾焙烧炉
空气
中毒
失效
腐蚀
带色
冷却
除尘
酸洗
1.硫磺或硫铁矿的燃烧
炼铁
2．二氧化硫的催化氧化
     精制得到的炉气补充空气后送入装有                                的接触室，氧化生成三氧化硫。二氧化硫的催化氧化是一个                 
                          热的                   反应。反应在450 ℃左右进行，有利于                                          。
3．三氧化硫的吸收
      三氧化硫进入吸收塔后用                        吸收，得到浓硫酸或发烟硫酸。不用水来吸收三氧化硫是为了
                                                               。
钒催化剂
可逆
钒催化剂发挥催化作用
98.3%的硫酸
避免产生酸雾而降低吸收效率
放

1.   废渣：硫铁矿沸腾焙烧产生的炉渣中含铁量大于45%，可以   用于                                                                   等产品。
2．废液：用水洗涤、净化沸腾焙烧炉的炉气，产生废水。废水中主要含有             、            、              、             等，一般用                                      ，形成                                   可以吸附重金属离子使污水净化。
3．废气：由吸收塔排出的尾气中二氧化硫的含量如果超过500 μL·L－1，就要加以处理后才能排出。处理的方法之一是
                                                 。
炼铁及制造硫酸铁、氧化铁红颜料
微量硫酸
氟化物
铁离子
铅离子
石灰中和硫酸
氢氧化铁絮状沉淀
用氨水洗涤烟气脱硫

          在实际硫酸工业中，吸收SO3的试剂是什么？为什么采用逆流吸收方式？
提示　并不是用H2O直接吸收而是用98.3%的浓H2SO4，这样可避免因SO3与H2O反应放热而形成酸雾，同时采取逆流方式吸收可提高SO3的吸收率。
【慎思1】
         硫酸生产尾气中的少量SO2是如何吸收利用的？
提示　SO2＋Ca(OH)2===CaSO3＋H2O　
CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O
        从化学反应速率与化学平衡角度，如何提高SO3的产量从而提高H2SO4的产量？

【慎思2】
【慎思3】
      SO2进行催化氧化之前为什么对沸腾焙烧炉出来的炉气净化？
提示　防止气体中的杂质引起催化剂中毒。
      浓H2SO4怎样存放和运输？
提示　在常温下，浓H2SO4存放在铁质槽车进行运输。
【慎思4】
【慎思5】
    接触法制硫酸时，反应的重要条件是                        (　　)。
A．二氧化硫必须提纯      B．必须用纯氧不可用空气
C．催化剂需要加热      D．三氧化硫需用稀硫酸吸收
解析　接触法制硫酸时制得的SO2必须先除去其中所含的杂质，因为炉气中含有的水蒸气会腐蚀设备，对设备带来不良影响，砷、硒化合物和矿尘等能使催化剂中毒，因而进行催化氧化反应前必须先进行除杂等操作；制H2SO4时使用的是空气而不是纯氧；进行SO2的催化氧化时使用的温度是400～500 ℃；对三氧化硫进行吸收时只能使用浓H2SO4，因为使用水或稀硫酸容易形成酸雾，妨碍吸收的进行。
答案　AC
【例1】

催化剂必须在适宜的温度下才能发挥其催化作用，同时催化剂遇到杂质易引起催化剂中毒而降低催化活性。
以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：
【体验1】
(2)接触室中发生反应的化学方程式是__________________。
(3)依据工艺流程图判断下列说法正确的是(选填序号字母)________。
a．为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎
b．过量空气能提高SO2的转化率
c．使用催化剂能提高SO2的反应速率和转化率
d．沸腾炉排出的矿渣可供炼铁
解析　(1)黄铁矿的主要成分为FeS2，同时根据质量守恒也可推出。
(2)接触室实现了SO2氧化为SO3的目的。
(3)a相当于增大接触面积，正确；b中增加O2的量可使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率，正确；c中催化剂只对反应速率有影响，对平衡无影响，错误；d中矿渣含大量Fe2O3可用于炼铁，正确。
生产硫酸主要化学过程可分为二氧化硫的生成和二氧化硫转化为三氧化硫两个阶段。
1．生产阶段：(1)硫磺或硫铁矿的燃烧氧化；(2)二氧化硫的催  
      化氧化；(3)三氧化硫的吸收。

     (1)设备：沸腾焙烧炉
     (2)温度：炉膛温度775～825 ℃，炉顶温度：900～950 ℃
     (3)含硫矿石在炉内燃烧，要先粉碎，并采用沸腾焙烧的好处：粉碎增大了固体表面积，与氧气接触氧化(燃烧)充分；沸腾焙烧，使粉末均匀接触氧气，矿石氧化更全面。
     (4)炉气处理：冷却、除尘、酸洗，得到精制炉气进入接触室。
     矿渣和粉尘处理：冷却增湿后，送钢铁厂作炼铁原料。

2．含硫矿石的燃烧

     (1)设备：接触室(钒催化剂)。
     (2)温度：450 ℃左右。
     (3)热交换器：充分利用SO2催化氧化过程中的反应放热。
     方式：净化后的炉气(冷气)在交换器管外上升被预热，再进入接触室顶部，催化反应后，再从交换器管内流过，释放热量。
    
     吸收剂：98.3%浓硫酸。
     流向：逆流方式(气体从塔底通入，浓H2SO4从塔顶喷淋下   
     来)。
3．二氧化硫的催化氧化
4．三氧化硫的吸收
       在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的原因二者都正确的是                                       (　　)。
A．硫铁矿燃烧前需将矿粒粉碎，这样易于向沸腾炉中投料
B．炉气进入接触室之前需要净化、干燥，因为炉气中的杂质易  
      与SO2反应
C．SO2氧化为SO3时需使用催化剂，这样可提高SO2的转化率
D．接触室的反应温度控制在400～500 ℃，因为在这个温度范
       围内，反应速率和SO2的转化率都比较理想，且催化剂的活  
      性也较高
【例2】
解析　题中所提到的对硫酸工业采取措施的叙述都是正确的。但硫铁矿进入沸腾炉之前粉碎的原因是为了增大矿粒与空气的接触面积，使其燃烧得更快、更充分，从而提高硫铁矿的利用率；从沸腾炉出来的炉气必须净化干燥的目的是因为炉气中的一些杂质气体会使接触室中的催化剂中毒，使催化剂丧失活性，同时防止炉气中的水蒸气和SO2生成酸而腐蚀管道；SO2转化为SO3时使用催化剂是为了缩短到达平衡的时间，但它并不能影响化学平衡的移动，并不影响SO2转化率的大小；接触室控制反应的温度在400～500 ℃，这是综合考虑了催化剂活性、反应速率及SO2的转化率等因素而确定的，故D项正确。
答案　D

根据制备H2SO4的原理和条件设计合理的流程和生产设备。
           在硫酸工业生产中，为了有利于SO2的转化，且能充分利用热能，采用了中间有热交换器的接触室(见如图)。按此密闭体系中气体的流向，则在A处流出的气体为(　　)。
A．SO2
B．SO3，O2 
C．SO2，O2
D．SO2，SO3
【体验2】
解析　干燥的SO2与O2发生化学反应的有利条件是催化剂和约450 ℃的温度，在通常状况下不发生反应，在加热的条件下，也基本上不发生反应。从热交换器(或接触室)左侧进入热交换器的SO2与O2的混合气体，在热交换器内只是被加热升高温度，没有与催化剂接触，基本上没有SO3生成。从热交换器内出来的热的SO2与O2的混合气体，进入接触室内的催化剂区域后，发生可逆反应生成SO3。
答案　C