Question

9．現代煉鋅的方法可分為火法和濕法兩大類．火法煉鋅是將閃鋅礦（主要含ZnS）焙燒使它轉化為氧化鋅，再把氧化鋅和焦炭混合，在鼓風爐中加熱至1100℃～1300℃，使鋅蒸餾出來（設空氣中N₂、O₂的體積分數分別為0.80、0.20），主要反應為：
焙燒爐中：2ZnS（s）+3O₂（g）→2ZnO（s）+2SO₂（g）    ①
鼓風爐中：2C（s）+O₂（g）→2CO                  ②
鼓風爐中：ZnO（s）+CO（g）?Zn（g）+CO₂（g）   ③
（1）已知閃鋅礦中含硫的質量分數為16.0%，而所含雜質不含硫，則閃鋅礦中硫化鋅的質量分數為48.5%．現代工業(yè)生產多采用聯合生產，可將閃鋅礦中的硫用于生產硫酸．現有
此閃鋅礦100t，在理論上可生產出98.0%的硫酸50t．
（2）焙燒爐產生的爐氣中SO₂的體積分數不超過14.3%（保留小數點后一位小數，下同）．
（3）鼓風爐容積固定，爐內部分氣態(tài)物質其物質的量濃度（mol/L）變化如下：

時間/min	CO	Zn	CO2
0	0.11	0	0
2	0.10	0.01	0.01
3	0.01	0.10	0.10
4	0.01	0.10	0.10

則鼓風爐中CO總的轉化率為90.9%；若生產中CO總的利用率為95.0%，列式計算每生產1molZn，至少需要補充焦炭多少克？
（4）若ZnS全部轉化為Zn，焙燒爐出來的N₂、O₂、SO₂混合氣體中N₂占82.5%，鼓風爐中CO的轉化率為62.5%，而O₂無剩余，試列式計算每生產1mol Zn，應向焙燒爐和鼓風爐中鼓入新鮮空氣共多少升（S．T．P）？

Answer 1

分析 （1）計算出ZnS中硫的質量分數ω（S），閃鋅礦中S的質量分數為ZnS中硫的質量分數ω（S）×ω（ZnS）；
根據S元素守恒：S～H₂SO₄，再根據質量定比關系計算；
（2）假定有2molZnS，最少通入3molO₂，計算出生成的SO₂的物質的量，及未反應的N₂的物質的量，進而計算爐氣中SO₂的體積分數；
（3）CO的總轉化率=$\frac{CO濃度變化量}{CO起始濃度}$×100%；
令需焦炭質量為mg，實際利用的為95%mg，由方程式可得關系式ZnO（s）～C（s），即n（ZnO）=n（C），據此計算；
（4）令生產1molZn鼓風爐中消耗空氣物質的量為5y，則通入的氧氣為y、制得一氧化碳為2y，實際用于還原ZnO的CO物質的量為2y×62.5%，由方程式可知，2y×62.5%=1mol；
令1molZn焙燒爐中消耗空氣的物質的量為5x，根據Zn元素守恒，需ZnS1mol，根據差量法計算出從焙燒爐出來的氣體物質的量變化量，利用混合氣體中N₂占82.5%，列方程；
兩處之和即為鼓入新鮮空氣．

解答 解：（1）ZnS中鋅的質量分數ω（S）=$\frac{32}{97}$，則：
ω（ZnS）×$\frac{32}{97}$=16%，
故ω（ZnS）=48.5%
設生成98%硫酸為x t，則：
S～～～～～～～H₂SO₄
32             98
100t×16%      xt×98%
所以32：98=100t×16% xt×98%
解得x=50
故答案為：48.5%；50；
（2）假定有2molZnS，最少通入3molO₂，根據方程式2ZnS（s）+3O₂→2ZnO（s）+2SO₂ （g） 可知，生成的SO₂的物質的量為2mol，未參加反應的N₂的物質的量為3mol×4=12mol，此時SO₂的體積分數為$\frac{2mol}{2mol+12mol}$×100%=14.3%．實際通入的空氣要多，故SO₂的體積分數不超過14.3%，
故答案為：14.3；
（3）由表可知，3min時反應達平衡，平衡時時CO的平衡濃度為0.01mol/L，所以CO的總轉化率為$\frac{0.11mol/L-0.01mol/L}{0.11mol/L}$×100%=90.9%，
令需焦炭質量為mg，實際利用的為95%mg，由方程式可得，關系式ZnO（s）～C（s），所以n（ZnO）=n（C），即$\frac{95%mg}{12g/mol}$=1，解得m=12.6；
故答案為：90.9%；12.6；
（4）設焙燒爐中消耗空氣的物質的量為5x，鼓風爐中消耗空氣物質的量為5y
則：2C+O₂=2CO； ZnO（s）+CO（g）=Zn（g）+CO₂（g）．
   y     2y          2y×62.5% 1mol
所以2y×62.5%=1mol
解得 y=0.8mol，所以 5y=4mol
2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂ △n
2mol              1mol
1mol              0.5mol
所以4x÷（5x-0.5mol）=82.5%
解得 x=3.3mol，所以 5x=16.5mol
所以5x+5y=4mol+16.5mol=20.5mol
V（空氣）=20.5mol×22.4L•mol-1=459.2L
答：應向焙燒爐和鼓風爐中鼓入新鮮空氣共459.2L．

點評 本題以金屬冶煉為載體，考查有關化學計算，綜合性大，關鍵要理清思路、掌握好基礎知識，難度比較大．