Question

12．以黃鐵礦為原料生產硫酸的工藝流程圖如圖：

（1）將煅燒黃鐵礦的化學方程式補充完整：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂．
（2）接觸室中發(fā)生反應的化學方程式是2SO₂+O₂$?_{高溫高壓}^{催化劑}$2SO₃．
（3）依據工藝流程圖判斷下列說法正確的是a、b、d（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為SO₃（g）+H₂O（l）═H₂SO₄（l）；△H=-130.3kJ/mol．
（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(huán)利用，也可用于工業(yè)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SO₂+Br₂+2H₂O═4H⁺+2Br^-+SO₄^2-．
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．請計算：
該銨鹽中氮元素的質量分數是14.56%；若銨鹽質量為15.00g．濃硫酸增加的質量為2.31 g（計算結果保留兩位小數）．

Answer 1

分析 （1）化學方程式遵循原子個數守恒，依據原子個數守恒判斷缺少物質；
（2）二氧化硫和氧氣在接觸室發(fā)生氧化反應生成三氧化硫，反應為可逆反應；
（3）a．將黃鐵礦粉碎能增大與氧氣的接觸面積；
b．可逆反應中當反應物有多種，增大一種反應物濃度可以提高其他反應物轉化率；
c．催化劑能同等程度改變反應速率，平衡不移動；
d．依據反應原理可知沸騰爐排出的礦渣含有氧化鐵；
（4）每160g SO₃氣體與H₂O（l）化合放出260.6kJ的熱量，80g三氧化硫與水反應放熱130.3KJ，依據熱化學方程式的書寫方法寫出；
（5）①二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；
②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）依據原子個數守恒可知缺少物質為FeS₂；
故答案為：FeS₂；
（2）二氧化硫與氧氣在接觸室內發(fā)生氧化還原反應生成三氧化硫，反應為可逆反應，方程式：2SO₂+O₂$?_{高溫高壓}^{催化劑}$2SO₃；
故答案為：2SO₂+O₂$?_{高溫高壓}^{催化劑}$2SO₃；
（3）a．將黃鐵礦粉碎能增大與氧氣的接觸面積，所以將黃鐵礦粉碎，可以充分燃燒，故a正確；
b．依據方程式：2SO₂+O₂$?_{高溫高壓}^{催化劑}$2SO₃，可知反應物有氧氣和二氧化硫兩種，所以增大氧氣的濃度可以提高二氧化硫的轉化率，故b正確；
c．催化劑的使用對化學平衡不產生影響，二氧化硫轉化率不變，故c錯誤；
d．依據反應原理可知沸騰爐排出的礦渣含有氧化鐵，可以用來煉鐵，故d正確；
故選：abd；
 （4）每160g SO₃氣體與H₂O（l）化合放出260.6kJ的熱量，80g三氧化硫與水反應放熱130.3KJ，反應的熱化學方程式為：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為$\frac{（0.064+2×0.02）mol×14g/mol}{10.0g}$×100%=14.56%，
由15.00 g銨鹽與NaOH溶液反應產生的NH₃可知濃硫酸增加的質量，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答：濃硫酸增加的質量為2.31g；
故答案為：14.56；   2.31 g；

點評 本題考查了工業(yè)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(yè)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，題目難度較大．