Question

接觸法制H₂SO₄的基本原理是：

    ①4FeS₂+11O₂2Fe₂O₃+8SO₂

   

    ③SO₃+H₂O  H₂SO₄

    其中排放的尾氣含少量SO₂，為防止污染大氣，在排放前應設法進行綜合利用。

    (1)某硫酸廠每天排放10000m³(換算成標準狀況下體積)尾氣中含0.2%(體積分數)的SO₂，問用NaOH溶液、石灰及氧氣處理后，假設硫元素不損失，理論上可得到多少千克石膏(CaSO₄·2H₂O)？

    (2)如果將一定體積的尾氣通入100mL2mol·L^-1的NaOH溶液使其完全反應，經測定所得溶液含16.7g溶質。試分析溶液的成分，并計算各成分的物質的量。

    (3)工廠在尾氣處理制石膏的過程中，中間產物是NaHSO₃，調節尾氣排放的流量，以取得SO₂和NaOH間物質的量的最佳比值，從而提高NaHSO₃的產量。現設n(SO₂)、n(NaOH)、n(NaHSO₃)分別表示SO₂、NaOH、NaHSO₃的物質的量，且=x,試寫出x在不同取值范圍時，n(NaHSO₃)的值或n(NaHSO₃)與n(SO₂)、n(NaOH)間的關系式。

x=n(SO2)/n(NaOH)	n(NaHSO3)

    提示：該題取材于接觸法制硫酸的過程中對廢氣SO₂的處理，即消除了SO₂對空氣的污染，又使SO₂得到綜合利用。該題在能力要求上有一定的深度和坡度。第(1)步考查多步反應的計算，所發生的一系列反應較為復雜，但根據S元素守恒找出關系式，即可得出答案。第(2)步涉及平行反應中混合物的計算。反應方程式為2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O;NaOH+SO₂  NaHSO₃。根據題給條件，對上述反應運用極值假設法進行分析討論。第(3)步考查計算題中范圍討論的基礎知識，以及過量問題和平行反應的計算。

Answer 1

解析：(1)設得CaSO₄·2H₂O的質量為y。

    根據S元素守恒有：

          SO₂      ～      CaSO₄·2H₂O

          22.4L                 172g

    10⁴×10³×0.2%L?     y

    y=153.6kg

     (2)若溶質全為Na₂SO₃，則反應為

    2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O   

    若溶質全為NaHSO₃，則根據反應

    NaOH+SO₂  NaHSO₃

    m(NaHSO₃)=104g·mol^-1×2×0.1mol=20.8g

    由于20.8＞16.7＞12.6,所以溶質為Na₂SO₃和NaHSO₃的混合液。

    設混合物中NaHSO₃的物質的量為m,Na₂SO₃的物質的量為n。

    解法一：

   

    解之，得：m=0.1mol,?n=0.05mol

    解法二：用配平方程式計算

    (2n+m)NaOH+(m+n)SO₂  nNa₂SO₃+mNaHSO₃+nH₂O

    則有

   

    m=0.1mol    n=0.05mol

     (3)SO₂通入NaOH溶液時可能發生的反應為

    2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O(Ⅰ)

    NaOH+SO₂  NaHSO₃(Ⅱ)

    ①當x=≤時，反應按(Ⅰ)式進行，SO₂全部反應，生成物皆為Na₂SO₃,故n(NaHSO₃)=0。

    ②當x=≥1時，反應按(Ⅱ)式進行，NaOH全部反應，生成物全是NaHSO₃，有n(NaHSO₃)=n(NaOH)。

    ③當＜x＜1時，(Ⅰ)(Ⅱ)兩個反應平行進行，NaOH與SO₂兩物質均耗盡，生成NaHSO₃和Na₂SO₃的混合物。〔由(2)步的分析可有〕

    n(NaHSO₃)+2n(Na₂SO₃)=n(NaOH)    (Na⁺守恒)

    n(Na₂SO₃)+n(NaHSO₃)=n(SO₂)        (S守恒)

    解之,得n(NaHSO₃)=2n(SO₂)-n(NaOH)

答案：