高中化学学案专题4第一单元第2课时硫酸的工业制备浓硫酸的性质

第2课时硫酸的工业制备浓硫酸的性质

一、硫酸的工业制备三步骤三原料三设备三反应原理造气S或FeS2沸腾炉S+O2SO2、4FeS2+11O28SO2+2Fe2O3接触氧化O2接触室2SO2+O22SO3SO3吸收98.3%的硫酸吸收塔SO3+H2OH2SO4【自主探索】吸收SO3时，为什么不用水吸收而是用98.3%的浓H2SO4吸收SO3？提示：防止SO3溶于水时，反应放出大量的热导致酸雾，降低吸收效率且腐蚀设备。【自主探索】(情境思考)由于工业战略发展的需要，某地区打算建厂制备硫酸，项目负责人员正在考虑采用硫黄制酸还是硫铁矿制酸。如果你是负责人，你会收集哪些资料作为依据进行选择？(可从硫的含量、价格等角度分析)提示：硫铁矿中FeS2的质量分数一般为20%～50%，制酸工艺过程中所产生的矿渣和废气使生产装置变得较为复杂。而采用硫黄制酸法，工艺流程和设备相对简易。硫黄含杂质少，燃烧生成的气体含杂质少，可免去气体净化的过程，制备过程也不产生矿渣。因此，硫铁矿制酸投资几乎是同等规模硫黄制酸设备的两倍。但硫黄原料价格高于硫铁矿，具体选用何种硫酸制备工艺，应根据实际条件和要求进行决策。二、浓硫酸的性质硫酸盐1.浓硫酸的物理性质：颜色状态沸点挥发性水溶性无色黏稠、油状液体高难挥发易溶注意：浓硫酸溶解时可放出大量的热。稀释浓硫酸时应将浓硫酸沿器壁(或玻璃棒)慢慢注入水中，并不断搅拌，且不可把水倒入浓硫酸中！2.浓H2SO4的特性：浓H2SO4中主要是H2SO4分子，因而浓H2SO4具有一些特殊的性质。(1)吸水性：利用浓H2SO4的吸水性，其常用作干燥剂，但不能干燥碱性气体和还原性气体，如NH3、HI、H2S。(2)脱水性：浓H2SO4能够将有机物里的氢、氧元素按原子个数2∶1的比例脱去，如浓硫酸使蔗糖、蛋白质脱水炭化。(3)强氧化性：①常温下，铁、铝遇浓H2SO4发生“钝化”。原因：金属表面形成了致密的氧化物保护层。所以常温下可用铁、铝槽车装运浓硫酸。②能氧化不活泼的金属，如与Cu反应的化学方程式为Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O。③能氧化非金属单质，如与C反应的化学方程式为C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O。3.硫酸的用途：化肥、医药、农药的生产，金属矿石的处理，金属材料的表面清洗。4.几种重要的硫酸盐及其用途：(1)硫酸钙①化学式：石膏CaSO4·2H2O，熟石膏2CaSO4·H2O。②熟石膏与水混合成糊状后会很快凝固，转化为坚硬的石膏。③石膏常用于制作各种模型和医疗上用的石膏绷带。在水泥生产中，可用石膏调节水泥的凝结时间。(2)硫酸钡①硫酸钡不容易被X射线透过，在医疗上可用作检查肠胃的内服药剂，俗称“钡餐”。②硫酸钡可用作白色颜料，并可作高档油漆、油墨、造纸、塑料、橡胶的原料及填充剂。(3)硫酸亚铁①硫酸亚铁的结晶水合物俗称绿矾，其化学式为FeSO4·7H2O。②在医疗上硫酸亚铁可用于生产防治缺铁性贫血的药剂。③在工业上它还是生产铁系列净水剂和颜料氧化铁红的原料。【自主探索】下列分别体现了硫酸的什么性质？(1)用浓硫酸和蔗糖做“黑面包”实验，体现了浓硫酸具有脱水性和强氧化性。(2)浓硫酸可以用来干燥H2、CO2等气体，体现了浓硫酸具有吸水性。(3)铜与浓硫酸在加热条件下可以反应产生SO2，体现了浓硫酸具有强氧化性与酸性。(4)常温下，浓硫酸能用铁制容器盛放，体现了浓硫酸具有强氧化性。知识点浓硫酸的性质浓硫酸的特性：【方法导引】浓硫酸在化学反应中表现性质的判断浓硫酸具有强酸性，又具有强氧化性，因此在化学反应中可表现氧化性或酸性，也可同时表现氧化性和酸性。(1)若硫酸在生成物中以盐的形式存在，反应前后硫元素化合价不变，则只表现酸性。(2)若硫酸在化学反应中全部被还原，生成物中无硫酸盐生成，则只表现氧化性。(3)若硫酸在化学反应中硫元素化合价一部分降低生成了SO2，同时生成硫酸盐，则硫酸既表现酸性，又表现了氧化性。【合作探究】(思维升华)在试管中放入一块铜片，注入一定体积的浓硫酸，给试管加热，使之反应。(1)若铜片还有剩余，硫酸是否消耗完毕？为什么？(2)设计一个实验证明你的结论，写出你所设计实验的反应原理。(3)欲观察生成的CuSO4溶液的颜色，应如何操作？提示：(1)没有。因随反应Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+2H2O+SO2↑的进行，硫酸变稀，而稀H2SO4不与Cu反应，故H2SO4不会耗完；(2)向反应后的溶液中加入锌片(或CuO)，观察锌片(或CuO)是否溶解。Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑(或CuO+H2SO4===CuSO4+H2O)(3)要观察CuSO4溶液的颜色，可将反应后的液体慢慢注入水中，边加边搅拌即可。【典例示范】【典例】某化学课外兴趣小组为探究铜跟浓硫酸的反应情况，用如图所示装置进行有关实验：(1)B是用来收集实验中产生的气体的装置，但未将导管画全，请把导管补充完整。(2)实验中他们取6.4g铜片和12mL18mol·L1浓硫酸放在圆底烧瓶中加热，直到反应完毕。请写出铜跟浓硫酸反应的化学方程式：____________。

(3)装置C中试管D内盛装的是品红溶液，当B中气体收集满后，有可能观察到的现象是___________。待反应结束后，向C中烧杯内加入沸水，D中观察到的现象是___________。

(4)实验装置C有可能造成环境污染。试用最简单的方法加以解决。___________(实验用品自选)。

【解题指南】解答本题需注意以下两点：(1)需通过证明H+的大量存在来证明酸的存在。(2)需注意气体收集的原理：向上排空气法收集SO2。【解析】Cu只与浓硫酸在加热时反应，而不与稀硫酸反应。收集SO2气体用向上排空气法，因此B装置应为长进短出。对C装置逸出的SO2，用浸有NaOH溶液的棉花团塞在试管口是最简单的方法。答案：(1)(2)Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O(3)红色褪去恢复红色(4)用浸有NaOH溶液的棉团塞在试管口【母题追问】(1)浓硫酸与Cu反应，体现了浓硫酸的哪些性质？提示：浓硫酸与Cu反应生成硫酸铜体现浓硫酸的酸性，生成SO2，体现浓硫酸的强氧化性。(2)浓硫酸具有强氧化性，浓硫酸能否用于干燥H2、CO、SO2、H2S等气体？提示：浓硫酸能干燥H2、CO、SO2等气体，是因为浓硫酸的吸水性；因为浓硫酸具有强氧化性，所以浓硫酸不能干燥H2S等还原性气体。【素养训练】下列叙述正确的是 ()A.浓硫酸是一种干燥剂，能够干燥氢气、氧气、氨气等气体，但不能干燥有较强还原性的HI、H2S等气体B.浓硫酸与单质硫反应的方程式为S+2H2SO4(浓)3SO2↑+2H2O，在此反应中，浓硫酸既表现了其强氧化性，又表现了其酸性C.把足量铜粉投入只含有2molH2SO4的浓硫酸中，得到气体体积标准状况下为22.4LD.常温下能够用铁、铝等容器盛放浓硫酸，是因为浓硫酸的强氧化性使其钝化【解析】选D。A项浓硫酸具有吸水性，但由于其具有强氧化性和酸性，故不能用来干燥具有还原性的气体和碱性气体(NH3)；B项金属与浓硫酸反应时，生成相应的盐和SO2，此时浓硫酸显示酸性和强氧化性，而与S、C等非金属单质作用时，由于没有盐生成，故只显强氧化性；C项Cu与浓硫酸反应时，浓硫酸浓度逐渐降低，当降到一定程度时变为稀硫酸，反应自行停止，故产生的SO2在标准状况下小于22.4L。【补偿训练】某校两个班的化学研究性学习小组，在学习了铜和浓硫酸的反应后，分别探究足量的锌与浓硫酸反应的过程。一班小组设计了如图装置：试回答：(1)请从甲、乙中选择合适的装置填入B、C中，并进行正确连接，a接_____、_____接b，c接_______、_____接d(用序号表示)。

(2)D、E两支试管中CCl4的作用是______。

(3)本实验能证明浓硫酸具有强氧化性的实验现象为________。

(4)D中出现浑浊的离子方程式为_________________。

(5)某学生注意观察到：实验开始后，C、D、E中均有气泡产生；随后气泡量减少，品红溶液褪色，D中出现浑浊；反应一段时间后，C、D、E中的气泡量又会明显增加。请用化学方程式表示“反应一段时间后，C、D、E中的气泡量又会明显增加”的原因____。

二班小组设计了下图装置：(6)分析出二班小组的设计意图是__________。

(7)装置B中的药品是__________。

(8)能证明产生SO2和H2先后顺序的实验现象是____________。

【解析】Zn+2H2SO4(浓)===ZnSO4+SO2↑+2H2O。(1)通常状况下，1体积水中可溶解40体积的二氧化硫气体，装置乙可防止二氧化硫与品红作用时倒吸到锌与硫酸反应的容器中，二氧化硫与品红作用，需长管进入气体。(2)二氧化硫易溶于水，难溶于四氯化碳，二氧化硫通过四氯化碳，然后再与澄清的石灰水反应，起缓冲作用，可防止倒吸。(3)利用二氧化硫可使品红溶液褪色，可检验二氧化硫的存在，来证明Zn与浓硫酸反应产生了SO2，证明浓硫酸具有强氧化性。(4)二氧化硫和澄清的石灰水反应生成亚硫酸钙和水，亚硫酸钙为难溶于水的沉淀Ca2++2OH+SO2===CaSO3↓+H2O。(5)锌为较活泼的金属，在金属活动顺序表中排在氢的前面，所以锌和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑。(6)二班小组设计的装置，先用白色的无水硫酸铜检验水的存在，后用品红检验二氧化硫的存在，用高锰酸钾氧化二氧化硫除去二氧化硫，浓硫酸具有吸水性，除去水，锌和稀硫酸反应生成氢气和硫酸锌，氢气通过氧化铜生成铜和水，水蒸气遇无水硫酸铜变蓝色，可检验氢气的存在。(7)水蒸气与无水硫酸铜反应变蓝色，可检验水的存在。(8)二氧化硫可使品红溶液褪色，C中品红褪色，可检验二氧化硫的存在，利用高锰酸钾氧化二氧化硫可除去二氧化硫，D中酸性高锰酸钾不再褪色后，说明二氧化硫已经除尽，锌和稀硫酸反应生成氢气和硫酸锌，氢气通过氧化铜生成铜和水，F中有红色物质生成，说明有铜生成，G中无水硫酸铜变蓝，说明有水生成，说明有氢气产生。答案：(1)3(或4)4(或3)21(2)防倒吸(3)C中品红溶液褪色(4)Ca2++2OH+SO2===CaSO3↓+H2O(5)Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑(6)验证产物中先产生水、SO2，后产生H2(7)无水CuSO4(或无水硫酸铜)(8)C中品红褪色，D中酸性高锰酸钾不再褪色后，F中有红色物质生成，G中无水硫酸铜变蓝知识点硫酸的工业制备1.硫酸工业主要设备与流程如下：各进口或出口物质的名称：A.含硫矿石(如FeS2)；B.炉渣；C.二氧化硫、氧气；D.尾气(SO2、O2)。2.工艺流程分析：【合作探究】(1)(思维升华)接触法制硫酸时，由沸腾炉导出的炉气为什么必须经除尘、洗涤、干燥、净化？(宏观辨识与微观探析)提示：炉气中含有SO2、O2、N2、H2O以及一些其他杂质。矿尘等会使催化剂中毒；水蒸气对生产和设备有不良影响，因此，炉气必须通过除尘、洗涤、干燥等净化处理。(2)(情境应用)硫酸厂的尾气里含有大量的二氧化硫气体，如果不加以利用而排空会严重污染空气。一般用氨水或Na2SO3溶液吸收，反应原理分别是什么(用化学方程式表示)？(科学探究与创新意识)提示：①用氨水吸收，再用H2SO4处理：SO2+2NH3+H2O===(NH4)2SO3②用Na2SO3溶液吸收：Na2SO3+SO2+H2O===2NaHSO3【典例示范】【典例】工业上制硫酸的设备分为三大部分：沸腾炉、接触室、吸收塔。下面的装置是仿照工业上制备硫酸工艺的流程设计出来的，用于探究工业上为何采用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫。请回答下列问题：(1)写出沸腾炉内煅烧硫铁矿的反应方程式___________________。

(2)上图中的乙、丙分别相当于工业上制取硫酸装置中的_________、_______。

(3)从乙装置中出来的气体有_______。

(4)丙装置的作用为___________，丁中的现象为_________。

(5)本实验设计还存在的较明显缺陷是____________。

【解题指南】解答本题需要注意以下两点：(1)硫酸工业的主要设备。(2)硫酸工业的原理。【解析】乙装置相当于接触室，将SO2催化氧化为SO3，由于该反应是一个可逆反应，故从乙装置中出来的气体中含有SO2、O2、SO3；丙装置相当于吸收塔，用浓硫酸吸收SO3；丁装置是用水吸收SO3，SO3溶于水会放出大量的热，使水汽化为水蒸气，从而形成酸雾；本实验中缺少尾气吸收装置。答案：(1)4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2(2)接触室吸收塔(3)SO2、O2、SO3(4)吸收SO3有酸雾产生(5)缺少尾气吸收装置【深化思考】为了除去有害气体硫酸工厂的尾气二氧化硫并变废为宝，常常用粉末状的碳酸钙或熟石灰的悬浊液洗涤废气，反应产物为石膏[CaSO4·2H2O]。(1)写出上述两个反应的化学方程式：①_______________________；

②_______________________。

(2)试说明用熟石灰的悬浊液，而不用澄清石灰水洗涤废气的理由___________。

提示：(1)①2SO2+O2+2CaCO3===2CaSO4+2CO2或2SO2+O2+2CaCO3+4H2O===2[CaSO4·2H2O]+2CO2②2SO2+O2+2Ca(OH)2===2CaSO4+2H2O或2SO2+O2+2Ca(OH)2+2H2O===2[CaSO4·2H2O](2)氢氧化钙微溶于水，澄清的石灰水中氢氧化钙的浓度小，不利于二氧化硫的吸收【规律方法】工业制硫酸的注意事项(1)在沸腾炉中煅烧硫铁矿时，要把矿石粉碎，目的是增大硫铁矿与O2的接触面积，使反应加快，提高原料利用率。(2)炉气进入接触室前要净化，目的是除去炉气中的杂质，防止催化剂中毒及对设备造成不利影响。(3)接触室内使用热交换器的目的是利用SO2和O2反应放出的热量预热输入设备的气体，冷却反应后的气体。(4)在吸收塔内用98.3%的浓H2SO4吸收SO3而不是用水吸收。【素养训练】某设计院承担某硫酸厂的设计任务，该厂要求：①为了控制污染和提高生产效率，不再使用硫铁矿，改用固体硫为原料。②每天生产50t98%的硫酸。(1)反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，在_____(设备)中进行，这种生产硫酸的方法叫做_______。

(2)每天消耗含95%的固体硫_______吨。

【解析】(1)生成SO3的反应在接触室中进行，这种生产硫酸的方法叫做接触法。(2)设需固体硫的质量为x。由关系式法：S～～～～～H2SO432 98x×95% 50t×98%得x≈16.8t答案：(1)接触室接触法(2)16.8【课堂小结】三言两语话重点(1)三大特性：浓硫酸的吸水性、脱水性、强氧化性。(2)必记的两个反应①Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O②C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O1.某同学为探究浓硫酸的吸水性，设计了如下实验，理论上能达到实验目的的有 ()A.①③ B.②④ C.①③④ D.①②③④【解析】选D。图①袋内的Na2CO3·10H2O晶体的质量逐渐减小；图②袋内的鲜梨块逐渐干瘪；图③试管底部析出晶体；图④盛水的烧杯内水面逐渐降低。【补偿训练】下列关于硫酸盐的说法不正确的是 ()A.重晶石的主要成分为BaSO4，它可作为检查肠胃的内服剂，在医疗上称为“钡餐”B.绿矾在空气中易被氧化，它可作为生成铁系列净水剂的原料C.石膏(CaSO4·2H2O)可作为水泥凝结时的调节剂D.Na2SO4·10H2O俗称纯碱【解析】选D。绿矾易被氧化，B正确；Na2SO4·10H2O俗称芒硝，D不正确。2.某化学课外活动小组围绕浓硫酸的化学性质进行了如下实验探究：将适量的蔗糖放入烧杯中，加入几滴水，搅拌均匀。然后