2020-2021學(xué)年高中化學(xué) 第一單元 走進(jìn)化學(xué)工業(yè) 課題1 化工生產(chǎn)過程中的基本問題學(xué)案 新人教版選修2

1、2020-2021學(xué)年高中化學(xué) 第一單元 走進(jìn)化學(xué)工業(yè) 課題1 化工生產(chǎn)過程中的基本問題學(xué)案 新人教版選修22020-2021學(xué)年高中化學(xué) 第一單元 走進(jìn)化學(xué)工業(yè) 課題1 化工生產(chǎn)過程中的基本問題學(xué)案 新人教版選修2年級(jí)：姓名：- 11 -課題1化工生產(chǎn)過程中的基本問題1掌握接觸法制硫酸的化學(xué)反應(yīng)原理，并了解其生產(chǎn)過程和幾個(gè)典型設(shè)備。2應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)的限度，分析并掌握硫酸工業(yè)適宜條件的選擇。3了解防止硫酸工業(yè)“三廢”造成污染和“廢熱”利用的初步知識(shí)。認(rèn)識(shí)環(huán)境保護(hù)與節(jié)約的意義，強(qiáng)化環(huán)保與節(jié)約意識(shí)。授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書第1頁一、依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理確定生產(chǎn)過程1化工生產(chǎn)與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系化

2、工生產(chǎn)是以化學(xué)反應(yīng)原理為依據(jù)，以實(shí)驗(yàn)室研究為基礎(chǔ)的。任何生產(chǎn)的完成都要符合化學(xué)反應(yīng)規(guī)律。2確定化工生產(chǎn)反應(yīng)原理與過程的一般方法對(duì)于某一具體的化工產(chǎn)品，研究生產(chǎn)過程要從產(chǎn)品的化學(xué)組成和性質(zhì)考慮，來確定原料和生產(chǎn)路線。3化工生產(chǎn)的案例研究生產(chǎn)硫酸(1)原料：從h2so4的組成看，原料應(yīng)該是自然界存在的含硫的物質(zhì)，如硫黃、黃鐵礦(主要成分是fes2)等。(2)生產(chǎn)步驟：生產(chǎn)硫酸的主要化學(xué)過程可以分成so2的生成、so2轉(zhuǎn)化為so3和so3轉(zhuǎn)化為硫酸三個(gè)階段。(3)工業(yè)上制硫酸的基本生產(chǎn)原理：造氣：以s為原料制備so2，反應(yīng)方程式so2so2(屬放熱反應(yīng))。催化氧化：將so2氧化成so3，反應(yīng)方程式2

3、so2o22so3(屬放熱反應(yīng))。so3吸收：三氧化硫轉(zhuǎn)化成硫酸，反應(yīng)方程式so3h2o=h2so4(屬放熱反應(yīng))。二、生產(chǎn)中原料的選擇1在工業(yè)生產(chǎn)中，選擇原料除依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理外，還有許多因素需要考慮，如廠址選擇、原料、能源、工業(yè)用水的供應(yīng)能力、貯存、運(yùn)輸、預(yù)處理成本及環(huán)境保護(hù)等。2目前，世界大多數(shù)國家生產(chǎn)硫酸主要以硫黃為原料，我國主要是以黃鐵礦為原料制硫酸的。三、生產(chǎn)中反應(yīng)條件的控制1生產(chǎn)中反應(yīng)條件的選擇在化工生產(chǎn)中要通過反應(yīng)條件的控制使化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率都比較理想，還要同時(shí)考慮控制某些反應(yīng)條件的成本和實(shí)際可能性。2二氧化硫催化氧化條件的選擇(1)溫度條件：選擇400500_作為

4、操作溫度，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)速率和二氧化硫的轉(zhuǎn)化率都比較理想。(2)壓強(qiáng)條件：增大氣體壓強(qiáng)，so2的平衡轉(zhuǎn)化率提高得并不多，所以，通常采用常壓操作。(3)催化劑：催化劑對(duì)化學(xué)平衡沒有影響，但能改變到達(dá)平衡所需的時(shí)間。四、生產(chǎn)中的三廢處理1尾氣吸收硫酸生產(chǎn)的尾氣中含有少量so2，可用ca(oh)2吸收，使其生成caso3，再用h2so4處理，生成so2和caso4。方程式為so2ca(oh)2=caso3h2o；caso3h2so4=caso4so2h2o。2污水處理硫酸生產(chǎn)過程中的污水，含有酸性雜質(zhì)，可用石灰乳中和法處理。方程式為ca(oh)2h2so4=caso42h2o。3廢渣的利

5、用廢渣可用來制磚或制造水泥，爐渣和礦灰可作為煉鐵的原料。五、能量的充分利用硫酸生產(chǎn)過程中的三個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，如果能充分利用這些熱量，不但可以由硫酸廠自行提供能量，而且還可以向外界輸出大量能量，可大大降低生產(chǎn)成本。授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書第2頁要點(diǎn)一解讀工業(yè)制備硫酸的過程1三原料：硫鐵礦(fes2)、空氣、水接觸法制硫酸一般可以用硫黃、黃鐵礦、石膏、有色金屬冶煉廠的煙氣(含一定量的so2)等。其中用硫黃作原料成本低、對(duì)環(huán)境污染少。我國硫黃資源較少，主要用黃鐵礦(主要成分為fes2)作生產(chǎn)硫酸的原料。2三反應(yīng)(1)4fes211o2=2fe2o38so2(高溫)(2)2so2o22so3(催化劑

6、，加熱)(3)so3h2o=h2so43三設(shè)備：(1)沸騰爐(2)接觸室(3)合成塔4三原理：化學(xué)平衡原理、熱交換原理、逆流原理(1)化學(xué)平衡原理：增大反應(yīng)物濃度、增大反應(yīng)物間接觸面積，能提高反應(yīng)速率并使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，以充分提高原料利用率。(2)熱交換原理：在接觸室中生成的熱量經(jīng)過熱交換器，傳遞給進(jìn)入接觸室的需要預(yù)熱的混合氣體，為二氧化硫的接觸氧化和三氧化硫的吸收創(chuàng)造了有利條件。(3)逆流原理：液體由上向下流，氣體由下向上升，兩者在逆流過程中充分反應(yīng)。例1在接觸法制硫酸的工業(yè)生產(chǎn)中，下列生產(chǎn)操作與說明這些操作的主要原因都正確的是()a黃鐵礦煅燒前需要粉碎，因?yàn)榇髩K黃鐵礦不能燃燒b從

7、沸騰爐出來的爐氣需要凈化，這樣可以提高產(chǎn)品的純度cso2氧化為so3時(shí)需使用催化劑，這樣可以提高反應(yīng)速率和so2的轉(zhuǎn)化率d用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.3%的硫酸吸收so3，目的是防止形成酸霧，以便使so3吸收完全解析將黃鐵礦粉碎的主要目的是為了增大和空氣的接觸面積，可使其燃燒得更充分、更快，所以選項(xiàng)a操作正確，但解釋錯(cuò)誤；爐氣凈化的目的是防止?fàn)t氣中的雜質(zhì)和礦塵使催化劑中毒、失效，所以選項(xiàng)b操作正確，但解釋錯(cuò)誤；使用催化劑是為了提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)完成的時(shí)間，但對(duì)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的產(chǎn)率均無影響，所以選項(xiàng)c也是操作正確，但解釋錯(cuò)誤；選項(xiàng)d是正確的。答案d方法規(guī)律確定化工生產(chǎn)反應(yīng)原理與過程的一般方法：對(duì)

8、于某一具體的化工產(chǎn)品，研究生產(chǎn)過程要從產(chǎn)品的化學(xué)組成和性質(zhì)來確定原料和生產(chǎn)路線。分析產(chǎn)品的化學(xué)組成，據(jù)此確定生產(chǎn)產(chǎn)品的主要原料；分析產(chǎn)品與生產(chǎn)原料之間關(guān)鍵元素的性質(zhì)，確定主要生產(chǎn)步驟；分析生產(chǎn)原料的性質(zhì)，確定反應(yīng)原理。1在用接觸法制硫酸的過程中，若將接觸室內(nèi)混合氣體突然冷卻到15 ，有白色晶體析出，此晶體是()a硫酸酐 b固態(tài)氧c硫黃d亞硫酸酐解析：冷卻到15 ，so3將會(huì)成為固體，而so2、o2仍是氣體，硫黃雖是固體但在接觸室中不可能有它的存在。答案：a要點(diǎn)二硫酸工業(yè)生產(chǎn)中反應(yīng)條件的選擇1影響硫酸生產(chǎn)效率的因素分析(1)接觸氧化的反應(yīng)為：so2(g)o2(g)so3(g)h98.3 kjmo

9、l1。這是一個(gè)氣體總體積縮小的、放熱的可逆反應(yīng)，低溫高壓有利于so3的生成。(2)從教材p6表11和表12可以看出，溫度越低、壓強(qiáng)越大，越有利于so3的生成，但壓強(qiáng)的影響不是很大。(3)綜合考慮低溫時(shí)有利于so2的轉(zhuǎn)化，但考慮催化劑活性，溫度不能太低。高壓有利于so2的轉(zhuǎn)化，但實(shí)驗(yàn)表明增大壓強(qiáng)，so2的轉(zhuǎn)化率提高并不大，而且考慮設(shè)備、成本和能源消耗問題，壓強(qiáng)不應(yīng)很高，可以考慮常壓。2硫酸工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中條件的選擇(1)溫度：根據(jù)平衡移動(dòng)原理，應(yīng)在低溫下進(jìn)行，但低溫時(shí)催化劑的活性不高，反應(yīng)速率低，實(shí)際生產(chǎn)中采用400500 的溫度。(2)常壓：根據(jù)平衡移動(dòng)原理，應(yīng)在高壓下進(jìn)行，但增大壓強(qiáng)對(duì)so2的

10、轉(zhuǎn)化率提高不大，且加壓會(huì)增大成本和能量消耗，而常壓下的轉(zhuǎn)化率已很高，實(shí)際生產(chǎn)采用常壓操作。(3)適當(dāng)過量的空氣：目的是提高so2的轉(zhuǎn)化率。(4)接觸氧化的適宜條件：常壓、較高的溫度(400500 )和催化劑。例2工業(yè)上生產(chǎn)硫酸時(shí)，利用催化氧化反應(yīng)將so2轉(zhuǎn)化為so3是一個(gè)關(guān)鍵步驟。壓強(qiáng)及溫度對(duì)so2轉(zhuǎn)化率的影響如下表(原料氣各成分的體積分?jǐn)?shù)為：so2 7%，o2 11%，n2 82%)：0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4(1)已知so2的氧化是放熱反應(yīng)，如何利用表中數(shù)據(jù)推斷此結(jié)論？_；(2)在40

11、0500 時(shí)，so2的催化氧化采用常壓而不是高壓，主要原因是_；(3)選擇適宜的催化劑，是否可以提高so2的轉(zhuǎn)化率？_(填“是”或“否”)，是否可以增大該反應(yīng)所放出的熱量？_(填“是”或“否”)；(4)為提高so3吸收率，實(shí)際生產(chǎn)中用_吸收so3；(5)已知：2so2(g)o2(g)=2so3(g)h196.6 kjmol1，計(jì)算每生產(chǎn)1萬噸98%硫酸所需要的so3質(zhì)量和由so2生產(chǎn)這些so3所放出的熱量。解析(1)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以看出，在相同壓強(qiáng)下(如在0.1 mpa下)升高溫度(如由400 升高到500 )時(shí)，so2的轉(zhuǎn)化率降低(由99.2%降低為93.5 %)，即升高溫度時(shí)此化學(xué)平衡

12、向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，而升高溫度化學(xué)平衡應(yīng)該向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，所以此反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。(2)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以得知：在0.1 mpa(即常壓1 atm下)so2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，如在400 時(shí)已達(dá)99.2%，若增大壓強(qiáng)到10 mpa(即100 atm)，壓強(qiáng)增大了100倍，但是so2的轉(zhuǎn)化率增大為99.9%，只增大了0.7%，變化不大。而壓強(qiáng)增大100倍，需要對(duì)設(shè)備的材料、動(dòng)力、能源等都作相應(yīng)的提高，即要增大成本投入。(3)使用催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)的速率，改變反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)，即對(duì)so2的轉(zhuǎn)化率不產(chǎn)生影響；而在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)放出的熱量與參加反應(yīng)的反應(yīng)物的

13、量成正比，因so2的轉(zhuǎn)化率不變，所以反應(yīng)放出的熱量也不會(huì)增大。(4)在生產(chǎn)實(shí)際中是采用98.3%的濃硫酸作吸收劑來吸收so3的。因?yàn)槿粲盟M(jìn)行吸收會(huì)形成酸霧，將影響so3的吸收速率和效率。(5)so2so3h2so4反應(yīng)熱解得：m(so3)8.0109 g8.0103 t，q9.83109 kj。答案(1)壓強(qiáng)一定時(shí)，溫度升高，so2轉(zhuǎn)化率下降，說明升溫有利于逆反應(yīng)進(jìn)行，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)(2)增大壓強(qiáng)對(duì)提高so2轉(zhuǎn)化率無顯著影響，反而會(huì)增加成本(3)否否(4)濃硫酸(5)9.83109 kj方法規(guī)律化工生產(chǎn)條件的選擇是理論聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際,的一個(gè)重要應(yīng)用，在選擇生產(chǎn)條件時(shí)既涉及外界條,件對(duì)化學(xué)

14、反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響，又要考慮生產(chǎn)實(shí)際問題。在學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)對(duì)合成二氧化硫的催化氧化的生產(chǎn)條件的選擇充分理解、熟練掌握，并學(xué)會(huì)舉一反三。2下列說法正確的是()a在設(shè)計(jì)化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時(shí)，只要將化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)和化學(xué)反應(yīng)理論相結(jié)合進(jìn)行全面分析就沒問題了b在設(shè)計(jì)化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時(shí)，若化學(xué)反應(yīng)的速率很高，就不需要考慮催化劑的問題c在現(xiàn)代工業(yè)上將二氧化硫氧化為三氧化硫的適宜條件是高溫、高壓和催化劑d在2so2o22so3中，對(duì)“450 ”的選擇，來自對(duì)反應(yīng)物性質(zhì)和催化劑性質(zhì)的綜合考慮解析：在設(shè)計(jì)化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時(shí)，若化學(xué)反應(yīng)速率過高而對(duì)生產(chǎn)不利時(shí)，就要考慮施加負(fù)催化劑的問題。答案：d要點(diǎn)

15、三硫酸工業(yè)中多步反應(yīng)的計(jì)算方法1關(guān)系式法：先寫出多步反應(yīng)的化學(xué)方程式，然后找出反應(yīng)物和生成物之間物質(zhì)的量(或質(zhì)量)之比，列出關(guān)系式，即可一步計(jì)算。2元素守恒法：找出主要原料和最終產(chǎn)物之間物質(zhì)的量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。找出此關(guān)系的簡便方法，就是分析原料與產(chǎn)物之間所含關(guān)鍵元素原子個(gè)數(shù)關(guān)系，如：fes22h2so4，sh2so4。若已知(欲求)fes2含量，用前面的關(guān)系式，若已知(欲求)s的含量，用后一關(guān)系式，二氧化硫轉(zhuǎn)化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物fes2(或s)進(jìn)行計(jì)算。例3用含fes2 78%的硫鐵礦制硫酸，若煅燒時(shí)損失6%的硫，在接觸氧化時(shí)又損失2%，求制得1 t 98%的濃h2so4需這種礦石

16、多少噸？解析每種化合物都有固定的組成，即每種化合物的組成元素的質(zhì)量都有一定的比例，當(dāng)某一化合物損失a%時(shí)，其組分元素也必然損失各自的a%，反之亦然。由此可知接觸氧化時(shí)硫損失2%，也就是接觸氧化時(shí)fes2的轉(zhuǎn)化率為98%。設(shè)需硫鐵礦的質(zhì)量為x，涉及的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)方程式如下：4fes211o22fe2o38so22so2o22so3so3h2o=h2so4根據(jù)各化學(xué)方程式中反應(yīng)物和生成物之間的比例關(guān)系，可找出fes2與每步反應(yīng)中產(chǎn)物之間的關(guān)系式：4fes28so28so38h2so4容易得出這組連續(xù)反應(yīng)的反應(yīng)關(guān)系：fes22h2so4120 t 298 tx78%(16%)(12%) 1 t98%

17、解之得：x0.83 t。答案0.83 t3含硫48%的硫鐵礦煅燒時(shí)fes2損失2%，則下列說法不正確的是()a該硫鐵礦含fes2也是48%b硫損失也是2%c鐵損失也是2%d該硫鐵礦含fes2 90%解析：該硫鐵礦含fes2為48%90%，故d項(xiàng)正確，而a項(xiàng)錯(cuò)誤；煅燒時(shí)fes2損失2%，則其中的鐵和硫也都損失2%。答案：a授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書第4頁1在硫酸工業(yè)生產(chǎn)中，為了有利于so2的轉(zhuǎn)化，且能充分利用熱能，采用了中間有熱交換器的接觸室(見右圖)，下列有關(guān)說法中錯(cuò)誤的是()a上端進(jìn)入的氣體溫度較高，下端出來的氣體溫度較低b預(yù)熱含有二氧化硫的混合氣體，有利于接觸氧化ca處流出的氣體為so2和o2

18、d預(yù)熱so3，有利于被濃硫酸吸收解析：此題考查了工業(yè)生產(chǎn)h2so4的重要設(shè)備之一接觸室中氣體的流向。so2和o2進(jìn)入熱交換器的管外時(shí)，雖具備合成溫度，但無v2o5催化，不會(huì)生成so3，只有so2和o2。原料so2、o2從裝置左側(cè)中間進(jìn)入熱交換器，吸收熱能后由a處流出再進(jìn)入接觸室發(fā)生反應(yīng)，并放出大量的熱，而熱交換器的作用是把一部分熱量交換給剛進(jìn)入熱交換器的原料氣，然后由下端流入下一個(gè)裝置，so3溫度過高不易被吸收，所以下端出來的氣體溫度較低，這也是熱交換器的作用之一。答案：d2接觸法生產(chǎn)硫酸的過程中，對(duì)廢氣、廢水、廢渣、廢熱的處理正確的是()尾氣用氨水處理污水用石灰乳處理廢渣用來造水泥、煉鐵設(shè)置廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，供熱或發(fā)電abc d解析：硫酸廠尾氣中含有so2，可用氨水吸收處理；硫酸廠廢水中含有硫酸可用石灰乳中和；硫酸廠廢渣中含有sio2、fe2o3等，可用于制造水泥、煉鐵；由于硫酸生產(chǎn)過程中三個(gè)化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，可以充分利用這些反應(yīng)放出的熱能來降低生產(chǎn)成本。答案：d3煅燒黃鐵礦損失x%的硫，則fes2的損失率與硫的損失率相比為()a大于x% b小于x%c等于x% d不能確定解析：由元素守恒可知硫的損失率應(yīng)該與fes2的損失