Question

7．工業(yè)上以黃鐵礦為原料生產(chǎn)硫酸主要分為三個階段進(jìn)行，即煅燒、催化氧化、吸收．請回答下列問題：
（1）煅燒黃鐵礦形成的爐氣必須經(jīng)除塵、洗滌、干燥后進(jìn)入接觸室（填設(shè)備名稱），其主要目的是防止催化劑中毒．
（2）催化氧化所使用的催化劑釩觸媒（V₂O₅）能加快二氧化硫氧化速率，此過程中產(chǎn)生了一連串的中間體（如圖1）．其中a、c二步的化學(xué)方程式可表示為：SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄、4VOSO₄+O₂?2V₂O₅+4SO₃．
（3）550℃時，SO₂轉(zhuǎn)化為SO₃的平衡轉(zhuǎn)化率（α）與體系總壓強(qiáng)（p）的關(guān)系如圖2所示．則：將2.0mol SO₂和1.0mol O₂置于5L密閉容器中，反應(yīng)達(dá)平衡后，體系總壓強(qiáng)為0.10M Pa．A與B表示不同壓強(qiáng)下的SO₂轉(zhuǎn)化率，通常情況下工業(yè)生產(chǎn)中采用常壓的原因是使用常壓SO₂就可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率．
（4）為循環(huán)利用催化劑，科研人員最新研制了一種離子交換法回收釩的新工藝，回收率達(dá)91.7%以上．已知廢釩催化劑中含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性殘渣．查閱資料知：VOSO₄可溶于水，V₂O₅難溶于水，NH₄VO₃難溶于水．該工藝的流程如圖3．
則：反應(yīng)①②③④中屬于氧化還原反應(yīng)的是①②（填數(shù)字序號），反應(yīng)①的離子方程式為V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O．該工藝中反應(yīng)③的沉淀率（又稱沉礬率）是回收釩的關(guān)鍵之一，沉釩率的高低除受溶液pH影響外，還需要控制氯化銨系數(shù)（NH₄Cl加入質(zhì)量與料液中V₂O₅的質(zhì)量比）和溫度．根據(jù)如圖4試建議控制氯化銨系數(shù)和溫度：4、80℃．

Answer 1

分析 （1）煅燒黃鐵礦形成的爐氣主要是二氧化硫氣體，進(jìn)入接觸室前必須對氣體繼續(xù)除塵、洗滌、干燥，防止催化劑中毒，影響催化氧化的效果；
（2）根據(jù)催化劑參與反應(yīng)過程生成的中間產(chǎn)物，分析催化劑參與反應(yīng)，最終重新生成來書寫化學(xué)方程式；
（3）壓強(qiáng)的增加引起SO₂轉(zhuǎn)化率的變化并不明顯，所以工業(yè)上直接采用常壓；
（4）根據(jù)流程中釩元素的存在化合物中的化合價的變化，判斷出發(fā)生氧化還原反應(yīng)的是①②；反應(yīng)①是利用亞硫酸鈉在酸性溶液中的還原性把難溶的V₂O₅轉(zhuǎn)化為易溶于水的VOSO₄便于釩的提��；根據(jù)圖1和圖2分析坐標(biāo)系中的表示含義，結(jié)合圖②中的沉礬率在80度C時最大，約為98%，在圖①中找到對應(yīng)沉礬率98%下的控制氯化銨系數(shù)為4．

解答 解：（1）以黃鐵礦為原料生產(chǎn)硫酸主要分為三個階段進(jìn)行，即煅燒、催化氧化、吸收；其中二氧化硫的催化氧化在催化劑表面和空氣中的氧氣接觸反應(yīng)，若氣體中含有雜質(zhì)氣體容易使催化劑中毒，所以煅燒黃鐵礦形成的爐氣必須經(jīng)除塵、洗滌、干燥，故答案為：接觸室，防止催化劑中毒；
（2）依據(jù)圖1中的轉(zhuǎn)化關(guān)系，V₂O₅參與反應(yīng)先做氧化劑把二氧化硫氧化為三氧化硫，本身被還原為圖中產(chǎn)物V₂O₄；根據(jù)氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)寫出并配平a步化學(xué)方程式SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄；C是VOSO₄轉(zhuǎn)化為SO₃，此過程需要重新生成催化劑V₂O₅，需要氧化劑完成，此過程中的氧化劑時氧氣，根據(jù)化合價的變化寫出C步化學(xué)方程式 4VOSO₄+O₂?2V₂O₅+4SO₃，故答案為：SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄；4VOSO₄+O₂?2V₂O₅+4SO₃ ；
（3）從圖象中可以看出，常壓SO₂就可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率，壓強(qiáng)的增加引起SO₂轉(zhuǎn)化率的變化并不明顯，所以工業(yè)上直接采用常壓，故答案為：使用常壓SO₂就可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率；
（4）依據(jù)離子交換法回收釩的新工藝流程圖分析反應(yīng)過程中：
①的目的是把難溶的五氧化二釩還原為溶于水的VOSO₄；
②的目的是用KClO₃還原為VOSO₄為（VO₂）₂SO₄；
③因為NH₄VO₃難溶于水，此步驟的目的是沉淀VO₃^-
④是分解NH₄VO₃得到V₂O₅；
工藝中反應(yīng)③的沉淀率（又稱沉礬率）是回收釩的關(guān)鍵之一，沉釩率的高低除受溶液pH影響外，還需要控制氯化銨系數(shù)（NH₄Cl加入質(zhì)量與料液中V₂O₅的質(zhì)量比）和溫度．根據(jù)圖示分析數(shù)據(jù)，80℃時沉礬率最高為98%，所以加NH₄Cl的系數(shù)從圖中讀出為4，故答案為：①②；V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；4和80℃．

點評 本題考查了工業(yè)制硫酸的生產(chǎn)步驟、原理應(yīng)用、注意問題，化學(xué)平衡的應(yīng)用和條件選擇，利用信息進(jìn)行判斷和書寫化學(xué)方程式的能力，圖象分析能力，提取釩元素的流程分析和氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用．