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    工业上以黄铁矿为原料生产硫酸主要分为三个阶段进行,即煅烧、催化氧化、吸收.请回答下列个问题:
    魔方格

    (1)煅烧黄铁矿形成的炉气必须经除尘、洗涤、干燥后进入______(填设备名称),其主要目的是______.
    (2)催化氧化所使用的催化剂钒触媒(V2O5)能加快二氧化硫氧化速率,此过程中产生了一连串的中间体(如图1).其中a、c二步的化学方程式可表示为:______、______.
    (3)550℃时,SO2转化为SO3的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图2所示.则:将2.0mol SO2和1.0mol O2置于5L密闭容器中,反应达平衡后,体系总压强为0.10M Pa.该反应的平衡常数等于______.A与B表示不同压强下的SO2转化率,通常情况下工业生产中采用常压的原因是______.
    (4)为循环利用催化剂,科研人员最新研制了一种离子交换法回收钒的新工艺,
    回收率达91.7%以上.已知废钒催化剂中含有V2O5、VOSO4及不溶性残渣.查阅资料知:VOSO4可溶于水,V2O5难溶于水,NH4VO3难溶于水.该工艺的流程如图.
    魔方格

    则:反应①②③④中属于氧化还原反应的是______(填数字序号),反应①的离子方程式为______.该工艺中反应③的沉淀率(又称沉矾率)是回收钒的关键之一,沉钒率的高低除受溶液pH影响外,还需要控制氯化铵系数(NH4Cl加入质量与料液中V2O5的质量比)和温度.根据下图试建议控制氯化铵系数和度:______、______.
    魔方格

    本题信息:2011年常州三模化学问答题难度一般 来源:未知
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本试题 “工业上以黄铁矿为原料生产硫酸主要分为三个阶段进行,即煅烧、催化氧化、吸收.请回答下列个问题:(1)煅烧黄铁矿形成的炉气必须经除尘、洗涤、干燥后进入__...” 主要考查您对

氧化还原反应的本质和特征

氧化还原反应的定义

工业制硫酸

化学平衡的有关计算

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  • 氧化还原反应的本质和特征
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氧化还原反应的本质:
电子的转移(得失或偏移)

氧化还原反应的特征:
化合价升降(某些元素化合价在反应前后发生变化,是氧化还原反应判别的依据)

氧化还原反应的发展史:

  1. 物质与氧气发生的反应属于氧化反应,含氧化合物中氧被夺去的反应属于还原反应。
  2. 有化合价升降的反应属于氧化还原反应。
  3. 有电子得失或偏移的反应属于氧化还原反应。

对物质的认识存在发展的过程,从最初的隔离开的氧化反应、还原反应,到从表面上看化合价变化的氧化还原反应,把氧化与还原统一在一个概念下,再透过现象看本质,化合价的变化是有电子得失或偏移引起的。


氧化还原反应中应注意的几个问题:

 1、氧化剂氧化性的强弱,不是看得电子的多少,而是看得电子的难易;
  还原剂还原性的强弱,不是看失电子的多少,而是看失电子的难易。
  eg:氧化性:浓HNO3>稀HNO3还原性:Na>Al

2、有新单质参加或生成的反应不一定是氧化还原反应  eg:C(金刚石)==C(石墨);3O2==2O3(放电);P4(白磷)==4P(红磷)

3、任何元素在化学反应中,从游离态变为化合态,或由化合态变为游离态,均发生氧化还原反应(比如置换反应,化合反应,分解反应)

4、置换反应一定是氧化还原反应,复分解反应一定不是氧化还原反应;有单质参加的化合反应和有单质生成的分解反应全部属于氧化还原反应。

5、元素具有最高价的化合物不一定具有强氧化性! eg.H3PO4、H2SiO3(或H4SiO4)两酸均无强氧化性但硝酸有强氧化性。


氧化还原的表示可用单线桥也可用双线桥:

一、双线桥法:

此法不仅能表示出电子转移的方向和总数,还能表示出元素化合价升降和氧化、还原关系。双线桥的箭头始于反应物有关元素的原子或离子,箭头指向发生化合价变化后生成物中对应元素的原子或离子或原子团。

标变价   明确标出所有发生氧化还原反应的元素的化合价,不变价的元素不标化合价。

连双线  将标化合价的同一元素用直线加箭头从反应物指向生成物(注意:箭头的起止一律对准各元素)

标得失  1.标电子转移或偏离数   明确标出得失电子数,格式为“得/失发生氧化还原反应原子个数×单位原子得失电子数”   

                   2.标化合价变化   一律标出化合价的变化,只有“化合价升高”“化合价降低”这两种写法,不可写为“升价”“降价”等   

                   3.标出元素反应类型   一律标出元素所发生的反应,“被氧化”或“被还原”,其余写法均不正确   

                   4.检查得失电子守恒   检查得失电子数是否相等,如不相等则重新分析。

例如:

二、单线桥法:

在氧化还原反应中,有电子发生转移(得失或偏移),也就是在反应物中有元素电子发生得失或偏移,这时用一条带箭头的曲线从失去电子的元素指向得到电子的元素,并在“桥”上标出转移的电子数,这种表示方法叫单线桥法。

(1)标价态明确标明发生氧化还原反应的元素的化合价

(2)连单线连接方程式左边的氧化剂与还原剂,箭头一律指向氧化剂

 (3)不注得失标出转移的电子的总数,这里不用像双线桥那样,仅需直接标出电子总数

例如:

注意事项: 

(1)不得标明"得"或"失",否则是错的

(2)箭头表示电子转移的方向,指向氧化剂注意:为了规范起见,单线桥法最好不用于自身氧化还原的反应,因为那样标记会使反应中的电子去向不明确,故在自身氧化还原的反应方程式中最好用双线桥法表示电子转移。


氧化还原反应:
有电子转移(得失或偏移)的反应;(无电子转移(得失或偏移)的反应为非氧化还原反应)

反应历程:
氧化还原反应前后,元素的氧化数发生变化。根据氧化数的升高或降低,可以将氧化还原反应拆分成两个半反应:氧化数升高的半反应,称为氧化反应;氧化数降低的反应,称为还原反应。氧化反应与还原反应是相互依存的,不能独立存在,它们共同组成氧化还原反应。


氧化还原反应中存在以下一般规律:

强弱律:氧化性:氧化剂>氧化产物;
还原性:还原剂>还原产物。
价态律:元素处于最高价态,只具有氧化性;元素处于最低价态,只具有还原性;处于中间价态,既具氧化性,又具有还原性。
转化律:同种元素不同价态间发生归中反应时,元素的氧化数只接近而不交叉,最多达到同种价态。
优先律:对于同一氧化剂,当存在多种还原剂时,通常先和还原性最强的还原剂反应。守恒律:氧化剂得到电子的数目等于还原剂失去电子的数目。

氧化还原性的强弱判定:

物质的氧化性是指物质得电子的能力,还原性是指物质失电子的能力。物质氧化性、还原性的强弱取决于物质得失电子的能力(与得失电子的数量无关)。从方程式与元素性质的角度,氧化性与还原性的有无与强弱可用以下几点判定:
(1)从元素所处的价态考虑,可初步分析物质所具备的性质(无法分析其强弱)。最高价态——只有氧化性,如H2SO4、KMnO4中的S、Mn元素;最低价态,只有还原性,如Cl-、S2-等;中间价态——既有氧化性又有还原性,如Fe、S、SO2等。
(2)根据氧化还原的方向判断:氧化性:氧化剂>氧化产物;还原性:还原剂>还原产物。
(3)根据反应条件判断:当不同的氧化剂与同一种还原剂反应时,如氧化产物中元素的价态相同,可根据反应条件的高、低进行判断,如是否需要加热,是否需要酸性条件,浓度大小等等。


电子的得失过程:


其过程用核外电子排布变化情况可表示为:


工业制硫酸的方法:

(1)硫铁矿制酸硫铁矿在沸腾焙烧炉内通空气燃烧产生SO2气体,经余热锅炉回收热量后,依次通过旋风除尘和电除尘进行干法除尘。随后,炉气再通过洗涤、冷却、除雾等一系列的净化操作进入干燥塔。干燥后的炉气用主鼓风机压送至一转一吸或两转两吸制酸装置内制取硫酸。其反应如下:

(2)硫磺制酸反应时生成的热传递给进入接触室的需要预热的浓和气体并冷却反应后生成的气体(即热交换过程)熔融硫磺在焚硫炉内用干燥空气燃烧产生SO2气体,经余热锅炉回收燃烧热后进入“一转一吸”或“两转两吸”制酸系统制取硫酸。其反应如下:

(3)冶炼烟气制酸主要利用有色金属铜、铅、锌、镍、钴等硫化矿在熔炼过程中产生的SO2烟气进行制酸。
其工艺流程除焙烧系统随有色金属硫化矿的焙烧工艺不同而有异外,其制酸工艺与沸腾炉炉气制酸相同。


硫酸的生产流程:

(1)原料工段原料处理能力要满足生产周转,与硫酸生产能力相匹配,能够满足焙烧工艺的进料工况条件结合矿源及工程,应着重考虑如下问题原料的卸车及转运方式、矿库的贮存能力(库容)、干燥及含尘尾气处理、块矿的破碎及筛分等。原料工段设置应尽量少进行固体物料的交叉,流程越简单越好。
(2)焙烧流程焙烧流程一般为:焙烧炉—废热锅炉—旋风除尘器—电除尘器,也可以不设旋风除尘器。这种流程非常紧凑,但电除尘器需专门设计且操作管理要求较高。为了尽可能使工艺技术和设备制造立足国内,增加装置操作的可靠性,使用国内的电除尘器,则倾向于设置旋风除尘器。一般采用增湿输送的干法排渣,有刮板输送机—冷却滚筒(增湿)一带式输送机流程和冷却滚筒+冷却滚筒(增湿)—带式输送机两种流程,目前设计倾向于使用后一种流程。
(3)净化流程大型硫酸装置选择酸洗净化流程。国内大型装置空塔流程居多,即空塔(增湿塔)—填料冷却塔(稀酸板式换热器)一两级电除雾器。近十多年来我国投产的硫铁矿制酸酸洗净化流程绝大多数使用此流程,亦是比较容易掌握的流程。近年来冶炼烟气制酸选择动力波洗涤器代替空塔居多,国内有关专家认为,动力波洗涤器特别适用于烟气量波动比较大的情况,效果较好,但压降较大,对气量均衡稳定的硫铁矿制酸并无明显优势。
(4)干吸流程干吸流程有塔槽一体化流程、三塔一槽流程、三塔两槽流程和三塔三槽流程。塔槽一体化即干燥塔、一吸塔、二吸塔均不设外部泵槽,由各塔的底部分别存液,循环泵设于塔外的管道上,国内比较典型的为贵州瓮福2×400kt/a硫铁矿制酸装置。塔槽一体化省去了泵槽和很多的管线,使得工艺流程简单、设备布置紧凑,有一定的优越性,但在设计时要考虑泵的密封,特别是一吸循环泵。目前,国内设计多采用三塔两槽流程,又以干燥塔一个循环槽.两吸收塔共用一个循环槽居多。干吸塔普遍使用不锈钢槽管式分酸器及大规格填料,可大幅增加分酸点,降低填料高度,优化塔的操作状况,提高塔的操作效率,塔的顶部装设高效除雾器。
(5)转化流程转化工序基本采用两转两吸流程,国内“2+2”,“3+2”,“3+1”几种流程都有,但目前采用较多的是,“3+1”流程,配套换热流程有ⅢⅠ—ⅣⅡ和ⅣⅠ—ⅢⅡ等,设计选择较多的ⅢⅠ—ⅣⅡ根据系统热平衡计算,可以考虑设置热管省煤器。转化系统的流程和设计参数的选择,实际上是系统的优化问题,需与所用催化剂和所用设备情况综合考虑,应尽量提高一转化的转化率,使尾气排放更容易达到日益严格的环保要求。
(6)生产硫酸流程图
 
化学平衡计算的一般思路和方法:

有天化学平衡的计算一般涉及各组分的物质的量、浓度、转化率、百分含量,气体混合物的密度、平均摩尔质量、压强等。通常的思路是写出反应方程式,列出相关量(起始量、变化量、平衡量),确定各量之间的火系,列出比例式或等式或依据平衡常数求解,这种思路和方法通常称为“三段式法”、如恒温恒压下的反应mA(g)+nB(g)pC(g)+ qD(g)
(1)令A、B的起始物质的量分别为amol,bmol 达到平衡后,A的消耗量为m·xmol,容器容积为VL。

则有:

(2)对于反应物,对于生成物
(3)
(4)A的转化率
(5)平衡时A的体积(物质的量)分数

(6)
(7)
(8)

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