火法炼锌是将闪锌矿(主要含ZnS)焙烧使它转化为氧化锌,再把氧化锌和焦炭混合,在鼓风炉中加热至1100-1300℃,使锌蒸馏出来(设空气中N2、02的体积分数分别为0.8、0.2).主要反应为:
焙烧炉中:2ZnS(s)+3O2→2ZnO(s)+2SO2 (g) ①
鼓风炉中:2C(s)+O2 (g)→2C0(g) ②
鼓风炉中:ZnO(s)+CO(g)⇌Zn(g)+CO2(g) ③
(1)ZnS质量分数为62%的闪锌矿(杂质不含锌)锌的质量分数为______%(保留小数点后一位数字).
(2)焙烧炉产生的炉气中SO2的体积分数不超过______%(保留小数点后一位数字).
(3)鼓风炉容积固定,炉内部分气态物质物质的量浓度(mol/L)变化如下:
时间/min | C0 | Zn | CO2 |
0 | 0.11 | 0 | 0 |
2 | 0.1 | 0.01 | 0.01 |
3 | 0.01 | 0.1 | 0.1 |
4 | 0.01 | 0.1 | 0.1 |
(4)若ZnS全部转化为Zn.焙烧炉出来的N2、O2、SO2的混合气体中N2占82.5%,鼓风炉中C0的转化率为62.5%,而O2无剩余.则每生产1molZn,应向焙烧炉和鼓风炉中鼓入新鲜空气共为______L(STP).
(1)ZnS中锌的质量分数ω(Zn)=
=65 65+32 65 97
闪锌矿中锌的质量分数为62%×ω(Zn)=62%×
=41.5%65 97
故答案为:41.5
(2)假定有2molZnS,最少通入3molO2,根据方程式2ZnS(s)+3O2→2ZnO(s)+2SO2 (g) 可知,生成的SO2的物质的量为2mol;未参加反应的N2的物质的量为3mol×4=12mol.此时SO2的体积分数为
×100%=14.3%.实际通入的空气要多,故SO2的体积分数不超过14.3%.2mol 2mol+14mol
故答案为:14.3
(3)由表可知,3min时,反应达平衡,此时C0的平衡浓度为0.01mol/L,
所以C0的总转化率为
×100%=90.9%.0.11mol/L-0.01mol/L 0.11mol/L
令需焦炭质量为mg,实际利用的为89%mg,由方程式可得,关系式ZnO(s)~C(s),所以n(ZnO)=n(C),
即
=1,解得m=12.2589%mg 12g/mol
故答案为:90.9%;12.25
(4)设焙烧炉中消耗空气的物质的量为5x,鼓风炉中消耗空气物质的量为5y
则:2C+O2=2CO; ZnO(s)+CO(g)=Zn(g)+CO2(g).
y 2y 2y×62.5% 1mol
所以2y×62.5%=1mol
解得 y=0.8mol,所以 5y=4mol
2ZnS+3O2=2ZnO+2SO2 △n,
2mol 1mol
1mol 0.5mol
所以4x/(5x-0.5mol)=82.5%
解得 x=3.3mol,所以 5x=16.5mol
所以5x+5y=4mol+16.5mol=20.5mol
V(空气)=20.5mol×22.4L•mol-1=459.2L
故答案为:459.2L