问题 计算题

接触法制H2SO4的基本原理是:

①4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2

②2SO2+O2  2SO3

③SO3+H2O  H2SO4

其中排放的尾气含少量SO2,为防止污染大气,在排放前应设法进行综合利用。

(1)某硫酸厂每天排放10000m3(换算成标准状况下体积)尾气中含0.2%(体积分数)的SO2,问用NaOH溶液、石灰及氧气处理后,假设硫元素不损失,理论上可得到多少千克石膏(CaSO4·2H2O)?

(2)如果将一定体积的尾气通入100mL2mol·L-1的NaOH溶液使其完全反应,经测定所得溶液含16.7g溶质。试分析溶液的成分,并计算各成分的物质的量。

(3)工厂在尾气处理制石膏的过程中,中间产物是NaHSO3,调节尾气排放的流量,以取得SO2和NaOH间物质的量的最佳比值,从而提高NaHSO3的产量。现设n(SO2)、n(NaOH)、n(NaHSO3)分别表示SO2、NaOH、NaHSO3的物质的量,且=x,试写出x在不同取值范围时,n(NaHSO3)的值或n(NaHSO3)与n(SO2)、n(NaOH)间的关系式。

x=n(SO2)/n(NaOH)n(NaHSO3
  
  
  
   提示:该题取材于接触法制硫酸的过程中对废气SO2的处理,即消除了SO2对空气的污染,又使SO2得到综合利用。该题在能力要求上有一定的深度和坡度。第(1)步考查多步反应的计算,所发生的一系列反应较为复杂,但根据S元素守恒找出关系式,即可得出答案。第(2)步涉及平行反应中混合物的计算。反应方程式为2NaOH+SO2  Na2SO3+H2O;NaOH+SO2  aHSO3。根据题给条件,对上述反应运用极值假设法进行分析讨论。第(3)步考查计算题中范围讨论的基础知识,以及过量问题和平行反应的计算。

答案

   

   (1)设得CaSO4·2H2O的质量为y。

根据S元素守恒有:

SO2     ~      CaSO4·2H2O

22.4L               172g

104×103×0.2%L     y

y=153.6kg

(2)若溶质全为Na2SO3,则反应为

2NaOH+SO2  Na2SO3+H2O

m(Na2SO3)=126g·mol-1×2×mol=12.6g

若溶质全为NaHSO3,则根据反应

NaOH+SO2  NaHSO3

m(NaHSO3)=104g·mol-1×2×0.1mol=20.8g

由于20.8>16.7>12.6,所以溶质为Na2SO3和NaHSO3的混合液。

设混合物中NaHSO3的物质的量为m,Na2SO3的物质的量为n。

解法一:

解之,得:m=0.1mol,n=0.05mol

解法二:用配平方程式计算

(2n+m)NaOH+(m+n)SO2  nNa2SO3+mNaHSO3+nH2O

则有

m=0.1mol   n=0.05mol

(3)SO2通入NaOH溶液时可能发生的反应为

2NaOH+SO2  Na2SO3+H2O(Ⅰ)

NaOH+SO2  NaHSO3(Ⅱ)

①当x=时,反应按(Ⅰ)式进行,SO2全部反应,生成物皆为Na2SO3,故n(NaHSO3)=0。

②当x=≥1时,反应按(Ⅱ)式进行,NaOH全部反应,生成物全是NaHSO3,有n(NaHSO3)=n(NaOH)。

③当<x<1时,(Ⅰ)(Ⅱ)两个反应平行进行,NaOH与SO2两物质均耗尽,生成NaHSO3和Na2SO3的混合物。〔由(2)步的分析可有〕

n(NaHSO3)+2n(Na2SO3)=n(NaOH)   (Na+守恒)

n(Na2SO3)+n(NaHSO3)=n(SO2)      (S守恒)

解之,得n(NaHSO3)=2n(SO2)-n(NaOH)

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单项选择题