2019-2020年高中化學（大綱版）第三冊 第五單元 硫酸工業(yè) 第一節(jié)接觸法制硫酸(第二課時).doc

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2019-2020年高中化學（大綱版）第三冊 第五單元 硫酸工業(yè) 第一節(jié)接觸法制硫酸(第二課時) ［引言］上節(jié)課我們學習了工業(yè)制硫酸的反應原理并簡單了解了其生產(chǎn)流程。同時還認識了其中的一個生產(chǎn)設備——沸騰爐。本節(jié)課我們就在此基礎上來進一步認識工業(yè)生產(chǎn)硫酸的生產(chǎn)設備及工藝流程。 ［板書］第一節(jié) 接觸法制硫酸(第二課時) 三、生產(chǎn)設備及工藝流程 ［師］上節(jié)所學沸騰爐中的工藝我們可簡單表示如下： ［板書］ ［過渡］從沸騰爐出來的爐氣經(jīng)凈化、干燥后便進入硫酸生產(chǎn)的第二階段，即氧化階段。 下面，我們就來分析一下SO2轉化為SO3的反應條件。 ［講解］根據(jù)化學反應原理，二氧化硫的氧化是在催化劑存在條件下進行的，目前工業(yè)生產(chǎn)上采用的是釩催化劑。二氧化硫同氧氣在釩催化劑表面上與其接觸時發(fā)生反應，所以，工業(yè)上將這種生產(chǎn)硫酸的方法叫做接觸法制硫酸。 二氧化硫發(fā)生催化氧化的熱化學方程式為： ［提問］SO2的接觸氧化在什么條件下反應可提高SO2的轉化率？ ［師］請大家根據(jù)所學知識進行回答 ［生］SO2的氧化為一可逆反應。根據(jù)勒夏特列原理，加壓、降溫有利于SO2轉化率的提高。 ［教師評價］回答得很好！ ［問］對于工業(yè)生產(chǎn)來講，假如原料轉化率很高，但反應速率卻很慢，這樣的生產(chǎn)有無意義呢？ ［學生搖頭］沒有！ ［師］從我們剛才的分析結論可知，SO2的氧化在低溫下進行可有利于SO2轉化率的提高，但這對反應的速率將有何影響呢？ ［生］使化學反應速率減慢！ ［想一想］應該怎樣解決上述矛盾？ ［教師提示：可聯(lián)想工業(yè)制NH3的有關知識］ ［生恍然大悟］找一個折中的辦法，即既要使SO2的轉化率不太低，又要使反應的速率不太慢。 ［師］很好，下面是一組實驗數(shù)據(jù)，請大家分析。 ［投影］ 同溫度下SO2的平衡轉化率 ［原料氣成分(體積分數(shù))：SO2 7%，O2 11%，N2 82%；壓強：0.1 MPa］ ［問］你們認為溫度控制在什么范圍比較合適呢？說出理由。 ［學生各抒己見］ ［小結］由大家剛才的發(fā)言并結合實際情況，可知溫度在400℃～500℃的范圍內(nèi)比較合適，這是因為：二氧化硫的轉化率在此溫度下已比較理想，且滿足催化劑的活性溫度(為 430℃～600℃)，同時化學反應的速率又不會太慢。綜合考慮以上因素，我們在實際生產(chǎn)中選定400℃～500℃作為操作溫度。 ［板書］反應條件：溫度400℃～500℃ ［師］下面是壓強對SO2平衡轉化率的影響。請大家分組討論，綜合多種因素選擇SO2接觸氧化的合適壓強。 ［投影］ 壓強對SO2平衡轉化率的影響 (原料氣成分同上表) ［學生分組討論，并宣布討論結果］ ［小結］通過剛才的討論并結合以上數(shù)據(jù)可以看出，常壓下400℃～500℃時，二氧化硫的轉化率已經(jīng)很高。加壓雖然可以提高平衡轉化率，但加壓需要增加動力，經(jīng)濟上并不合算，一般工廠都采用常壓法生產(chǎn)。 ［板書］壓強：常壓 ［講解］硫酸工業(yè)生產(chǎn)的最佳工藝條件選定后，接下來要考慮的是反應器。反應器是進行化學反應的場所，反應器的結構，操作方式都要盡可能地使反應能在工藝條件所規(guī)定的參數(shù)下進行。二氧化硫氧化反應器現(xiàn)在多采用的是接觸室。我們來看一下接觸室的結構。 ［板書］接觸室 ［展示］接觸法制硫酸接觸室模型 ［結合教具講解］接觸室采用了上下兩層催化劑，中部安裝熱交換器的結構。 ［板書］結構：上下兩層催化劑 中部安裝熱交換器 ［過渡］我們首先來認識一下熱交換器。 ［投影］一種熱交換器示意圖及介紹 熱交換器是化學工業(yè)里廣泛應用的熱交換設備，它有多種形式。在多數(shù)熱交換器內(nèi)部，裝有許多平行的管道或蛇管，以擴大傳熱面，提高熱交換效果。一種流體在管道內(nèi)流動，另一種流體在管道外流動。兩種流體通過管壁進行熱交換，熱的流體得到冷卻，冷的流體得到加熱。右圖是一種常見的熱交換器。 一種熱交換器示意圖 ［過渡］二氧化硫在接觸室里是如何氧化成三氧化硫的呢？ ［講解］經(jīng)過凈化、干燥的爐氣，通過接觸室中部的熱交換器被預熱到400℃～500℃,通過上層催化劑被第一次氧化，因為二氧化硫的催化氧化是放熱反應，隨著反應的進行，反應環(huán)境的溫度會不斷升高，這不利于三氧化硫的生成。接觸室中部安裝的熱交換器正是把反應生成的熱傳遞給接觸室里需要預熱的爐氣，同時降低反應后生成氣體的溫度，使之通過下層催化劑被第二次氧化。這是提高可逆反應轉化率的一種非常有效的方法。 ［過渡］二氧化硫在接觸室里經(jīng)過催化氧化后得到的氣體含三氧化硫一般不超過10%，其余為N2、O2及少量二氧化硫氣體。這時進入硫酸生產(chǎn)的第三階段，即成酸階段。其反應的熱化學方程式為： ［板書］SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l);ΔH=－130.3 kJ/mol ［過渡］從反應原理上看，硫酸是由三氧化硫跟水化合制得的。事實上，工業(yè)上卻是用98.3%的濃H2SO4來吸收SO3的，為什么要這樣操作呢？請大家參閱課本。 ［學生閱讀課本］ ［講解］從理論上講，三氧化硫轉化為硫酸有二種途徑：一種是三氧化硫被硫酸水溶液吸收，與水溶液中的水發(fā)生反應生成硫酸。SO3(g)＋H2O(l) H2SO4(l),ΔH＜0,這是一個可逆放熱反應。在常溫下，這一反應轉化率極高，可以認為是不可逆的。決定這一反應轉化率的實際上是混合氣體中三氧化硫被硫酸水溶液吸收的吸收率?；旌蠚庵腥趸蚴菤鈶B(tài)，分子運動速率極快，有足夠的吸收機會，使吸收率達到99.9%。另一途徑是硫酸與水蒸氣發(fā)生反應生成包含雜質(zhì)氣體的酸霧。由于三氧化硫與水的化合是放熱反應，在生產(chǎn)條件下，反應器中有大量水蒸氣。而三氧化硫氣體一旦形成酸霧，它很少有機會被液體捕捉，而是隨不溶性氣體一起排到大氣。根據(jù)生產(chǎn)目的，在工藝上促進第一種吸收途徑，抑制第二種吸收途徑。因此，實際生產(chǎn)中，用98.3%的濃硫酸作為吸收劑吸收三氧化硫。 ［板書］1.用98.3%的濃H2SO4作吸收劑。 ［過渡］工業(yè)上為實現(xiàn)這一生產(chǎn)過程，采用的反應器是“吸收塔”。 ［板書］3.吸收塔 ［過渡］我們來看一下吸收塔示意圖 ［投影］ ［講解］為增大SO3跟98.3%的濃硫酸的接觸面積，強化吸收過程，在吸收塔中，安裝大量耐酸瓷環(huán)，并采用了逆流的吸收方式，三氧化硫從塔底通入，98.3%的濃硫酸從塔頂噴下，硫酸吸收三氧化硫后，濃度增至98.8%，溫度升高20℃～30℃。然后從塔底排出，經(jīng)冷卻，稀釋，即得成品。 ［討論］1.從吸收塔里排出的尾氣有哪些成分，能直接排放到空氣中嗎？ 2.尾氣應如何處理？ ［學生回答，教師總結］從吸收塔排出的氣體主要有N2、O2，少量二氧化硫，若直接排放到空氣中，會造成嚴重的污染，同時也會造成原料的浪費。因此應將上述氣體再次通入接觸室進行二次氧化，然后進一步吸收。也可用NH3吸收SO2以生產(chǎn)亞硫酸銨，或用堿吸收后，再通過加酸生產(chǎn)高濃度二氧化硫和硫酸銨。 ［板書］2.尾氣回收利用。 ［小結］本節(jié)我們學習了接觸法制硫酸的生產(chǎn)設備及工藝流程，請同學來描述一下從原料到成品硫酸的生產(chǎn)過程。 ［投影］ ［學生回答］(教師結合投影糾錯、補充) ［總結］從硫酸的工業(yè)生產(chǎn)來看，化學反應原理是化工生產(chǎn)的基礎，生產(chǎn)過程是為實現(xiàn)化學反應服務的，而生產(chǎn)設備是為實現(xiàn)生產(chǎn)過程服務的。這個邏輯關系是我們學習化工知識的基本思路。在本節(jié)里，我們討論了如何優(yōu)化工藝條件，達到生產(chǎn)最佳狀態(tài)，但這僅僅是復雜的工業(yè)生產(chǎn)中很少的一部分，要想進一步了解復雜的生產(chǎn)工藝，就需要我們現(xiàn)在刻苦學習，爭取深造的機會。 ●板書設計 第一節(jié) 接觸法制硫酸(第二課時) 四、生產(chǎn)設備及工藝流程 ●教學說明 本節(jié)是學習化工生產(chǎn)知識的最后一部分，通過本節(jié)的學習，要使學生初步掌握學習化工知識的基本思路，即化學反應原理是化工生產(chǎn)的基礎，生產(chǎn)過程為實現(xiàn)化學反應服務，而設備為實現(xiàn)生產(chǎn)過程服務。同時本節(jié)課又是理論聯(lián)系實際的典范。為此，本節(jié)課設計突出了以下幾點： 1.多啟發(fā)，提出啟發(fā)性問題，激發(fā)學生積極思考，培養(yǎng)其思維能力。 2.多討論，促進學生之間的交流與合作，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，使學生學習積極主動。 3.多分析，用學過知識分析實際問題，使學生感到有深度、有趣味，同時復習鞏固已學過的知識。 ●綜合能力訓練題 1.在硫酸的工業(yè)制法中，下列生產(chǎn)操作與說明生產(chǎn)操作的主要原因二者都是正確的是 A.硫鐵礦燃燒前需要粉碎，因為大塊的硫鐵礦不能燃燒 B.從沸騰爐出來的爐氣需凈化，因為爐氣中SO2會與雜質(zhì)反應 C.SO2氧化為SO3時需使用催化劑，這樣可以提高SO2的轉化率 D.SO3用98.3%的濃H2SO4吸收，目的是防止形成酸霧，以便使SO3吸收完全 解析：選項A中操作正確，但解釋不對，將礦石粉碎是使礦石與空氣的接觸面積增大，可以燃燒得更充分、更快。B項的說明不對，凈化的目的是防止爐氣中的雜質(zhì)和礦塵使催化劑中毒、失效。選項C的說明是錯誤的。催化劑的作用是縮短反應完成的時間。選項D正確。 答案：D 2.固體A、B都由兩種相同的元素組成，在A、B中兩元素的原子個數(shù)比分別為1∶1和1∶2，將A、B在高溫時煅燒，產(chǎn)物都是C(s)和D(g)。由D最終可制得E，E是非金屬元素顯＋6價的含氧酸，該非金屬元素形成的單質(zhì)通常是一種淡黃色晶體，E的稀溶液和A反應時生成G(g)和F(aq),G通入D的水溶液，有淡黃色沉淀生成。在F中滴入溴水后，加入KOH溶液有紅褐色沉淀生成，加熱時又能轉變?yōu)镚。根據(jù)上述事實回答： (1)A的化學式是_________，B的化學式是_________。 (2)寫出下列反應的化學方程式： 。 ①B煅燒生成C和D ②G通入D溶液中 ③向F中滴入溴水 解析：解答這道題的關鍵在于推出組成固體A和B的兩種元素。 第一步：根據(jù)E是非金屬元素顯＋6價含氧酸且該非金屬元素形成的單質(zhì)，通常是一種淡黃色固體，所以E是H2SO4。 第二步：A(或B) C＋D，D最終制得E，E＋AG↑＋F,G＋D淡黃色沉淀。該淡黃色沉淀必為S，進一步驗證E為H2SO4，A和B中均含S元素。 第三步：F紅褐色沉淀C,該紅褐色沉淀必為Fe(OH)3，因此C為Fe2O3,F為含F(xiàn)e2＋的溶液，A和B中均含F(xiàn)e元素。 答案：A為FeS,B為FeS2。 ①4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2 ②2H2S＋H2SO3===3S↓＋3H2O ③6FeSO4＋3Br2===2Fe2(SO4)3＋2FeBr3