选修1 第一章 化学与工农业生产 知识点与典型题例

选修1 第一章 化学与工农业生产 知识点与典型题例考点1 硫酸生产中的化学原理1.化学反应速率和化学平衡原理(1)增大化学反应速率的措施：①升高温度。

②使用催化剂。

③在沸腾炉中燃料燃烧时，使原料粉碎，增大与空气的接触面积。

(2)反应条件的选择：①温度：400 ℃～500 ℃，根据平衡移动原理，应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采用400 ℃～500 ℃的温度。

②常压：根据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对SO 2的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下的转化率已很高，实际生产采用常压操作。

③适当过量的空气：目的是提高SO 2的转化率。

2．逆流原理沸腾炉中原料从炉顶落下，热空气从炉底吹入，使原料与助燃气体充分接触，反应进行彻底充分；吸收塔中使用大量耐酸瓷环(片)，浓硫酸从塔顶喷下，三氧化硫气体从塔底吹入，提高吸收程度。

3．热交换原理由于2SO 2＋O 22SO 3是放热反应，在接触室内使用热交换器，用反应后热的气体预热接触室的原料气，达到节约能源，降低生产成本的目的。

4．循环操作原理由于2SO 2＋O 22SO 3是可逆反应，尾气中还有一定量的SO 2和O 2，再通过一定措施将这部分气体送回接触室，提高原料利用率，同时减少废气排放。

5．工业生产中的有关计算(1)关系式法(多步计算的简捷运算方法)。

先写出多步反应的化学方程式，然后找出最初反应物和最终生成物之间的物质的量之比，列出关系式。

如由硫酸工业反应原理可推算出，理论上1 mol S 完全转化能生成1 mol H 2SO 4、1 mol FeS 2完全转化生成2 mol H 2SO 4，即S ～H 2SO 4，FeS 2～2H 2SO 4。

(2)元素守恒法。

原料中的某一关键元素理论上若全部转化为产物，则两物质中该元素的物质的量相等。

(3)常见量的计算公式：①矿物的纯度＝纯矿物的质量矿物的总质量×100%。

②原料利用率＝消耗原料的质量原料的总质量×100%。

③原料转化率＝原料利用率＝1－原料损失率。

④产率＝实际产量理论产量×100%。

⑤多步反应的总转化率＝各步反应转化率的乘积。

题组训练1.以黄铁矿为原料，采用接触法生产硫酸的流程如图所示：请回答下列问题：(1)在炉气制造中，生成SO 2的化学方程式为________________________________________________________________________。

(2)炉气精制的过程是将含SO 2的炉气________、________和干燥。

(3)精制炉气(含SO 2体积分数为7%、O 2为11%、N 2为82%)中SO 2平衡转化率与温度及压强关系如图所示。

在实际生产中，SO 2催化氧化反应的条件选择常压、450 ℃左右(对应图中A 点)，而没有选择SO 2转化率更高的B 或C 点对应的反应条件，其原因分别是__________、__________。

(4)在SO 2催化氧化设备中设置热交换器的目的是________、________，从而充分利用能源。

解析 (1)炉气制造过程中，黄铁矿(FeS 2)与空气中的O 2在高温下反应生成Fe 2O 3和SO 2。

(2)炉气中含有矿尘，砷、硒等化合物和水蒸气，如果不进行精制，则矿尘，砷、硒等化合物会使催化剂中毒，水蒸气的存在对生产和设备都有不良影响。

(3)B 点与A 点反应温度相同，但B 点压强是A 点的10倍。

增大压强虽然可提高SO 2的转化率，但1个大气压下SO 2的转化率已经达到97%左右，增大到10个大气压，SO 2的转化率提高的程度并不大，但增加压强，对设备的要求提高，消耗的动能增大，因此SO 2的氧化过程还是采用常压更经济。

C 点温度低于A 点，虽然C 点时SO 2的转化率高，但是温度降低反应速率减慢。

在450 ℃时，催化剂的反应活性最高，反应达到平衡的时间较短，因此选用450 ℃。

(4)热交换器可以把SO 2氧化过程中放出的热量用来预热进入接触室的气体，冷却生成的气体使反应进行得更完全。

答案 (1)4FeS 2＋11O 2=====高温2Fe 2O 3＋8SO 2(2)除尘 洗涤(3)不选择B 点，因为SO 2原料的转化率已很高，加压提高空间较小，但加压大幅度增加设备的投资和能源消耗 不选择C 点，因为温度越低，SO 2转化率虽然更高，但反应速率很慢，同时催化效果降低(4)利用反应放出的热量预热原料气 上层反应气经热交换器温度降到400～500 ℃进入下层使反应更加完全1.合成氨工业流程2．合成氨原料气的制备(1)N 2的制备。

物理方法：使空气先液化，后蒸发。

化学方法：先让空气与碳作用，然后除去CO 2。

(2)H 2的制备。

来源于水和燃料(焦炭、天然气、石油等)。

C ＋H 2O(g)=====△CO ＋H 2CO ＋H 2O(g)催化剂△CO 2＋H 2CH 4＋H 2O(g)=====催化剂CO ＋3H 2 N 2(g)＋3H 2(g)2NH 3(g) 2.Ⅰ.污水经过一级、二级处理后，还含有少量Cu 2＋、Hg 2＋、Pb 2＋等重金属离子，可加入沉淀剂使其沉淀。

下列物质不能作为沉淀剂的是________(双选)。

A ．氨水B ．硫化氢气体C ．硫酸钠溶液D ．纯碱溶液Ⅱ.合成氨的流程示意图如下：回答下列问题：(1)工业合成氨的原料是氮气和氢气。

氮气是从空气中分离出来的，通常使用的两种分离方法是______________________，______________________；氢气的来源是水和碳氢化合物，写出分别采用煤和天然气为原料制取氢气的化学反应方程式______________________，______________________；(2)设备A 中含有电加热器，铁触媒和热交换器，设备A 的名称是____________________，其中发生的化学反应方程式为____________________；(3)设备B 的名称是________________________，其中m 和n 是两个通水口，入水口是________(填“m”或“n”)。

不宜从相反方向通水的原因是________________________________________；(4)设备C 的作用是________________________；(5)在原料气制备过程中混有的CO 对催化剂有毒害作用，欲除去原料气中的CO ，可通过如下反应来实现：CO(g)＋H 2O(g)CO 2(g)＋H 2(g)已知 1 000 K 时该反应的平衡常数K ＝0.627，若要使CO 的转化率超过90%，则起始物中c (H 2O)c (CO)不低于________________。

解析 Ⅰ.选项A ，加氨水会有络合离子生成，不可能全都生成沉淀。

选项B ，H 2S 与重金属离子均能生成沉淀。

选项C ，加入Na 2SO 4溶液，Cu 2＋不能生成沉淀，不符合要求。

选项D ，加入纯碱，可调节溶液的pH ，可使重金属离子全部沉淀。

Ⅱ.(1)根据空气中N 2和O 2的熔沸点不同，可以采用液化、分馏方法从空气中分离出N 2，也可以用空气与碳反应后除去CO 2的方法从空气中分离出N 2；利用煤和天然气都可以制取H 2，其反应的化学方程式分别为C ＋H 2O=====高温CO ＋H 2和CH 4＋H 2O =====高温催化剂CO ＋3H 2。

(2)合成氨的设备为合成塔，在合成塔中发生的反应为N 2＋3H 2高温、高压催化剂2NH 3。

(3)设备B 是冷却塔(或冷凝器)，冷却塔中下端n 为进水口，上端m 为出水口，因为高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好。

(4)使用装置C 的作用是将液氨与未反应的原料气分离。

(5)设CO 、H 2O 起始物质的量浓度分别为x 和y ，按CO 的转化率为90%计算，则CO(g)＋H 2O(g) CO 2(g)＋H 2(g)起始浓度： x y 0 0转化浓度： 0.9x 0.9x 0.9x 0.9x平衡浓度： 0.1x y －0.9x 0.9x 0.9x根据K ＝(0.9x )20.1x ·(y －0.9x )＝0.627，求得y x ＝13.8。

只要y x 不低于13.8，则CO 的转化率会超过90%。

答案 Ⅰ.ACⅡ.(1)液化、分馏 与碳反应后除去CO 2C ＋H 2O=====高温CO ＋H 2CH 4＋H 2O =====高温催化剂CO ＋3H 2(2)合成(氨)塔N 2＋3H 2高温、高压催化剂2NH 3(3)冷却塔(或冷凝器) n 高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好(4)将液氨与未反应的原料气分离(5)13.81.原料氨碱法：食盐、氨气、石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳)。

联合制碱法：食盐、氨气、二氧化碳(合成氨厂的废气)。

2．主要反应原理二者基本相同：NaCl ＋NH 3＋CO 2＋H 2O===NaHCO 3↓＋NH 4Cl2NaHCO 3=====△Na 2CO 3＋CO 2↑＋H 2O3．生产过程第一步：二者基本相同；将NH 3通入饱和食盐水形成氨盐水，再通入CO 2生成NaHCO 3沉淀，经过滤、洗涤得到NaHCO 3微小晶体，再煅烧制得纯碱产品，其滤液是含有NH 4Cl 和NaCl 的溶液。

第二步：氨碱法：NaHCO 3分解放出的CO 2(2NaHCO 3=====△Na 2CO 3＋CO 2↑＋H 2O)、滤液(含NH 4Cl)与石灰乳混合加热产生的氨气回收循环使用[CaO ＋H 2O===Ca(OH)2、2NH 4Cl ＋Ca(OH)2=====△CaCl 2＋2NH 3↑＋2H 2O]。

联合制碱法：在低温条件下，向滤液中加入细粉状的氯化钠，并通入氨气，可以使氯化铵单独结晶沉淀析出，经过滤、洗涤和干燥即得氯化铵产品。

此时滤出氯化铵沉淀后所得的滤液，已基本上是氯化钠的饱和溶液，可循环使用。

4．综合评价(1)氨碱法：①优点：原料(食盐和石灰石)便宜；产品纯碱的纯度高；副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用；制造步骤简单，适合于大规模生产。

②缺点：原料食盐的利用率低，大约70%～74%，其余的食盐随CaCl 2溶液作为废液被抛弃；过程中产生了没多大用途且难以处理的CaCl 2。

(2)联合制碱法：使食盐的利用率提高到96%以上，应用同量的食盐比氨碱法生产更多的纯碱。

另外它综合利用了合成氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子，同时生产出两种可贵的产品——纯碱和氯化铵；过程中不生成没多大用途、又难以处理的CaCl 2，减少了对环境的污染，并且大大降低了纯碱和氮肥的成本，充分体现了大规模联合生产的优越性。