4.1.2 硫酸的工業(yè)制備和性質(zhì)學案2023-2024學年高一上學期化學蘇教版（2019）必修第一冊

新蘇教版高中化學必修1PAGEPAGE1第2課時硫酸的工業(yè)制備和性質(zhì)[核心素養(yǎng)發(fā)展目標]1.了解工業(yè)上制備硫酸的基本原理和濃硫酸的特性及應(yīng)用。2.從微觀結(jié)構(gòu)區(qū)分濃硫酸和稀硫酸化學性質(zhì)的不同，認識從量變到質(zhì)變的變化。3.認識科學探究的意義，樹立科學應(yīng)用化學物質(zhì)促進社會可持續(xù)發(fā)展的科學發(fā)展觀，培養(yǎng)學生的科學精神和社會責任。一、硫酸的工業(yè)制備1．硫酸的制備流程早在1000多年前，我國就已采用加熱膽礬(CuSO4·5H2O)或綠礬(FeSO4·7H2O)的方法來制取硫酸。目前工業(yè)制備硫酸主要采用接觸法，以硫鐵礦或硫黃為原料制備硫酸。接觸法制硫酸的主要設(shè)備和流程如圖：根據(jù)上圖回答下列問題：(1)填寫下列各進口或出口物質(zhì)的名稱：A：硫鐵礦(或硫黃)；B：爐渣；C：二氧化硫、氧氣；D：尾氣(SO2、O2)。(2)接觸法制硫酸分為三個階段，填寫下表：階段設(shè)備原料反應(yīng)的化學方程式①SO2沸騰爐硫鐵礦或硫黃4FeS2＋11O2eq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe2O3＋8SO2或S＋O2eq\o(=,\s\up7(點燃))SO2②SO3接觸室凈化后的SO2、空氣2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(催化劑),\s\do5(△))2SO3③H2SO4吸收塔SO3、98.3%的濃H2SO4SO3＋H2O=H2SO42.化學工業(yè)制備的要求(1)原料廉價且穩(wěn)定，最好能結(jié)合本地地理環(huán)境的優(yōu)勢資源，以降低運輸成本。(2)從環(huán)保、成本等角度選擇合適的化學反應(yīng)，設(shè)計合理的反應(yīng)裝置，對原料進行粉碎等預(yù)處理，使得原料盡可能地被富集，保證在反應(yīng)中能充分接觸。(3)制備流程簡單高效，能耗低，反應(yīng)放出的熱量和剩余物質(zhì)盡可能加以循環(huán)利用，生成的副產(chǎn)物較少。(4)制備過程綠色環(huán)保，沒有使用或生成對環(huán)境有害的物質(zhì)，若有，須對有害物質(zhì)進行無害化處理。(1)接觸法制硫酸時，把硫鐵礦投入沸騰爐前粉碎，是為了使其與O2充分接觸，使反應(yīng)加快()(2)為了防止催化劑中毒，從沸騰爐中出來的氣體進入接觸室前需先凈化()(3)為了使SO3被濃硫酸充分吸收，吸收塔中濃硫酸采用從上向下噴()(4)接觸室中安裝熱交換器，可以使反應(yīng)過程中放出的熱量得到充分利用()(5)2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(催化劑),\s\do5(△))2SO3，反應(yīng)中體現(xiàn)了SO2的還原性()答案(1)√(2)√(3)√(4)√(5)√1．吸收塔中為什么不用水吸收三氧化硫？提示防止SO3溶于水時反應(yīng)放出大量熱導致酸霧，降低吸收效率。2．如何將濃硫酸稀釋成稀硫酸？提示硫酸與水以任意比互溶，因為濃硫酸溶解時會放出大量的熱，則濃硫酸的稀釋方法是將濃硫酸沿燒杯內(nèi)壁緩緩倒入水中，并用玻璃棒不斷攪拌。在硫酸工業(yè)生產(chǎn)中，SO3的吸收過程是在吸收塔(如圖)中進行的，吸收塔里還裝入了大量瓷環(huán)。下列說法不正確的是()A．從①處通入SO3，整個吸收操作采取逆流的形式B．從②處噴下98.3%的濃硫酸，瓷環(huán)的作用是增大接觸面積C．從③處導出的氣體只含有少量SO2，可直接排入大氣D．從④處流出的是可用水或稀硫酸稀釋的濃硫酸答案C解析三氧化硫的吸收通常使用98.3%的濃硫酸，不用水或稀硫酸，原因是水或稀硫酸吸收三氧化硫時容易形成酸霧，吸收效率低，不利于三氧化硫的吸收；氣體的吸收常采用逆流原理，這樣有利于氣、液的充分接觸，吸收效果好；從吸收塔上部導出的氣體是N2、沒有起反應(yīng)的O2和少量SO2，直接排入大氣會污染環(huán)境，所以應(yīng)用吸收劑吸收或循環(huán)使用。硫酸工業(yè)制備中的注意事項(1)工業(yè)生產(chǎn)硫酸中，接觸室發(fā)生催化氧化時的催化劑通常用V2O5。(2)接觸法制硫酸中，SO2轉(zhuǎn)化為SO3時，一般采用常壓，這是因為常壓條件下反應(yīng)時SO3的產(chǎn)率一般在90%以上，沒有加壓的必要，如果加壓，會使生產(chǎn)成本提高。通常通入適當過量的空氣以提高SO2的利用率。(3)逆流接觸的吸收方法：吸收塔中采用噴淋式逆流接觸，當吸收劑和SO3逆流接觸時，可以使SO3充分吸收，提高吸收效率。二、濃硫酸的性質(zhì)1．濃硫酸的物理性質(zhì)(1)純凈的硫酸是無色、黏稠、難揮發(fā)的油狀液體。(2)實驗室常用的濃硫酸質(zhì)量分數(shù)為98.3%，密度為1.84g·cm－3，比水大，且濃度越高密度越大。沸點高，難揮發(fā)，常溫下比較穩(wěn)定。2．濃硫酸的特性(1)實驗探究實驗操作實驗現(xiàn)象實驗結(jié)論藍色晶體變成白色粉末濃硫酸具有吸水性①蔗糖逐漸變黑，體積膨脹，形成疏松多孔的海綿狀的炭；②品紅溶液褪色濃硫酸具有脫水性、強氧化性①銅片慢慢溶解；②銅片表面有氣泡產(chǎn)生；③品紅溶液逐漸變?yōu)闊o色；④把反應(yīng)試管里的溶液慢慢倒入水中，溶液變?yōu)樗{色濃硫酸具有強氧化性，能與Cu反應(yīng)，化學方程式：Cu＋2H2SO4(濃)eq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O(2)濃硫酸的特性①吸水性濃H2SO4能吸收空氣或其他物質(zhì)中的水分，常被用作干燥劑，但是不能干燥與濃H2SO4反應(yīng)的氣體，如NH3、H2S等。②脫水性濃H2SO4能按照水的組成比，奪取某些有機物中的氫、氧元素形成水分子，可使蔗糖、纖維素等物質(zhì)脫水。③強氧化性濃H2SO4能與絕大多數(shù)金屬和某些非金屬發(fā)生反應(yīng)，加熱時表現(xiàn)出更強的氧化性。常溫下，鐵、鋁遇濃H2SO4發(fā)生鈍化，因此可用鋼罐、鋁車運輸濃H2SO4。寫出Cu與濃H2SO4、C與濃H2SO4反應(yīng)的化學方程式，并標出雙線橋。、。3．濃硫酸和硫酸鹽的應(yīng)用(1)濃硫酸在生產(chǎn)、生活和科學研究中有著廣泛的應(yīng)用?；?、醫(yī)藥、農(nóng)藥的生產(chǎn)，金屬礦石的處理，金屬材料的表面清洗等都要用到硫酸。(2)硫酸鹽和硫酸鹽礦物也是化工生產(chǎn)、藥物和顏料制備中的重要原料。(3)幾種重要的硫酸鹽①生石膏：CaSO4·2H2O、熟石膏：2CaSO4·H2O，用于石膏繃帶、水泥生產(chǎn)。②硫酸鋇，天然的硫酸鋇稱為重晶石。BaSO4用于鋇餐、油漆、油墨、造紙等。③硫酸亞鐵，生產(chǎn)防治缺鐵性貧血的藥劑，工業(yè)上生產(chǎn)鐵系凈水劑和顏料氧化鐵紅的原料。(1)濃硫酸可以作干燥劑，用來干燥所有氣體()(2)濃硫酸使藍色硫酸銅晶體變白，體現(xiàn)了吸水性，發(fā)生了物理變化()(3)可以用硫酸清洗鍋爐中的水垢()(4)濃硫酸具有強氧化性，所以濃硫酸不可用于干燥SO2和CO()(5)用BaCl2溶液鑒別SOeq\o\al(2－,4)和SOeq\o\al(2－,3)()(6)銅片溶于熱的濃硫酸，體現(xiàn)了濃硫酸的酸性和強氧化性()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)×(6)√1．(2022·全國高一課時練習)下面表格中的實驗操作、實驗現(xiàn)象和結(jié)論均正確且相符的是()選項實驗操作實驗現(xiàn)象結(jié)論A將濃硫酸滴到蔗糖表面固體變黑膨脹濃硫酸有脫水性B向某溶液中滴加BaCl2溶液產(chǎn)生白色沉淀溶液中含有SOeq\o\al(2－,4)C將濃硫酸和銅加熱，冷卻后用水稀釋產(chǎn)生有刺激性氣味的氣體，溶液呈藍色濃硫酸既表現(xiàn)氧化性，又表現(xiàn)酸性D將足量鋅和濃硫酸共熱，將氣體通入品紅溶液產(chǎn)生有刺激性氣味的氣體，品紅溶液褪色產(chǎn)生的氣體只有SO2答案C解析將濃硫酸滴到蔗糖表面，固體變黑體現(xiàn)了濃硫酸的脫水性，同時固體膨脹，說明濃硫酸具有強氧化性，A錯誤；向某溶液中滴加BaCl2溶液，產(chǎn)生白色沉淀，該白色沉淀可能是AgCl，也可能是BaSO4或BaCO3等，因此不能說明該溶液中含有SOeq\o\al(2－,4)，B錯誤；將濃硫酸和銅加熱，產(chǎn)生有刺激性氣味的氣體，該氣體為SO2，冷卻后溶液用水稀釋，看到溶液變?yōu)樗{色，說明有CuSO4產(chǎn)生，該實驗說明濃硫酸既表現(xiàn)氧化性，又表現(xiàn)酸性，C正確；將足量鋅和濃硫酸共熱，將氣體通入品紅溶液，品紅溶液褪色，說明反應(yīng)產(chǎn)生SO2，發(fā)生的反應(yīng)為Zn＋2H2SO4(濃)=ZnSO4＋SO2↑＋2H2O，隨著反應(yīng)的進行硫酸濃度逐漸減小，發(fā)生的反應(yīng)為Zn＋H2SO4(稀)=ZnSO4＋H2↑，因此產(chǎn)生的氣體中既含有SO2，又含有H2，D錯誤。2．(2022·江西上饒中學高一階段練習)將一定量的鋅與100mL18.5mol·L－1濃硫酸充分反應(yīng)后，鋅完全溶解，同時生成氣體A33.6L(標準狀況)。將反應(yīng)后的溶液稀釋至1L，測得溶液的c(H＋)＝0.1mol·L－1，則下列敘述中錯誤的是()A．氣體A為SO2和H2的混合物B．反應(yīng)中共消耗Zn97.5gC．氣體A中SO2和H2的體積比為4∶1D．反應(yīng)中共轉(zhuǎn)移3mol電子答案C解析濃硫酸與鋅反應(yīng)生成二氧化硫氣體，隨著反應(yīng)的進行，硫酸的濃度逐漸降低，繼續(xù)與鋅反應(yīng)生成氫氣，所以33.6L氣體A為二氧化硫和氫氣的混合物，A正確；生成氣體的物質(zhì)的量為eq\f(33.6L,22.4L·mol－1)＝1.5mol，反應(yīng)后的溶液稀釋至1L，測得溶液中c(H＋)＝0.1mol·L－1，所以溶液剩余硫酸的物質(zhì)的量為0.05mol，參加反應(yīng)的n(H2SO4)＝0.1L×18.5mol·L－1－0.05mol＝1.8mol，隨著反應(yīng)的進行，硫酸的濃度逐漸減小，設(shè)反應(yīng)生成xmolSO2，ymolH2，則Zn＋2H2SO4(濃)=ZnSO4＋SO2↑＋2H2Ox2xxZn＋H2SO4(稀)=ZnSO4＋H2↑yyy則有：x＋y＝1.5,2x＋y＝1.8，解得x＝0.3，y＝1.2，所以反應(yīng)會生成0.3mol二氧化硫和1.2mol氫氣，則反應(yīng)中共消耗金屬Zn的質(zhì)量m(Zn)＝(0.3mol＋1.2mol)×65g·mol－1＝97.5g，V(SO2)∶V(H2)＝1∶4，B正確、C錯誤；在反應(yīng)Zn＋2H2SO4(濃)=ZnSO4＋SO2↑＋2H2O中，生成0.3mol二氧化硫轉(zhuǎn)移電子0.6mol，在反應(yīng)Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑中，生成1.2mol氫氣轉(zhuǎn)移電子2.4mol，所以反應(yīng)中共轉(zhuǎn)移3mol電子，D正確。濃硫酸與金屬反應(yīng)的規(guī)律(1)濃硫酸與金屬反應(yīng)時，既表現(xiàn)酸性又表現(xiàn)強氧化性，而與非金屬反應(yīng)時，只表現(xiàn)強氧化性。(2)濃硫酸與不活潑金屬(如銅)反應(yīng)時，隨著反應(yīng)的進行，濃硫酸濃度變小，一旦變?yōu)橄×蛩?，就不再反?yīng)。(3)濃硫酸與活潑金屬(如鋅)反應(yīng)時，開始濃硫酸表現(xiàn)強氧化性，產(chǎn)生二氧化硫氣體；當濃硫酸變?yōu)橄×蛩釙r，則產(chǎn)生的氣體為氫氣。1．向濃鹽酸中加入濃硫酸會產(chǎn)生大量白霧，下列關(guān)于原因的分析正確的是()①濃硫酸具有脫水性②濃硫酸具有吸水性③濃硫酸具有強氧化性④鹽酸具有揮發(fā)性⑤鹽酸具有還原性⑥氣態(tài)物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高而降低A．①③⑥ B．②④⑥C．③⑤⑥ D．②③④⑤答案B解析向濃鹽酸中加入濃硫酸會有白霧產(chǎn)生，說明加入的濃硫酸吸水放熱，導致溶液溫度升高，加快了HCl的揮發(fā)，因此該實驗現(xiàn)象表明濃硫酸具有吸水性，鹽酸具有揮發(fā)性，且氣態(tài)物質(zhì)的溶解度與溫度有關(guān)，該實驗現(xiàn)象與濃硫酸的脫水性、氧化性及鹽酸的還原性無關(guān)。2．濃硫酸與下列物質(zhì)作用時，只表現(xiàn)強氧化性的是()A．藍色硫酸銅晶體 B．木材炭化C．紅熱的木炭 D．氧化鋁答案C解析濃硫酸具有吸水性，能使藍色硫酸銅晶體變?yōu)榘咨勰?；濃硫酸使木材炭化表現(xiàn)的是脫水性；濃硫酸與紅熱的木炭反應(yīng)生成二氧化碳、二氧化硫和水，濃硫酸只表現(xiàn)強氧化性；濃硫酸與氧化鋁反應(yīng)表現(xiàn)的是酸性。3．硫酸銅是制備其他銅的化合物的重要原料。同石灰乳混合可得波爾多液，用作殺菌劑。某實驗小組在實驗室制備硫酸銅，在試管中放入一塊銅片，注入一定體積的濃硫酸，給試管加熱，使之反應(yīng)。(1)若銅片還有剩余，硫酸__________(填“已”或“沒有”)消耗完畢。其理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。設(shè)計一個實驗證明你的結(jié)論，寫出你所設(shè)計實驗的反應(yīng)原理：____________________________________________________________________________________(用化學方程式表示)。(2)欲觀察生成的CuSO4溶液的顏色，應(yīng)采取的操作是____________________