Question

接觸法制硫酸是先把SO₂催化氧化為SO₃，然后用水和濃硫酸吸收得到SO₃。某工廠接觸室出口氣體中含N₂、O₂、少量SO₂和10%（體積分數）的SO₃。把出口氣體送進吸收塔，使SO₃轉化成98%（質量分數）的H₂SO₄和發煙H₂SO₄〔H₂SO₄和SO₃混合物，其中含20%（質量分數）的SO₃〕。

（1）設上述工廠只生產發煙H₂SO₄：

①算出1 000 m³ 出口氣體所需要的水的質量；

②算出每1 000 m³出口氣體生產的發煙硫酸的質量。

（2）設上述工廠只生產98%的H₂SO₄：

①算出每1 000 m³出口氣體所需要的水的質量；

②算出同時生產的98% H₂SO₄的質量。

注：上述氣體體積均轉化為標準狀況下的體積。

（3）若該工廠同時生產發煙硫酸和98%硫酸（兩種產物的質量比x=m₁/m₂，m₁和m₂分別是發煙硫酸和98%硫酸的質量）。

導出數學表達式，用來描述每1 000 m³出口氣體中所消耗水的質量同上述x間的關系。

說明問題（1）和問題（2）中得到的有關數據是否符合你導出的數學表達式。

Answer 1

思路解析：由題目所給數據可先求出1 000 m³出口氣體中SO₃的物質的量。發煙硫酸可表示為H₂SO₄·xSO₃，即（1+x）SO₃·H₂O，已知SO₃的質量分數是20%，求出x，進而得出結論。第二問與第一問采取的解題步驟相似。第三問可利用第一問和第二問的數據，而且可用前面所得的數據驗證關系式是否正確。

解：（1）1 000 m³中含n（SO₃）=≈4 464 mol，設此發煙硫酸為H₂SO₄·xSO₃，其中含20%的SO₃，列式計算：×100=20%  x=0.306

相應的化學方程式：1.306 SO₃+H₂OH₂SO₄·0.306SO₃

設需用水M₁，生成H₂SO₄·0.306SO₃ M₂

由SO₃—H₂O—H₂SO₄·0.306SO₃

4 464 mol  ×4 464 mol  ×4 464 mol

M₁=×4 464 mol×18 g·mol^-1=6.15×10⁴ g

M₂=×4 464 mol×（98+0.306×80） g·mol^-1=4.19×10⁵ g

（2）98%的H₂SO₄中的H₂SO₄與H₂O的物質的量之比為∶=1∶，因而98% H₂SO₄可寫成：H₂SO₄·H₂O

SO₃+H₂OH₂SO₄·H₂O

設1 000 m³出口氣體需水m₁，生成98%的H₂SO₄ m₂，則

m₁=4 464 mol××18 g·mol^-1=8.93×10⁴ g

m₂=4 464×（98+×18）g·mol^-1=4.46×10⁵ g

（3）6.15×10⁴×g+8.93×10⁴×g=6.15×10⁴×g+8.93×10⁴×g

若全部生成發煙硫酸，x→∞，上式=6.15×10⁴ g；

若全部生成98%的硫酸，x=0，上式=8.93×10⁴ g。

答案：（1）6.15×10⁴ g，4.19×10⁵ g。（2）8.93×10⁴ g，4.46×10⁵ g。（3）符合。