《高中化学复习与提高》
专题二十七 氯碱、硫酸、硝酸三大工业
一、氯碱工业
1、电解饱和食盐水反应原理 2、离子交换膜法制烧碱 2H2O + 2NaCl = H2↑+ Cl2↑+ 2NaOH
电解食盐水得到的氢氧化钠是一种重要的化工原料，也是工业生产中最常用碱；电解食盐水得到的氢气可用于与反应生产盐酸，也可用于有机合成、金属冶炼。 （1）生产设备名称：离子交换膜电解槽
阳离子交换膜：只允许阳离子通过。
①防止和氢气混合而引起爆炸，
②避免与氢氧化钠反应生成次氯酸钠影响氢氧化钠的产量。
[例题1]某氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下：
依据上图，完成下列填空：
（1）如果粗盐中SO42-含量较高，必须添加钡试剂除去SO42-，该钡试剂可以是____。(选填“a”“b”或“c”，多选扣分)
a．采空区处理方法Ba(OH)2 b．Ba(NO3)2 c．BaCl2
（2）为有效除去Ca2+、Mg2+、SO42-，加入试剂的合理顺序为___。(同上)
a．先加NaOH，后加Na2CO3，再加钡试剂
b．先加NaOH，后加钡试剂，再加Na2CO3
c．先加钡试剂，后加NaOH，再加Na2CO3
[例题2] 我国化学侯德榜（下图）改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：
⑴上述生产纯碱的方法称 ，副产品的一种用途为 。
⑵沉淀池中发生的化学反应方程式是 。
⑶写出上述流程中X物质的分子式 。
⑷使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了 （填上述流程中的编号）的循环。从沉淀池中取出沉淀的操作是 。
⑸为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠，可取少量试样溶于水后，再滴加 。
[例题3]根据侯德榜制碱法原理并参考下表的数据，实验室制备纯碱Na2CO3的主要步骤是：将配制好的饱和NaCl溶液倒入烧杯中加热，控制温度在30～35℃，搅拌下分批加入研细的NH4HCO3固体，加料完毕后，继续保温30分钟，静置、过滤得NaHCO3晶体。用少量蒸馏水洗涤除去杂质，抽干后，转入蒸发皿中，灼烧2小时，制得Na2CO3固体。
四种盐在不同温度下的溶解度（g/100g水）表
| 0℃ | 10℃ | 20℃ | 30℃ | 40℃ | 50℃ | 60℃ | 100℃ |
NaCl | 35.7 | 35.8 | 36.0 | 36.3 | 36.6 | 37.0 | 37.3 | 39.8 |
NH4HCO3 | 11.9 | 15.8 | 21.0 | 27.0 | －① | － | － | － |
NaHCO3 | 6.9 | 8.1 | 9.6 | 11.1 | 12.7 | 14.5 | 16.4 | － |
NH4Cl | 29.4 | 33.3 | 37.2 | 41.4 | 45.8 | 50.4 | 55.3 | 77.3 |
| | | | | | | | |
①＞35℃NH4HCO3会有分解
请回答：
⑴反应温度控制在30～35℃，是因为若高于35℃，则 ，若低于30℃，则 ；为控制此温度范围，采取的加热方法为 。
高效渗透剂⑵加料完毕后，继续保温30分钟，目的是 。静置后只析出NaHCO3晶体的原因是 。用蒸馏水洗涤NaHCO3晶体的目的是除去 杂质（以化学式表示）。
⑶过滤所得的母液中含有 （以化学式表示），需加入 ，并作进一步处理，使NaCl溶液循环使用，同时可回收NH4Cl。
二、硫酸工业
1．三种原料：硫铁矿（FeS2）、空气、水。
利用接触法制硫酸一般可以用硫黄、黄铁矿、石膏、有金属冶炼厂的烟气(含一定量的SO2)等。其中用硫黄作原料成本低、对环境污染少。但我国硫黄资源较少，主要用黄铁矿（主要成分为FeS2）作生产硫酸的原料。
2．三步骤、三反应：
（1） 4FeS屋面拉条2 +11O2=== 2Fe2O3+8SO2（高温）
（2）2 SO2+ O2 ≒ 2 SO3 （催化剂，加热）
（3） SO3 + H2O === Hcnnp2SO4
3．三设备：（1）沸腾炉（工作台面2）接触室（3）合成塔
4．三原理：化学平衡原理、热交换原理、逆流原理。
（1）增大反应物浓度、增大反应物间接触面积，能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动，以充分提高原料利用率。
（2）热交换原理：在接触室中生成的热量经过热交换器，传递给进入接触室的需要预热的混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。
（3）逆流原理：液体由上向下流，气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应。
接触法制硫酸的原理、过程及典型设备
三原料 | 三阶段 | 三反应（均放热） | 三设备 | 三净化 |
黄铁矿或S | 造气 | 4FeS2+11O2=== 2Fe2O3+8SO2（高温）或S+O2=SO2 | 沸腾炉 | 除尘 |
空气 | 接触氧化 | 2 SO2 + O2 ≒ 2 SO3 （催化剂） | 接触室（含热交换器） | 洗涤 |
98.3%浓硫酸 | 三氧化硫吸收 | SO3+ H2O === H2SO4 | 吸收塔 | 干燥 |
| | | | |
接触法制硫酸示意图：
5．应用化学反应速率和化学平衡移动原理选择适宜条件
二氧化硫接触氧化的反应是一个气体总体积缩小的、放热的反应。
（1） 温度
二氧化硫接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡理论判断，温度较低对反应有利。但是，温度较低时，反应速率低，考虑催化剂在400∽500℃活性最大，在实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，这时反应速率和二氧化硫的转化率都比较理想。
（2） 压强
二氧化硫接触氧化是一个气体总体积缩小的可逆反应，根据化学平衡理论判断，加压对反应有利。但是，在常压、400～500℃时，二氧化硫的转化率已经很高，加压必须增加设备，增大投资和能量消耗，故在实际生产中，通常采用常压操作，并不加压。
水幕系统（3） 二氧化硫接触氧化的适宜条件
常压、较高温度（400～500℃）和催化剂
6．接触法制硫酸中应注意的几个问题
（1 ）依据反应物之间的接触面积越大反应速率越快的原理，送进沸腾炉的矿石要粉碎成细小的矿粒，增大矿石跟空气的接触面积，使之充分燃烧。
（2） 依据增大廉价易得的反应物的浓度，使较贵重的原料得以充分利用的原理，采用过量的空气使黄铁矿充分燃烧。
（3） 通入接触室的混合气体必须预先净化，其原因是：炉气中含有二氧化硫、氧气、氮气、水蒸气以及砷、硒化合物、矿尘等。砷、硒化合物和矿尘等会使催化剂中毒；水蒸气对生产和设备有不良影响。因此，炉气必须通过除尘、洗涤、干燥等净化处理。
（4） 在接触室里装有热交换器，其作用是在二氧化硫接触氧化时，用放出的热量来加热未反应的二氧化硫和空气，充分利用热能，节约燃料。
（5）不能用水吸收三氧化硫而用98.3%的浓硫酸，若用水或稀硫酸吸收，容易形成酸雾，且吸收速度慢。
二、有关计算
1．物质纯度、转化率、产率的计算
（1）物质纯度（%）=不纯物质中含纯物质的质量÷不纯物质的总质量×100%
（2）原料利用率（%）=实际参加反应的原料量÷投入原料总量×100%
（或转化率）
（3）产率（%）=实际产量÷理论产量×100%
（4）化合物中某元素的损失率=该化合物的损失率
2．多步反应计算
（1）关系式法：先写出多步反应的化学方程式，然后出反应物和生成物之间物质的量（或质量）之比，列出关系式，即可一步计算。
（2）元素守衡法：出主要原料和最终产物之间物质的量的对应关系。出此关系的简便方法，就是分析原料与产物之间所含关键元素原子个数关系，如： FeS2～2H2SO4， S～H2SO4。
若已知（欲求）FeS2含量，用前面的关系式，若已知（欲求）S的含量，用后一关系式，且二氧化硫转化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物FeS2（或S）进行计算。
（二）硫酸工业中的环境保护
1．环境保护与原料的综合利用
（1）注意科学实验与实际生产的区别
在科学实验中，为了探索某个重要的原理或实现某个重要的反应，可以不惜大量的时间和资金。而化工生产必须在遵循科学原理、实现某个反应的基础上，着重考虑综合经济效益，最大限度地提高劳动生产率、降低成本、保护生态环境，为国民经济部门提供质优价廉的化工产品，以达到优质高效的目的。
（2）硫酸生产中的“三废”处理
硫酸厂的尾气必须进行处理，因为烟道气里含有大量的二氧化硫气体，如果不加利用而排空会严重污染空气。
1) 尾气吸收
1 用氨水吸收，再用H2SO4处理：SO2+2NH3+H2O=(NH4)2SO3
(NH4)2SO3+H2SO4=(NH4)2SO4+SO2↑+H2O
②用Na2SO3溶液吸收：Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3
