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简答题

工业上以黄铁矿为原料生产硫酸主要分为三个阶段进行,即煅烧、催化氧化、吸收.请回答下列个问题:

(1)煅烧黄铁矿形成的炉气必须经除尘、洗涤、干燥后进入______(填设备名称)

(2)催化氧化阶段反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g);△H<0

550℃时,SO2转化为SO3的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系

如图1所示.

理论上要提高SO2的转化率,反应的条件应是______温、高压(填“高”、“低”、或“常”),但通常情况下工业生产中采用常压的原因是______

将2.0mol SO2和1.0mol O2置于5L密闭容器中,反应达平衡后,体系总压强为0.10M Pa.该反应的平衡常数等于______

(3)为循环利用催化剂,科研人员最新研制了一种离子交换法回收钒的新工艺,

回收率达91.7%以上.已知废钒催化剂中含有V2O5、VOSO4及不溶性残渣.查阅资料知:VOSO4可溶于水,V2O5难溶于水,NH4VO3难溶于水.该工艺的流程如图.

则:反应①②③④中属于氧化还原反应的是______(填数字序号),反应③的离子方程式为______.该工艺中反应③的沉淀率(又称沉矾率)是回收钒的关键之一,沉钒率的高低除受溶液pH影响外,还需要控制氯化铵系数(NH4Cl加入质量与料液中V2O5的质量比)和温度.根据下图试建议控制氯化铵系数和温度:____________. 

正确答案

解析

解:(1)黄铁矿燃烧生成的二氧化硫气体为防止催化剂中毒,经过除尘、洗涤、干燥后进入接触室催化氧化为三氧化硫;

故答案为:接触室

(2)2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g);△H<0,该反应是气体体积减少的放热反应,依据化学平衡移动原理可知温度越低,压强越大,平衡越向正向进行,二氧化硫的转化率越大,但通过图象分析在常压下,二氧化硫的转化率已经很大,增大压强对提高二氧化硫的转化率提高不大,但增大压强会对设备有更高的要求,增加成本,所以通常情况下工业生产中采用常压;将2.0mol SO2和1.0mol O2置于5L密闭容器中,反应达平衡后,体系总压强为0.10M Pa,从图象上可以知道二氧化硫的转化率为80%,利用化学平衡的三段式列式计算,;

                   2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)

起始量(mol/L)      0.4      0.2             0

变化量(mol/L)   0.4×80%    0.16            0.32

平衡量(mol/L)     0.08      0.04            0.32

平衡常数K===400 L•mol-1

故答案为:低    使用常压SO2就可以达到较高的转化率.    400 L•mol-1

(3)已知VOSO4可溶于水,V2O5难溶于水,NH4VO3难溶于水,废钒催化剂中含有V2O5、VOSO4及不溶性残渣水浸过滤后,得到的  滤渣为不溶性杂质和 V2O5,滤液为VOSO4的溶液,①中加入亚硫酸钠的作用是还原V2O5为溶于水的VOSO4;②加入KClO3的目的,根据流程物质的变化可知将VOSO4氧化为(VO22SO4;③根据NH4VO3难溶于水,利用复分解反应沉淀VO3-,不是氧化还原反应,⑤NH4VO3变为V2O5是化合价不变的分解反应,不是氧化还原反应;沉钒率的高低除受溶液pH影响外,还需要控制氯化铵系数(NH4Cl加入质量与料液中V2O5的质量比)和温度,依据图象可知,温度80°C时的沉钒率最高为98%,在氯化铵系数图象中对应沉钒率98%时控制氯化铵系数为4;

故答案为:①②NH4++VO3-═NH4VO3↓4和80℃.

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铁及其化合物在生产、生活中有广泛应用.请回答下列问题:

(一)高炉炼铁过程中发生的主要反应为:Fe2O3(s)+CO(g)⇌Fe(s)+CO2(g)

已知该反应在不同温度下的平衡常数如下:

(1)该反应的平衡常数表达式K=______;△H______0(填“>”、“<”或“=”).

(2)欲提高上述反应中CO的平衡转化率,可采取的措施是______

A.提高反应温度                    B.移出部分CO2

C.加入合适的催化剂                D.减小容器的容积

(3)在一个容积为10L的密闭容器中,1000℃时加入Fe、Fe2O3、CO、CO2各1.0mol,此时υ______υ(填“>”、“<”或“=”).经过10min,在1000℃达到平衡,则该时间范围内反应的平均反应速率υ(CO2)=______

(二)高铁酸钾(K2FeO4)是一种集氧化、吸附、絮凝于一体的新型多功能水处理剂.

(4)一定条件下Fe(OH)3与KClO在KOH溶液中反应可制得K2FeO4,其中反应的氧化剂是______;生成0.5mol K2FeO4转移电子的物质的量是______mol.

(5)从环境保护的角度看,制备K2FeO4较好的方法为电解法,其装置如图所示.电解过程中阳极的电极反应式为______

正确答案

解:(一)(1)平衡常数指:生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值,固体、纯液体的浓度为常数,所以反应:Fe2O3(s)+CO(g)⇌Fe(s)+CO2(g)的平衡常数k=,由表中数据可知,温度越高平衡常数越小,故升高温度平衡向逆反应移动,正反应为放热反应,即△H<0,

故答案为:;<;

(2)A.该反应正反应是放热反应,提高反应温度,平衡向逆反应移动,CO的平衡转化率降低,故A错误;

B.移出部分CO2平衡向正反应移动,CO的平衡转化率增大,故B正确;

C.加入合适的催化剂平衡不移动,故C错误;

D.反应前后气体的物质的量不变,减小容器的容积,增大压强平衡不移动,CO的平衡转化率不变,故D错误;

故选B;

(3)在一个容积为10L的密闭容器中,1000℃时加入Fe、Fe2O3、CO、CO2各1.0mol,依据浓度商Q=1<K=4,说明反应正向进行,正反应速率大于逆反应速率;

令平衡时CO的物质的量变化为nmol,则:

         Fe2O3(s)+CO(g)⇌Fe(s)+CO2(g)

开始(mol):1                0

变化(mol):n                n

平衡(mol):1-n              n

所以K==4,解得n=0.8,

所以υ(CO2)==0.008 mol/(L•min),

故答案为:>;0.008 mol/(L•min);

(二)(4)该反应中,铁元素的化合价由+3价变为+6价,氯元素化合价由+1价变为-1价,所以氢氧化铁是还原剂,次氯酸钾是氧化剂,生成0.5mol K2FeO4转移的电子的物质的量=0.5mol×(6-3)=1.5mol,

故答案为:KClO;1.5;

(5)Na2FeO4能消毒、净水的原因高价铁具有氧化性,能消毒杀菌,生成Fe3+形成胶体,具有吸附悬浮物的净水的作用,电解时阳极Fe失电子发生氧化反应,电极反应方程式为Fe+8OH--6e-═FeO42-+4H2O;

故答案为:Fe+8OH--6e-═FeO42-+4H2O.

解析

解:(一)(1)平衡常数指:生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值,固体、纯液体的浓度为常数,所以反应:Fe2O3(s)+CO(g)⇌Fe(s)+CO2(g)的平衡常数k=,由表中数据可知,温度越高平衡常数越小,故升高温度平衡向逆反应移动,正反应为放热反应,即△H<0,

故答案为:;<;

(2)A.该反应正反应是放热反应,提高反应温度,平衡向逆反应移动,CO的平衡转化率降低,故A错误;

B.移出部分CO2平衡向正反应移动,CO的平衡转化率增大,故B正确;

C.加入合适的催化剂平衡不移动,故C错误;

D.反应前后气体的物质的量不变,减小容器的容积,增大压强平衡不移动,CO的平衡转化率不变,故D错误;

故选B;

(3)在一个容积为10L的密闭容器中,1000℃时加入Fe、Fe2O3、CO、CO2各1.0mol,依据浓度商Q=1<K=4,说明反应正向进行,正反应速率大于逆反应速率;

令平衡时CO的物质的量变化为nmol,则:

         Fe2O3(s)+CO(g)⇌Fe(s)+CO2(g)

开始(mol):1                0

变化(mol):n                n

平衡(mol):1-n              n

所以K==4,解得n=0.8,

所以υ(CO2)==0.008 mol/(L•min),

故答案为:>;0.008 mol/(L•min);

(二)(4)该反应中,铁元素的化合价由+3价变为+6价,氯元素化合价由+1价变为-1价,所以氢氧化铁是还原剂,次氯酸钾是氧化剂,生成0.5mol K2FeO4转移的电子的物质的量=0.5mol×(6-3)=1.5mol,

故答案为:KClO;1.5;

(5)Na2FeO4能消毒、净水的原因高价铁具有氧化性,能消毒杀菌,生成Fe3+形成胶体,具有吸附悬浮物的净水的作用,电解时阳极Fe失电子发生氧化反应,电极反应方程式为Fe+8OH--6e-═FeO42-+4H2O;

故答案为:Fe+8OH--6e-═FeO42-+4H2O.

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铁是地壳中含量很丰富的元素,也是生物体所必需的元素.自然界中铁矿石主要有赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4).金属铁是在高炉中冶炼的.高炉炼铁除了加入铁矿石外.还需加入焦碳和石灰石,石灰石能除去铁矿石中的二氧化硅.请填空:

(1)写出赤铁矿被还原成铁的化学方程式:______

(2)写出焦炭在高炉中所参与反应的两个化学方程式____________

(3)写出CaCO3参与反应的化学方程式______

正确答案

解:(1)因一氧化碳能与氧化铁反应生成铁和二氧化碳,反应的方程式为Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

故答案为:Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

(2)碳与足量氧气反应生成二氧化碳,二氧化碳和碳在高温下反应生成一氧化碳,反应为C+O2CO2,CO2+C2CO,

故答案为:C+O2CO2;CO2+C2CO;

(3)石灰石的作用是形成炉渣,CaCO3所参与反应的两个化学方程式为:CaCO3CaO+CO2↑、CaO+SiO2CaSiO3

故答案为:CaCO3CaO+CO2↑、CaO+SiO2CaSiO3

解析

解:(1)因一氧化碳能与氧化铁反应生成铁和二氧化碳,反应的方程式为Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

故答案为:Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

(2)碳与足量氧气反应生成二氧化碳,二氧化碳和碳在高温下反应生成一氧化碳,反应为C+O2CO2,CO2+C2CO,

故答案为:C+O2CO2;CO2+C2CO;

(3)石灰石的作用是形成炉渣,CaCO3所参与反应的两个化学方程式为:CaCO3CaO+CO2↑、CaO+SiO2CaSiO3

故答案为:CaCO3CaO+CO2↑、CaO+SiO2CaSiO3

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(2016•海南校级二模)铁在自然界分别广泛,在工业、农业和国防科技中有重要应用.

回答下列问题:

(1)用铁矿石(赤铁矿)冶炼生铁的高炉如图(a)所示.原料中除铁矿石和焦炭外含有.除去铁矿石中脉石(主要成分为SiO2 )的化学反应方程式为______;高炉排出气体的主要成分有N2、CO2______(填化学式).

(2)已知:①Fe2O3 (s)+3C(s)═2Fe(s)+3CO(g)△H=+494kJ•mol-1

②CO(g)+O2(g)═CO2(g)△H=-283kJ•mol-1

③C(s)+O2(g)═CO  (g)△H=-110kJ•mol-1

则反应Fe2O3 (s)+3C(s)+O2(g)═2Fe(s)+3CO2 (g) 的△H=kJ•mol-1.理论上反应______放出的热量足以供给反应______所需的热量(填上述方程式序号)

(3)有人设计出“二步熔融还原法”炼铁工艺,其流程如图(b)所示,其中,还原竖炉相当于高炉的部分,主要反应的化学方程式为______;熔融造气炉相当于高炉的______部分.

(4)铁矿石中常含有硫,使高炉气中混有SO2 污染空气,脱SO2 的方法是______

正确答案

解:(1)铁矿石中含有氧化铁和脉石,为除去脉石,可加入石灰石,石灰石分解生成氧化钙,氧化钙和二氧化硅反应生成硅酸钙,涉及反应有CaCO3CaO+CO2↑,CaO+SiO2CaSiO3,加入焦炭,先生成CO,最后生成二氧化碳,尾气中含有CO,

故答案为:石灰石;CaCO3CaO+CO2↑;CaO+SiO2CaSiO3;CO;

(2)利用盖斯定律将①+②×3得到Fe2O3(s)+3C(s)+O2(g)═2Fe(s)+3CO2(g)△H=(+494kJ•mol-1)+3×(-283kJ•mol-1)=-355kJ•mol-1

因①为吸热反应,②③为放热反应,则②③反应放出的热量可使①反应,

故答案为:-355;②③;①;

(3)高炉炼铁时,炉腰部分发生Fe2O3+3CO2Fe+3CO2,还原竖炉发生此反应,熔融造气炉和高炉的炉腹都发生2C+O22CO以及CaCO3CaO+CO2↑,CaO+SiO2CaSiO3反应,则熔融造气炉相当于高炉的炉腹部分,

故答案为:炉腰;Fe2O3+3CO2Fe+3CO2;炉腹;

(4)高炉气中混有SO2,SO2为酸性气体,可与碱反应,可用碱液或氢氧化钠、氨水等吸收,

故答案为:碱液或氢氧化钠、氨水.

解析

解:(1)铁矿石中含有氧化铁和脉石,为除去脉石,可加入石灰石,石灰石分解生成氧化钙,氧化钙和二氧化硅反应生成硅酸钙,涉及反应有CaCO3CaO+CO2↑,CaO+SiO2CaSiO3,加入焦炭,先生成CO,最后生成二氧化碳,尾气中含有CO,

故答案为:石灰石;CaCO3CaO+CO2↑;CaO+SiO2CaSiO3;CO;

(2)利用盖斯定律将①+②×3得到Fe2O3(s)+3C(s)+O2(g)═2Fe(s)+3CO2(g)△H=(+494kJ•mol-1)+3×(-283kJ•mol-1)=-355kJ•mol-1

因①为吸热反应,②③为放热反应,则②③反应放出的热量可使①反应,

故答案为:-355;②③;①;

(3)高炉炼铁时,炉腰部分发生Fe2O3+3CO2Fe+3CO2,还原竖炉发生此反应,熔融造气炉和高炉的炉腹都发生2C+O22CO以及CaCO3CaO+CO2↑,CaO+SiO2CaSiO3反应,则熔融造气炉相当于高炉的炉腹部分,

故答案为:炉腰;Fe2O3+3CO2Fe+3CO2;炉腹;

(4)高炉气中混有SO2,SO2为酸性气体,可与碱反应,可用碱液或氢氧化钠、氨水等吸收,

故答案为:碱液或氢氧化钠、氨水.

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工业上以黄铁矿为原料生产硫酸主要分为三个阶段进行,即煅烧、催化氧化、吸收.请回答下列个问题:

(1)煅烧黄铁矿形成的炉气必须经除尘、洗涤、干燥后进入______(填设备名称)

(2)催化氧化阶段反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g);△H<0

550℃时,SO2转化为SO3的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系

如图1所示.

理论上要提高SO2的转化率,反应的条件应是______温、高压(填“高”、“低”、或“常”),但通常情况下工业生产中采用常压的原因是______

将2.0mol SO2和1.0mol O2置于5L密闭容器中,反应达平衡后,体系总压强为0.10M Pa.该反应的平衡常数等于______

(3)为循环利用催化剂,科研人员最新研制了一种离子交换法回收钒的新工艺,

回收率达91.7%以上.已知废钒催化剂中含有V2O5、VOSO4及不溶性残渣.查阅资料知:VOSO4可溶于水,V2O5难溶于水,NH4VO3难溶于水.该工艺的流程如图.

则:反应①②③④中属于氧化还原反应的是______(填数字序号),反应③的离子方程式为______.该工艺中反应③的沉淀率(又称沉矾率)是回收钒的关键之一,沉钒率的高低除受溶液pH影响外,还需要控制氯化铵系数(NH4Cl加入质量与料液中V2O5的质量比)和温度.根据下图试建议控制氯化铵系数和温度:____________. 

正确答案

解:(1)黄铁矿燃烧生成的二氧化硫气体为防止催化剂中毒,经过除尘、洗涤、干燥后进入接触室催化氧化为三氧化硫;

故答案为:接触室

(2)2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g);△H<0,该反应是气体体积减少的放热反应,依据化学平衡移动原理可知温度越低,压强越大,平衡越向正向进行,二氧化硫的转化率越大,但通过图象分析在常压下,二氧化硫的转化率已经很大,增大压强对提高二氧化硫的转化率提高不大,但增大压强会对设备有更高的要求,增加成本,所以通常情况下工业生产中采用常压;将2.0mol SO2和1.0mol O2置于5L密闭容器中,反应达平衡后,体系总压强为0.10M Pa,从图象上可以知道二氧化硫的转化率为80%,利用化学平衡的三段式列式计算,;

                   2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)

起始量(mol/L)      0.4      0.2             0

变化量(mol/L)   0.4×80%    0.16            0.32

平衡量(mol/L)     0.08      0.04            0.32

平衡常数K===400 L•mol-1

故答案为:低    使用常压SO2就可以达到较高的转化率.    400 L•mol-1

(3)已知VOSO4可溶于水,V2O5难溶于水,NH4VO3难溶于水,废钒催化剂中含有V2O5、VOSO4及不溶性残渣水浸过滤后,得到的  滤渣为不溶性杂质和 V2O5,滤液为VOSO4的溶液,①中加入亚硫酸钠的作用是还原V2O5为溶于水的VOSO4;②加入KClO3的目的,根据流程物质的变化可知将VOSO4氧化为(VO22SO4;③根据NH4VO3难溶于水,利用复分解反应沉淀VO3-,不是氧化还原反应,⑤NH4VO3变为V2O5是化合价不变的分解反应,不是氧化还原反应;沉钒率的高低除受溶液pH影响外,还需要控制氯化铵系数(NH4Cl加入质量与料液中V2O5的质量比)和温度,依据图象可知,温度80°C时的沉钒率最高为98%,在氯化铵系数图象中对应沉钒率98%时控制氯化铵系数为4;

故答案为:①②NH4++VO3-═NH4VO3↓4和80℃.

解析

解:(1)黄铁矿燃烧生成的二氧化硫气体为防止催化剂中毒,经过除尘、洗涤、干燥后进入接触室催化氧化为三氧化硫;

故答案为:接触室

(2)2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g);△H<0,该反应是气体体积减少的放热反应,依据化学平衡移动原理可知温度越低,压强越大,平衡越向正向进行,二氧化硫的转化率越大,但通过图象分析在常压下,二氧化硫的转化率已经很大,增大压强对提高二氧化硫的转化率提高不大,但增大压强会对设备有更高的要求,增加成本,所以通常情况下工业生产中采用常压;将2.0mol SO2和1.0mol O2置于5L密闭容器中,反应达平衡后,体系总压强为0.10M Pa,从图象上可以知道二氧化硫的转化率为80%,利用化学平衡的三段式列式计算,;

                   2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)

起始量(mol/L)      0.4      0.2             0

变化量(mol/L)   0.4×80%    0.16            0.32

平衡量(mol/L)     0.08      0.04            0.32

平衡常数K===400 L•mol-1

故答案为:低    使用常压SO2就可以达到较高的转化率.    400 L•mol-1

(3)已知VOSO4可溶于水,V2O5难溶于水,NH4VO3难溶于水,废钒催化剂中含有V2O5、VOSO4及不溶性残渣水浸过滤后,得到的  滤渣为不溶性杂质和 V2O5,滤液为VOSO4的溶液,①中加入亚硫酸钠的作用是还原V2O5为溶于水的VOSO4;②加入KClO3的目的,根据流程物质的变化可知将VOSO4氧化为(VO22SO4;③根据NH4VO3难溶于水,利用复分解反应沉淀VO3-,不是氧化还原反应,⑤NH4VO3变为V2O5是化合价不变的分解反应,不是氧化还原反应;沉钒率的高低除受溶液pH影响外,还需要控制氯化铵系数(NH4Cl加入质量与料液中V2O5的质量比)和温度,依据图象可知,温度80°C时的沉钒率最高为98%,在氯化铵系数图象中对应沉钒率98%时控制氯化铵系数为4;

故答案为:①②NH4++VO3-═NH4VO3↓4和80℃.

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