浓硫酸计量与硫的工业转化

约 3419 字大约 11 分钟

浓硫酸可以同时承担多种作用，消耗的酸也不一定全部被还原。工业流程则要把反应、分离与循环分开，再用硫原子和电子两本账检查。

一、知识点理解概念

1. 吸水、脱水与氧化各有不同判据

作用	关键变化	典型解释
吸水性	吸收原来已存在的水或结晶水	减少气体中水蒸气；蓝矾失去结晶水变白
脱水性	某些有机物组成中的氢氧按水的组成脱去	蔗糖变黑形成炭质物，不是从糖中吸出一包游离水
氧化性	+6价硫接受电子降价，另一物质被氧化	热浓硫酸氧化Cu、炭等

蔗糖炭化是脱水的起点；后来炭被热浓硫酸氧化并放气，才可解释膨胀。不能用单一“吸水”或“脱水”覆盖全部过程。原危险演示在这里仅用于纸面识别，不提供复现操作。

2. 被还原的酸只是耗酸的一部分

\mathrm{Cu+2H_2SO_4\text{（浓）}\xrightarrow{\text{加热}}CuSO_4+SO_2\uparrow+2H_2O}.

每mol Cu失2 mol电子；每mol形成SO₂的硫从+6到+4得2 mol电子。因此1 mol Cu对应1 mol被还原的H₂SO₄，却消耗2 mol H₂SO₄：另1 mol硫留在CuSO₄中。总耗酸、被还原的酸、留在盐中的硫必须分别记。

与碳反应的课堂总式为：

\mathrm{C+2H_2SO_4\text{（浓）}\xrightarrow{\text{加热}}CO_2\uparrow+2SO_2\uparrow+2H_2O}.

没有相应金属硫酸盐生成，教材主要据此讨论氧化性；不能把铜反应的“被还原酸只占一半”机械搬到所有对象。

3. 干燥、钝化与金属反应都受条件限制

浓硫酸吸水，不代表能干燥任何气体。还须不与被干燥物反应：NH₃可被酸吸收，H₂S、HI有还原性，均不能如此干燥。

常温铁、铝在浓硫酸中钝化，是表面先反应形成致密保护层，阻碍进一步反应，不是从未反应。铜在课堂常温短时间观察无明显现象，只能说当时反应不明显，不能由肉眼无现象判绝对零反应。

金属种类、浓度、温度与阶段决定产物。原“所有金属的还原产物都是SO₂”不作为通则；活泼金属可有其他还原产物。下例只在原分析采用的SO₂、H₂模型下分段，不能忽略条件后把它当任意锌浓酸反应的完整产物预测。铜也不能像锌那样在酸变稀后继续按置换H₂路径反应。

浓硫酸具腐蚀与强烈放热混合风险，相关图与反应式只作教学分析，不自行进行浓酸加热、炭化或产气实验。实验操作以学校风险评估和教师规程为准；溶液配制的安全边界见溶液浓度与配制。

4. 接触法按造气、催化氧化、吸收三段读

硫酸接触法三段流程及原资料给定条件 — 原资料流程，温度、催化剂及吸收酸浓度保留。

造气阶段，硫燃烧产生SO₂；使用黄铁矿时，原课堂总式为：

\mathrm{4FeS_2+11O_2\xrightarrow{\text{高温}}2Fe_2O_3+8SO_2}.

每个FeS₂含两个硫，完全转化时可对应2 mol含一个硫的终产物。随后净化除尘、洗涤、干燥，服务于后续工艺与催化体系。

催化氧化阶段：

\mathrm{2SO_2+O_2\xrightleftharpoons[\ ]{\text{催化剂、适宜温度}}2SO_3}.

原图给V₂O₅及约400—500℃。催化剂改变达到平衡的快慢，不独自改变给定条件下的平衡转化率；温度要兼顾速度与转化，不是越高越好。

吸收阶段，原图使用98.3%浓硫酸，不是直接向水中大量通入SO₃。SO₃＋H₂O→H₂SO₄是总组成关系，不能代替吸收设备的介质。直接接触水易形成难以收集的酸雾，先用适宜浓硫酸吸收，再按产品要求调浓度。EPA的工艺说明同样记载浓硫酸吸收及水分形成酸雾的边界；此处不把历史工艺资料中的产量和排放数值作为现行标准。EPA硫酸工艺说明、EPA酸雾形成说明

原资料沸腾炉接触室吸收塔与气流连接 — 原图三设备：沸腾炉、接触室、吸收塔；炉后净化有除尘、洗涤、干燥。

图中红色为高温气体、绿色为较低温气体，接触室包含换热路径。吸收塔上部加入98.3%H₂SO₄，SO₃沿下部进入，按图读取气液接触，不能把总反应式当作另一个未经给定的装置。

5. 硫原子理论对应与实际收率分开

理想硫原子对应为FeS₂～2H₂SO₄、S～H₂SO₄。实际产量还要计原料纯度、硫损失、转化率与吸收率等题给信息。循环利用SO₂可以提高原料利用率，但回流是原有物料，不能再次算作新加入的硫。

同叫“吸收”，对象可能完全不同：SO₃被浓硫酸吸收，与SO₂被硝酸氧化并吸收不是同一个反应。只看框名而不看进出物，会把氧化剂、硫去向与杂质全部漏掉。

二、考点掌握方法

1. 两条独立关系分别来自气体账与耗酸账

先核金属和题给气体种类，再核气体状态；标准状况下才按所用课堂近似22.4 L/mol换算。设SO₂为x mol、H₂为y mol时，气体总量是x＋y，耗酸却是2x＋y；不是将所有气体统一按同一酸系数计算。

剩余酸由初始酸减消耗酸，或由测量结果推算。但把自由H⁺换成总H₂SO₄须先声明完全电离、忽略其他平衡的题设模型；真实溶液中HSO₄⁻解离及其他平衡会影响自由H⁺，不能一律除以2。

例题 01 锌与浓硫酸的全程计量

题目

把一定量的锌与100 mL 18.5 mol·L⁻¹浓硫酸充分反应后，锌完全溶解，同时生成气体Y33.6 L（在标准状况下）。将反应后的溶液稀释到1 L，测得溶液中c(H⁺)=0.1 mol·L⁻¹。下列叙述不正确的是

A．气体Y是SO₂和H₂的混合物 B．反应中共消耗锌78 g

C．气体Y中SO₂和H₂的体积之比为1：4 D．反应中共转移电子3 mol

答案与解析

解析

本题采用原分析限定的SO₂、H₂两气体及稀释后硫酸完全电离近似，按这些前提计算。

总气体物质的量为33.6/22.4＝1.50 mol。初始硫酸0.100×18.5＝1.85 mol；稀释后1 L中H⁺为0.10 mol，题设近似下剩余硫酸0.050 mol，耗酸1.80 mol。

支路	金属/mol	耗H₂SO₄/mol	气体/mol
Zn＋2H₂SO₄（浓）→ZnSO₄＋SO₂＋2H₂O	x	2x	x
Zn＋H₂SO₄→ZnSO₄＋H₂	y	y	y

\begin{cases}x+y=1.50\\2x+y=1.80\end{cases}\quad\Rightarrow\quad x=0.30,\ y=1.20.

两式相减时，H₂支路相同贡献被消去，剩0.30 mol恰是SO₂分支多耗的酸。于是：

A：题设两阶段模型下Y为SO₂、H₂混合物，正确。
B：n(Zn)＝x＋y＝1.50 mol，按65 g/mol质量97.5 g，不是78 g，错误。
C：同温同压下体积比等于物质的量比0.30∶1.20＝1∶4，正确。
D：每mol Zn失2 mol电子，共3.00 mol；SO₂支路得0.60 mol电子，H₂支路得2.40 mol，合计也为3.00 mol，正确。

硫再核：1.50 mol留在ZnSO₄、0.30 mol进入SO₂，共1.80 mol，与总耗酸相等。自由H⁺若受其他平衡或其他酸影响，不能不加条件复用此结果。

本题结论

按原分析采用的两气体与完全电离模型选B。

2. 从目标产物反推气体配比，再核旁路元素

先看哪条反应不产生目标以外的氮盐，确定所需NO、NO₂比例；再按氮得电子与硫失电子反推前段原料参与量。目标产品不含硫，并不等于可以删掉硫的守恒账，副盐仍影响纯度。

本题涉及毒性气体、强酸和有毒亚硝酸盐，仅作工艺推理，不作为制备或使用指南。

例题 02 硝酸吸收与亚硝酸钠流程

题目

某生产单位设计以SO₂、硝酸、纯碱为原料制备亚硝酸钠(NaNO₂)，其工艺流程如图：

已知：

i．2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂

ii．NO+NO₂+Na₂CO₃=2NaNO₂+CO₂

下列说法正确的是

A．“吸收”过程中，为使反应更充分可采用较高的温度

B．理论上为提高产品的纯度，“吸收”过程中参加反应的n(HNO₃):n(SO₂)=1:1

C．“反应”过程中应通入大量O₂

D．NaNO₂粗产品中的杂质仅含有NaNO₃和Na₂CO₃

答案与解析

解析

题中两条已知反应必须一起读。若NO₂单独与纯碱按i反应，会同时生成NaNO₃；目标提高NaNO₂纯度，理想上应按ii使NO∶NO₂＝1∶1。

生成1 mol NO，N由+5到+2得3 mol电子；生成1 mol NO₂，N由+5到+4得1 mol电子，共得4 mol。每mol SO₂的S由+4到+6失2 mol，因此需2 mol SO₂与2 mol HNO₃，配平为：

\mathrm{2HNO_3+2SO_2+H_2O\to NO+NO_2+2H_2SO_4}.

A．不能因为升温可能加快化学反应就断言吸收更充分。原模型下较高温度降低气体溶解，不利充分吸收；实际最佳温度还须综合传质与反应条件，非一条无条件口诀。

B．按所求NO与NO₂等量模型，参与反应的HNO₃∶SO₂＝2∶2＝1∶1，正确。这是理想反应参与量，不等于任意实际投料都保证纯品。

C．大量O₂可将NO进一步转为NO₂，破坏目标1∶1，增加按i生成NaNO₃的支路，不符合目的。

D．吸收生成的H₂SO₄进入后段，可与Na₂CO₃生成Na₂SO₄；剩余纯碱及CO₂作用还可能形成NaHCO₃。因此粗产品除NaNO₃、Na₂CO₃外还可能有Na₂SO₄、NaHCO₃等，“仅”遗漏旁路。硫未进入NaNO₂，也必须留在物料账中。