四、分析与计算题(9 分)
24 空气是人类宝贵的资源。工业上以黄铁矿为原料利用空气中的氧气生产硫酸的主要流程如图所示。
(1) 上述流程所涉及的含硫物质中,硫元素化合价为+6 的是
$\ce{SO_{3}}$、$\ce{H_{2}SO_{4}}$
(填化学式)。
(2) 接触室内温度为$400∼ 500\ °\mathrm{C}$时,$\ce{SO_{2}}$在催化剂作用下转化为$\ce{SO_{3}}$,该反应的化学方程式为
$\ce{2SO_{2} + O_{2}\xlongequal[400∼ 500\ °\mathrm{C}]{催化剂}2SO_{3}}$
。
(3) 吸收塔内发生反应的化学方程式为
$\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$
。(已知反应物与生成物的化学计量数之比为$1:1:1$)
(4) 在反应室内发生的主要化学反应为$\ce{4FeS_{2} +11O_{2}\xlongequal{\mathrm{高温}}2Fe_{2}O_{3} +8SO_{2}}$。现有含$120\ \mathrm{t}\ \ce{FeS_{2}}$的黄铁矿在反应室中完全反应,理论上最多能得到二氧化硫的质量是多少?(写出计算过程)
答案：24.（1）$\ce{SO_{3}}$、$\ce{H_{2}SO_{4}}$ （2）$\ce{2SO_{2} + O_{2}\xlongequal[400∼ 500\ °\mathrm{C}]{催化剂}2SO_{3}}$ （3）$\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$ （4）解:设得到二氧化硫的质量为x。
$\ce{4FeS_{2} +11O_{2}\xlongequal{高温}2Fe_{2}O_{3} +8SO_{2}}$
480 512
120 t x
$\dfrac{480}{512} = \dfrac{120\ \mathrm{t}}{x}\ \ \ x = 128\ \mathrm{t}$
答:理论上最多能得到二氧化硫的质量是128 t。
【解析】（1）$\ce{FeS_{2}}$中硫元素是$-1$价,$\ce{SO_{2}}$中硫元素显$+4$价,$\ce{SO_{3}}$中硫元素显$+6$价,$\ce{H_{2}SO_{4}}$中硫元素显$+6$价。（2）$\ce{SO_{2}}$在$400～500\ °\mathrm{C}$及催化剂作用下转化为$\ce{SO_{3}}$。（3）根据反应前后原子的种类和个数不变,则吸收塔中三氧化硫和水反应生成硫酸。
解析：
【分析】
本题围绕工业制硫酸的生产流程设置问题，需分步骤解决：首先根据化合物化合价代数和为0计算含硫物质中硫元素的化合价，找出+6价的物质；其次书写接触室中SO₂转化为SO₃的化学方程式；再根据反应物与生成物计量数关系确定吸收塔的反应方程式；最后利用反应室的化学方程式，通过比例计算生成SO₂的质量，需注意化学方程式的配平、相对分子质量的计算及解题步骤的规范性。
【解析】
（1）计算各含硫物质中硫元素化合价：FeS₂中Fe为+2价，设S化合价为a，(+2)+2a=0，得a=-1；SO₂中O为-2价，设S为b，b+2×(-2)=0，得b=+4；SO₃中O为-2价，设S为c，c+3×(-2)=0，得c=+6；H₂SO₄中H为+1、O为-2，设S为d，2×(+1)+d+4×(-2)=0，得d=+6，故硫元素为+6价的是$\ce{SO_{3}}$、$\ce{H_{2}SO_{4}}$。
（2）接触室内，SO₂与O₂在催化剂、400~500℃条件下反应生成SO₃，配平后化学方程式为：$\ce{2SO_{2} + O_{2}\xlongequal[400∼ 500\ °\mathrm{C}]{催化剂}2SO_{3}}$。
（3）吸收塔内，SO₃与水反应生成硫酸，反应物与生成物计量数之比为1:1:1，化学方程式为：$\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$。
（4）设理论上最多能得到二氧化硫的质量为x。
反应室化学方程式：$\ce{4FeS_{2} +11O_{2}\xlongequal{高温}2Fe_{2}O_{3} +8SO_{2}}$
$\ce{FeS_{2}}$的总相对分子质量：4×(56+32×2)=480；$\ce{SO_{2}}$的总相对分子质量：8×(32+16×2)=512
列比例式：$\dfrac{480}{512} = \dfrac{120\ \mathrm{t}}{x}$，解得x=128 t。
【答案】
（1）$\ce{SO_{3}}$、$\ce{H_{2}SO_{4}}$；（2）$\ce{2SO_{2} + O_{2}\xlongequal[400∼ 500\ °\mathrm{C}]{催化剂}2SO_{3}}$；（3）$\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$；（4）128 t。
【知识点】
化合价计算、化学方程式书写、根据化学方程式计算
【点评】
本题以工业制硫酸流程为载体，综合考查化合价、化学方程式及化学计算等核心知识点，题目难度适中，侧重基础应用，能有效检验学生对相关知识的掌握情况。
【难度系数】
0.6
