第一篇：【鼎尖教案】高中化學(大綱版)第三冊 第五單元 硫酸工業 第二節關于硫酸工業綜合經濟效益的討論(備課

●備課資料

一、2005年我國硫酸需求預測

據專家估計，2005年我國硫酸產品的需求量就達2776.03萬噸。

我國是一個農業大國，隨著我國農業的發展，特別是磷肥產量的不斷增長，硫酸產品的需求量也在不斷地增長，90年代以前，雖然表觀消費量增長較快，但進口量很小。近年來我國硫酸產品的凈進口量和表觀消費量逐年增加。

目前我國硫酸產品消費構成為：化肥約占72%，化工產品約占10%，輕工產品約占7%，其他約占11%。化肥是硫酸消費的最大用戶。我國是一個農業大國，化肥的用量在逐年增長，特別是高效復合型化肥將是今后化肥工業的發展方向，致使對硫酸產品需求量的增長將有較大的促進。

硫酸作為一種無機強酸產品在我國發展很快，1994年我國硫酸的產量為1530.4萬噸，到了1998年我國硫酸產量已達1911.4萬噸，平均每年增長95.25萬噸，平均年增長率為5.8%。預計2005年我國硫酸產量可達2687.5萬噸。

近年來，隨著我國化肥工業的飛速發展，硫酸產品的消費量也在不斷遞增，1994年我國硫酸產品的表觀消費量為1530.5萬噸，到了1998年我國硫酸表觀消費量已達到了1940.6萬噸，平均每年表觀消費量增長102.5萬噸，平均年表觀消費增長率為6.15%。

因此，按近年我國硫酸產量和消費量的平均增長率推算，到2005年我國硫酸產量將滿足不了需求，約有89萬噸的缺口。

目前，我國硫酸工業與國外比較，存在的主要問題是規模小、熱利用率不高等。開發大規模、低能耗的硫酸生產裝置，前景看好。

二、我國硫酸工業存在三方面問題

國家化工品質量抽查中發現，我國硫酸工業目前主要存在以下三方面問題： 一是產品出廠檢驗不規范仍然存在。一些小型企業產品出廠檢驗手段不完善，計量器具校驗不定期，標準溶液標定不規范，有個別企業甚至連工業硫酸(GB534－89)國家標準文本也沒有。

二是國內工業硫酸已供大于求，但一些企業仍盲目上馬。國內的部分企業缺乏必要的市場預測和論證，依舊建設新的裝置和擴大生產規模。同時受進口化肥、硫酸的沖擊，硫酸需求量減少，導致供大于求的局面更趨嚴重。

三是企業競相將硫鐵礦制酸改為硫磺制酸。各企業為了降低成本，紛紛將硫鐵礦制酸改為硫磺制酸，但這勢必直接影響硫鐵礦制酸工業的健康發展，同時，還使我國硫磺制酸行業易受國際市場的控制。

三、硫酸工業面臨兩大挑戰

業內專家認為，資源利用和技術改進仍是硫酸工業生存和發展面臨的兩大挑戰。

硫磺資源有限影響硫酸工業發展。近年來，各企業為了降低成本，競相將硫鐵礦制酸改為硫磺制酸，國際間硫磺需求量的短缺也促使國內硫磺制酸裝置紛紛上馬。按2010年遠景規劃，我國將在云南和貴州興建兩個大型磷肥基地，自然增大了國內市場對硫酸的需求量。據估計，屆時我國對硫磺的年進口將達4萬萬噸，我國也將成為世界最大的硫磺進口國，同時面對的風險也相應增大。國內大部分硫磺制酸裝置以進口硫磺為原料，影響硫磺市場價格的因素不僅是世界硫磺的供需平衡，還包括國內商家對硫磺資源的需求，據估計，隨我國硫磺進口量的不斷增長，至2000年底之前，全球硫磺供求關系將呈現新局面，甚至在年初硫磺價格就會開始上漲。大量進口硫磺制酸勢必影響硫鐵礦制酸工業的健康發展，同時也使我國硫磺制酸行業易受國際市場的控制。

業內專家認為，為防止國內行業過分依賴進口資源而再度出現此類現象，進口硫磺的數量必須適度控制，力求使世界過剩量維持足夠水平，防止硫磺價格的上漲，我國已嚴格了硫

磺進口審批手續，并要求現有硫鐵礦制酸裝置要審慎，嚴禁輕易將硫鐵礦制酸改為硫磺制酸，力求每年必須進口的硫磺數量保持較低水平，便于應對國際市場的變化。我國硫鐵礦制酸仍占硫酸產量的大部分，近年貴州省發現的儲量逾百億噸的特大型硫鐵礦，該礦具有礦質好、易開采、成本低的特點，顯然，這一新礦的發現與開發，不僅能為西南地區的硫酸工業提供大量質優價廉的原料，同時，隨我國加工外油能力的增大，石油中可回收大量硫酸，也為我國硫資源供應開辟了令人樂觀的前景。為使硫酸行業具備回避進口、減少國際市場沖擊的能力，我國應合理調整資源利用結構，立足于本國資源，加速開發現有資源，如貴州新礦，同時保護現有礦山的生產能力，使國內在硫資源供應上保持足夠的實力，當然，這需要政策的傾斜和各級主管部門給予經濟上的扶持，而且，應利用有色冶煉工業迅速發展的有利形勢，發展煙氣制酸技術，而對于進口原料合理調節，價廉多進、價高少進，既可以充分利用，又不能過分依賴。

硫酸生產污染嚴重。相比而言，以硫磺為原料則可使凈化污水中不含砷、氟重金屬等雜質，易達到排放標準。但硫鐵礦制酸畢竟是我國硫酸生產的重頭戲，我國必須對硫鐵礦制酸加大科技投入，依托科技創新改進生產工藝，降低成本，有效利用我國資源優勢，盡量減少進口，降低對國際市場的依賴。

硫酸工業協會武希彥理事長介紹說，硫酸工業加強環境污染的治理，嚴格評價硫鐵礦制酸工藝，控制污物排放量也是行業工作重點。硫鐵礦制酸污染嚴重的原因不僅僅在于工藝，我國現有的硫酸生產廠家近600個，多數規模小、布點廣泛，不僅不利于管理，還給周圍環境造成極大的危害，部分小硫酸廠廢氣、廢水排放超標。據報道，國內工業硫酸已供大于求，但一些企業對市場缺乏必要的預測和論證，只顧及眼前利益，依舊建設新裝置和擴大生產規模，同時受進口化肥、硫酸的沖擊，供大于求的局面日趨嚴重。各自為政、混亂生產致使有些企業產品出廠檢驗手段不規范。一方面是企業面臨嚴峻的治污任務，一方面是有些企業盲目上馬，如此惡性循環的原因就是行業缺乏有序的宏觀調控，大量的資金擱置在生產過剩產品的工藝上，與其如此，莫不如增加技術改造的投入，通過大型化、集約化和科技創新改進現有工藝，有效利用資源；消滅污染，加強環境治理。

四、硫磺制酸應在幾方面加大研究和開發力度

專家認為，雖然我國硫磺制酸近幾年得到較大發展，但與國外比還有較大差距，為了加快我國硫磺制酸的發展，應在以下幾方面加大研究和開發力度：

1.裝置大型化。據資料介紹，硫磺制酸裝置能力在1200 t/d以上時，國外硫磺制酸裝置最大規模已達3000 t/d，大部分裝置在1000 t/d以上，因此我們應著手開發1000 t/d以上的大型硫磺制酸裝置。

2.采用先進的技術工藝。兩轉兩吸流程在工藝、設備上已日趨成熟，新建裝置應盡量采用兩轉兩吸流程，同時應選用高活性、低燃點的新型釩催化劑，從而提高轉化率，降低能耗和減少二氧化硫排放。

3.綜合利用余熱資源。應充分利用硫磺制酸過程中產生的大量高、中、低溫余熱。高、中溫余熱可用于產生中壓或次高壓蒸氣，低溫余熱可利用HRS裝置回收低壓蒸氣。

4.消化吸收引進的國外先進設備。我國新建或改建硫酸裝置中從國外引進了許多先進裝置，如上海硫酸廠15萬噸/年硫磺制酸裝置引進了美國TECHNOTHERM公司制造的火管鍋、日本的硫磺泵和硫磺噴槍等。這些設備使用壽命長，性能好，國內廠家應積極消化吸收其制造技術，提高我國硫磺制酸裝置總體水平。

5.提高裝置自動化水平。硫磺制酸流程簡單，操作簡便，工藝穩定，容易實現微機自動控制。目前國內現有硫磺制酸裝置與國際先進水平相比有很大差距，在新建或改建硫磺制酸裝置時，應采用微機集散控制系統，提高裝置的自動化水平。

五、研究性課題示例

工業設計：化工廠的選址以及工藝流程的設計。

研究建議：諸如硫酸廠、硝酸廠等化工廠的選址直接關系到人們的生活、工廠的持續性發展。選址需選擇在遠離市民生活區，需選擇在交通發達、水源豐富的地方，需考慮到環境保護措施，如尾氣的排放等等因素。

參考答案：

按現代的設計標準，需要建立生態工業園區。所謂生態工業園區，就是依據循環經濟理論和工業生態學原理而設計成的一種新型工業組織形態，是生態工業的聚集場所。生態工業園區遵從循環經濟的減量化(Reduce)、再使用(Reuse)、再循環(Recycle)的3R原則，其目標是盡量減少區域廢物，將園區內一個工廠或企業產生的副產品用作另一個工廠的投入或原材料，通過廢物交換循環利用、清潔生產等手段，最終實現園區的污染物“零排放”。工業生態學將工業園區這樣一個人工生態系統設想為自然生態系統，也存在著物質、能量和信息的流動與儲存，并通過工業代謝研究，利用生態系統整體性原理，將各種原料、產品、副產物乃至所排放的廢物，利用其物理、化學成分間的相互聯系、相互作用，互為因果的組成一個結構與功能協調的共生網絡系統。從環境保護角度來看，生態工業園區才是最具環保意義和生態綠色概念的工業園區。

生態工業園區與一般的工業園區是有本質區別的，其園區內企業之間的關系更為復雜，并且生態工業園區的建立要比一般的工業園區困難得多。在生態工業園區中，由于一個企業產生的“廢物”或副產品是另一個企業的“營養物”，園區內彼此靠近的工業企業或公司就形成一個相互依存、類似于自然生態食物鏈過程的“工業生態系統”。我們通常用“工業共生”“要素耦合”和“工業生態鏈”等概念來表征這種工業企業之間的關系。

生態工業園區大致可分為3種類型，即改造型、全新型和虛擬型。改造型園區是對現已存在的工業企業通過適當的技術改造，在區域內成員間建立起廢物和能量的交換關系；全新型園區是在園區良好規劃和設計的基礎上，從無到有地進行開發建設，使得企業間可以進行廢物、廢熱等的交換；虛擬型園區不嚴格要求其成員在同一地區，它是利用現代信息技術，通過園區信息系統，首先在計算機上建立成員間的物、能交換聯系，然后再在現實中加以實施，這樣園區內企業可以和園區外企業發生聯系。虛擬型園區可以省去一般建園所需的昂貴的購地費用，避免建立復雜的園區系統和進行艱難的工廠遷址工作，具有很大的靈活性，其缺點是可能要承擔較昂貴的運輸費用。

比如，浙江省衢州沈家工業園區位于錢塘江上游，緊臨無機化工原料基地和氟化工基地，易獲得充足的化工原料，具備發展精細化工的有利條件。該園區現已有幾十家化工企業入駐發展，并已成為當地經濟發展支柱，但由于化工企業易造成環境污染，使得園區保持水體清潔的任務十分艱巨。該園區在建設規劃過程中，著重從以下幾個方面入手：

①產品規劃和物質集成：通過對園區的產品和企業現狀的充分分析，綜合考慮集聚性、市場風險性、技術可行性等因素，辨析出適合沈家園區發展的優勢產品集合；在以上工作的基礎上，提出了物質替代和源頭削減、廢物的利用和交換、廢物再循環3個不同層次上的物質集成方案；最后對園區企業區劃進行了探討。

②廢水集成：在對園區企業用水、排水整體情況進行科學分析的基礎上，詳細討論了在企業內部、企業間及園區整體3個不同的空間范圍內擬采用的技術性對策，以有效改善園區的廢水系統和園區整體水環境；提出了包括加強對企業的用水、排污、治污信息進行采集和加工，合理的水資源收費和廢水處理設施使用收費等在內的一系列管理方案，對企業的用水、排水行為進行調節。

③信息系統建設：該系統包括入園企業評價系統和生態工業園區管理信息系統。前者能夠科學評價企業發展前景、經濟效益、環境效益以及入園后對園區貢獻等多方面因素，為園區的招商管理和決策提供依據；后者將推動園區的高效管理，并為企業和園區的互動提供重

要途徑。

*研究性課題推薦 課題一

社會調查：酸雨對我國名勝古跡的影響。

研究建議：可選擇一些旅游景點，如敦煌莫高窟、張家界、九寨溝等名勝，走訪當地老人，查閱當地的地方志，看我國近年來隨著工業的發展，酸雨程度的強弱以及采取的措施。

課題二

調查受大氣污染嚴重的地區和大氣污染影響較小的地區，居民醫療費用在總支出中所占的比例，哪些疾病所占的費用比例最大？與當地哪些工廠的廢氣排放有關？

第二篇：【鼎尖教案】高中化學(大綱版)第三冊 第五單元 硫酸工業 第一節接觸法制硫酸(備課資料)

●備課資料

一、接觸法制硫酸的五個“三”

1.三階段：利用的原料為黃鐵礦(FeS2)和空氣，反應中其分三個階段，二氧化硫的制取、二氧化硫氧化成三氧化硫、三氧化硫的吸收和硫酸的生成。

2.三原理：(三方程)：

高溫①4FeS2＋11O2?????2Fe2O3＋8SO2

③SO3＋H2O===H2SO4

3.三設備：

結合三個階段，有三種設備：沸騰爐(為使硫鐵礦充分和迅速地燃燒，把硫鐵礦粉碎成細小的礦粒后，放在特制的爐子里燃燒。當燃燒的時候，從爐底通入強大的空氣流，把礦粒吹得在爐內一定空間里劇烈沸騰，好像“沸騰的液體”一樣，因此，此種爐子稱沸騰爐)；接觸室(把生成的SO2和O2混合氣體加熱到一定溫度400～500℃，通入裝有催化劑的接觸室，因為催化劑又稱觸媒，所以該設備稱接觸室)；吸收塔(通過接觸室出來的SO3直接送入吸收塔，以便形成硫酸。SO3和H2O直接化合制得硫酸，但在吸收塔里不是直接用水來吸收SO3，因為用水作吸收劑時，容易形成酸霧并放出大量的熱，吸收速度慢，不利于吸收SO3。在吸收塔中，是用98.3%的濃硫酸來吸收SO3的)。

4.三原理

熱交換原理(把在反應中放出的熱量傳遞給原料，使之預熱，主要在接觸室中體現)；逆流生產原理(反應物固體從上往下運動、氣體從下往上運動，逆向進料，充分反應)；連續生產原理(自開工之日起到爐子報廢止不得停工，連續生產)。

5.三凈化

除去爐氣中含有的水及砷、硒的化合物、礦塵等。凈化時通過三種裝置：除塵室、洗滌塔、干燥塔。

二、生產硫酸的原料

生產硫酸所用原料主要有：硫、硫鐵礦、硫酸鹽和含硫工業廢物。

硫

硫是生產硫酸所用的主要原料之一。用硫作原料時由于雜質少，所以生產比較簡單，基建費、操作費比用其他原料要低得多。在資本主義國家以硫為原料的硫酸產量已超過60%(美國占82%)。以日本為例，從1971年才開始用硫作原料，至1977年，以硫為原料的硫酸產量已達16%以上。我國過去很少用硫作原料，1957年僅1.8%，1982年達到16%。近年來，由于硫鐵礦的大量開采和采用冶金廢氣，從國外進口的硫已逐年減少，1986年僅占4%。

硫鐵礦

硫鐵礦也是生產硫酸所用的主要原料。我國、西德、蘇聯都用它作主要原料。在我國用硫鐵礦生產的硫酸約占總產量的70%。硫鐵礦有三種：普通硫鐵礦、浮選硫鐵礦和含煤硫鐵礦。普通硫鐵礦呈金黃色，有金屬光澤，含硫25～52%，鐵35～44%。其余是雜質如銅、鋅、鉛、砷、鎳、鈷、碲等的硫化物，鈣、鎂的硫酸鹽、碳酸鹽以及石英等。生產硫酸用的硫鐵礦含硫一般不少于30%。廣東云浮硫鐵礦是我國最大的礦山，硫鐵礦含硫約37%。浮選硫鐵礦是浮選銅或鋅的硫化物礦所選出的廢物，所以又稱尾砂，其含硫量一般為30～40%。含煤硫鐵礦是采煤或選煤時得到的廢物，一般含硫35～40%，含碳10～20%。

為了提高使用硫鐵礦的經濟效益，許多國家都在礦山進行選礦，使礦石含硫量達到50%。

這樣不僅可以節省運輸費用，而且還可以節省操作費用，便于對礦渣和能量進行綜合利用。硫酸鹽

自然界的石膏(CaSO4)、芒硝(Na2SO4)可以作為生產硫酸的原料。如以石膏為原料可以與水泥聯合生產。生產時向石膏中摻粘土以及其他水泥所需的成分，混合后在爐中灼燒，這時發生下列反應：

2CaSO4＋C????2CaO＋SO2↑＋CO2↑

由此產生的SO2可以用來生產H2SO4,CaO則與其他成分如Al2O3、Fe2O3、SiO2等結合成水泥。

含硫工業廢物

有色冶金廠副產大量含SO2的廢氣，低品位燃料燃燒后廢氣中也含有SO2。某些工廠的廢液、污泥如金屬加工廠的酸洗液、石油煉廠的廢酸、污泥等都可以用來生產硫酸。利用工業廢物制造硫酸具有非常重大的意義，它不僅處理了有害廢物，而且使制酸成本大為降低。目前使用較多的廢氣主要是治金廠廢氣，用冶金廢氣生產的硫酸占總產量的比例：全世界為15%，日本和加拿大為60%和59%。我國近年來使用冶金廢氣生產硫酸發展很快。例如江西貴溪冶煉廠，利用煉銅廢氣生產硫酸，已成為我國單系列產量最大的硫酸廠。我國利用冶煉廢氣生產硫酸的比重已從1983年的11%上升到1986年的20%。

對于一個硫酸廠來講，究竟應該采用哪種原料進行生產，主要決定于該原料是否可以經濟地大量獲得。在我國，主要原料仍然是硫鐵礦，但隨著工業的發展，其他原料如工業廢物及硫由于生產成本較低，所占的比重將越來越大。

三、生產硫酸工藝條件的優化 反應的物理化學基礎說明，二氧化硫的氧化是一個可逆、放熱、體積變小、活化能較大的反應。在催化劑的作用下，可以有實際意義的反應速率。催化劑的活性溫度為430～600℃，在430℃時，可以獲得96%以上的實際轉化率。既然轉化率已相當高就應該采用一次通過流程，未轉化的尾氣如不進行綜合利用，勢必排放，這樣既浪費了資源，又污染了環境。因此從提高經濟效益和社會效益這一目標考慮，工藝條件應當適當提高實際轉化率。但實際轉化率又不能太高，因為還需兼顧反應速率以免投資和操作費用過大。

1.反應溫度

優化的反應溫度必須在催化劑活性范圍以內。根據可逆、放熱反應的特點，反應開始時，反應溫度應該高些例如580℃,以爭取獲得較大的反應速率，反應后期反應溫度應該低一些，例如430～440℃，以獲得較高的轉化率。圖1為不同轉化率時的最優反應溫度線和平衡溫度線。?

圖1 平衡溫度線與最優反應溫度線

2.最終轉化率

提高轉化率是優化的主要目標，轉化率應該越大越好。轉化率越大，原料利用率越高，許多設備的生產能力越大，環保費用越少，生產成本越低。但是轉化率越大，反應速率越小，所需催化劑和反應器的設備費也越大(見圖2)。既然轉化率對生產成本有雙重的、相反的影響，當生產成本對轉化率作圖時，必將會有一個最低點(圖3)。這個最低點就是最優轉化率。在二氧化硫的初始濃度為8%以及其他生產條件下，最優轉化率是97.7%。

如果二氧化硫的初始濃度為8%，轉化率為97.7%。這時尾氣所含的二氧化硫的濃度將超過排放標準，必然另外采取廢氣治理措施。新建工廠常采用兩次轉化的辦法。它采用的初始濃度為10%，第一次轉化率為95%左右，反應生成的三氧化硫被吸收為硫酸，然后再進行第二次轉化。如果第二次的轉化率也是95%，則總轉化率將達到99.75%。轉化率為99.75%的尾氣含二氧化硫的濃度是低于排放標準的。

綜上所述，兩次轉化法的優點是十分突出的：初始濃度大，反應速率快(轉化率為95%時的反應速率比97.7%差不多快一倍)，生產能力大(差大多要增產30%)，不需治理廢氣。當然兩次轉化法也有缺點，例如需要增加一套吸收裝置，需要較大的換熱器，由于流程加長，動力費也必須有所增加等，但與優點相比，這畢竟是次要的，因此新建硫酸廠一般都采用兩次轉化法。

圖2 轉化率與催化劑用量

圖3 轉化率與成本

不過當原料氣的二氧化硫的濃度很低時，兩次轉化法并不適用，因為反應放出的熱量太少，吸收時由于冷卻損失的熱量較多，不足以使氣體再次升溫進行第二次轉化。兩次轉化法是提高可逆反應轉化率的一種非常有效的方法。兩次轉化法可以應用于類似的生產中(例如油脂的水解)。不過，它必須以第一次轉化與第二次轉化之間的未反應物與產物的分離比較徹底且容易進行為前提。

3.反應壓強

加壓雖然可以提高平衡轉化率，但實際轉化率已很高，加壓需要增加動力，經濟上并不合算，一般工廠都是常壓法生產。但是加壓可以提高轉化率，使尾氣達到排放標準，而且還可以提高產量，使投資費降低，目前僅法國，加拿大，日本有少數工廠采用加壓法，壓強為0.5～3 MPa。

4.原料氣組成

常壓兩次轉化法所用的原料氣含SO2一般為10～12%。與此相對應O2的濃度為8～6%,這是用硫鐵礦和空氣為原料，采用沸騰爐所能夠得到的濃度。為了提高SO2轉化率和加快反應速率，原料氣摻入少量空氣，使SO2降為8～10%，氧上升為10～8%。近年來，有色冶煉廠采用富氧、純氧冶金法。煙氣含二氧化硫的濃度可達到20%，甚至40%。采用這種煙氣制酸，可以大幅度地提高反應速率和設備的生產能力，這是硫酸生產的新動向。

5.空速

為了提高轉化率，空速不宜太大，一般的采用不循環流程的氣固催化反應的空速為

200～1000 h。具體的選擇取決于催化劑的活性，對于二氧化硫的催化氧化，空速約600～ 700 h。

四、硫酸的用途

硫酸是化學工業中重要產品之一，是許多工業生產所用的重要原料。硫酸常列為國家主要重工業產品之一。

硫酸的用途十分廣泛，主要有下列幾方面：

化肥工業：硫酸與氨反應生成硫酸銨(肥田粉)，與磷礦粉反應生成過磷酸鈣，每生產一噸硫酸銨要消耗750 kg硫酸；一噸過磷酸鈣要消耗360 kg硫酸。近年來，已逐漸用其他氮肥如尿素、碳酸氫銨、氨水、硝酸銨等代替硫酸銨，使硫酸用于生產氮肥的用量有所減少，但硫酸用于磷肥仍在增長。目前化肥工業(主要是磷肥)仍然是硫酸的最大用戶，國外化肥用酸約占硫酸總消費量的40%，我國化肥用酸約占60%。

有機合成工業：在有機合成工業中要用硫酸生產各種磺化產品、硝化產品，如每生產一噸錦綸需發煙硫酸1.7噸；一噸TNT消耗360 kg硫酸。

石油工業：石油產品精煉時要用硫酸除去產品中的不飽和烴等，例如每噸柴油要消耗 31 kg硫酸。

金屬工業：金屬銅、鋅、鎘、鎳的精煉，其電解液需用硫酸配制；電鍍、搪瓷工業需用酸洗去其表面的鐵銹和氧化鐵。

無機鹽工業：在無機鹽工業中，硫酸作為一種最易大量獲得、價格低廉的酸，用以生產各種硫酸鹽、磷酸鹽、鉻酸鹽等。

原子能工業：大量硫酸用于離子交換法提取鈾。

五、工業上制備硫酸，為什么要用98.3%的硫酸來吸收SO3，而不是用水或其他濃度的硫酸？

因為工業上對三氧化硫的吸收，既要速度快，又要使SO3吸收完全，還希望得到濃硫酸或發煙硫酸。

當用水或稀硫酸來吸收SO3時，由于在水(或稀硫酸)表面上有大量水蒸氣，它立即與SO3分子化合成氣態硫酸分子。它們來不及被水吸收就互相凝聚成霧滴——酸霧。它比三氧化硫的顆粒大，擴散速度慢，不易被水吸收，使吸收不完全。

為了不使三氧化硫在吸收過程中形成酸霧應該采用液面上不含水蒸氣或少含水蒸氣的硫酸；又為了使三氧化硫盡可能吸收完全，還應該采用不含三氧化硫蒸氣或三氧化硫蒸氣最少的硫酸。通過實驗測得98.3%的濃硫酸兼有以上二個特點。濃度大于98.3%的硫酸，雖然液面上基本沒有水蒸氣，但有三氧化硫；濃度小于98.3%的硫酸，液面上雖然基本沒有三氧化硫但有水蒸氣；硫酸濃度越大，三氧化硫就越多；硫酸濃度越小，水蒸氣就越多，只有98.3%的硫酸液面上水蒸氣和三氧化硫都很少。所以用98.3%的硫酸吸收三氧化硫。

六、發煙硫酸、純硫酸、濃硫酸、稀硫酸有何區別和聯系？ 將SO3氣體溶解在濃硫酸中所成的溶液稱為發煙硫酸。發煙硫酸暴露在空氣中時，揮發出的SO3氣體和空氣中的水蒸氣形成硫酸的小液滴而發煙。發煙硫酸的脫水性、吸水性和氧化性都比濃硫酸更強。在硫酸工業上常用98.3%的硫酸來吸收SO3，得到發煙硫酸，再用92.3%硫酸來稀釋發煙硫酸，得到市售的98.3%濃硫酸。

純硫酸是無色油狀液體，100%的純硫酸幾乎不導電。加熱純硫酸放出SO3直至酸的濃度降低至98.3%，此時沸點為338℃，再繼續加熱，硫酸的濃度不變，所以不能用蒸發的方法得到無水硫酸。

市售的濃硫酸一般含有H2SO4為96～98%,比重1.84克/毫升，相當于18摩/升。具有強烈的吸水性、氧化性、脫水性，能把鐵、鋁鈍化。

通常用來制取氫氣的稀硫酸其濃度約為3～4摩/升，具有酸的通性，無吸水性、脫水性，－1－能和鐵、鋁劇烈反應放出H2。

七、怎樣用關系式法解有關接觸法生產硫酸的問題？

例如：以硫鐵礦為原料，用接觸法制硫酸，若燃燒硫鐵礦中硫的損失率為10%,SO2氧化時的轉化率為90%,SO3的吸收率為95%。生產20噸98%的濃硫酸，需含FeS2 75%的硫鐵礦多少噸？

解由FeS2制H2SO4的三個反應方程式得出下列關系式：

燃燒硫鐵礦硫的損失率10%可視為FeS2的利用率為90%,SO2的轉化率、SO3的吸收率都可視為FeS2的利用率。

設：需含FeS2 75%的硫鐵礦為x噸。則：

FeS2

～

2H2SO4

120

2×98 x·75%·90%·90%·95%

20×98% 所以120×20×98%=x·75%·90%·90%·95%×2×98 所以x=20.8噸

答：需75%的FeS2的硫鐵礦20.8噸。

第三篇：【鼎尖教案】高中化學(大綱版)第三冊 第五單元 硫酸工業 第一節接觸法制硫酸(第一課時)

第五單元

硫酸工業 第一節

接觸法制硫酸

●教學目標

1.使學生了解接觸法制硫酸的化學原理、原料、生產流程和典型設備。

2.通過二氧化硫接觸氧化條件的討論，復習鞏固關于化學反應速率和化學平衡的知識，訓練學生應用理論知識分析和解決問題的能力。

●教學重點

二氧化硫的接觸氧化。●教學難點

SO2的接觸氧化和SO3的吸收。●教學方法

討論、分析、設疑、講解。●課時安排 共兩課時。

第一課時：工業上制硫酸的反應原理，原料及主要生產過程。

第二課時：SO2接觸氧化的最佳反應條件的討論及化工生產的工藝條件。●教學用具

投影儀、膠片、大屏幕 接觸室模型 ●教學過程

第一課時

［引言］我們知道，硫酸是中學化學實驗中一種常用的試劑，同時，硫酸工業在國民經濟中也占有重要的地位，是許多工業生產所用的重要原料，如化肥工業、有機合成工業、石油工業、金屬工業、無機鹽工業、原子能工業等都要消耗大量的硫酸，因而硫酸的消費量常視為一個國家工業發達水平的標志。硫酸如此重要，工業上是如何生產硫酸的呢？這就是本章我們將要學習的內容。

［板書］第五單元

硫酸工業

［引言］硫酸是最早的工業產品之一。硫酸的生產始于10世紀，發展至今，接觸法制硫酸已成為一個成熟的工藝，被世界各國廣泛采用。下面，我們就來學習接觸法制硫酸。

［板書］第一節

接觸法制硫酸 ［師］首先，請大家根據已學知識，來推測制取硫酸的反應原理。并用化學方程式表示出來。

［教師板書］

一、反應原理

［學生思考，請一位同學上黑板書寫］ ［學生板書］1.S＋O2===SO2

3.SO3＋H2O===H2SO4

［注，基本上所有同學都是寫的以上反應］

［教師評講］大家所寫反應，實際上就是以硫為原料制取硫酸的反應原理。從以上化學反應方程式可以看出，以硫為原料制取硫酸要經歷三個反應歷程：即首先是硫氧化為二氧化硫，然后再將二氧化硫進一步氧化為三氧化硫，最后，把得到的三氧化硫用水吸收即得硫酸。

［講述］世界上硫酸的生產主要以硫為原料，用硫作原料時雜質少，生產比較簡單，成本要比其他原料低得多。但我國由于硫資源缺乏，而且開采條件比較復雜，現階段我國硫酸的生產原料以黃鐵礦(主要成分為FeS2)為主，部分工廠用有色金屬冶煉廠的煙氣、礦產硫黃或從石油、天然氣脫硫獲得硫黃作原料。

已知硫鐵礦的主要成分是二硫化亞鐵。

［草板書］FeS2 ［繼續講解］它在高溫下和空氣反應可生成氧化鐵和二氧化硫，請大家寫出該反應的化學方程式。

［學生活動，教師巡視］

［請一位同學上黑板寫出，并板書于黑板上S＋O2===SO2反應方程式的下面］

高溫［學生板書］4FeS2＋11O2?????2Fe2O3＋8SO2

［注：學生在書寫上述化學方程式時，一般在配平上有一定的困難，常需教師指導或講解］

［過渡］下面，是世界硫酸生產的原料構成和我國硫酸生產原料構成的部分統計數字，請大家參閱：

［投影］1.世界硫酸生產的原料構成：

2.我國硫酸生產原料的構成

1988～1992年中國硫酸生產的原料構成/%

［講解］以硫鐵礦為原料生產硫酸或以其他物質為原料生產硫酸，其反應的第一步都是為了制得SO2，如以石膏為原料的第一步反應就是：

［草板書］2CaSO4＋C????2CaO＋2SO2↑＋CO2

［講解］生產硫酸采用哪種原料生產，主要取決于該原料是否可以經濟地大量獲得。世界上生產硫酸主要以硫作原料，我國目前生產硫酸的原料仍主要是黃鐵礦。

［過渡］剛剛我們學習了制取硫酸的反應原理，那么，工業上是如何將這一原理付諸于實踐的呢？

下面，我們就來認識一下工業生產硫酸的工藝流程。［板書］

二、工業制硫酸的生產流程。

?

［承接］工業上制硫酸主要經過以下幾個途徑： ［板書］

［講解］由以上制取硫酸的反應原理可知，硫酸生產的第一階段是制SO2氣體。將硫磺或經過粉碎的黃鐵礦放在專門的燃燒爐中，利用空氣中的氧氣使其燃燒，制得二氧化硫。工業上被之為“造氣”。

［過渡］以黃鐵礦為原料制取SO2的設備叫沸騰爐。

［投影］沸騰爐示意圖

［設問］沸騰爐的名稱是怎么得來的呢？ 請大家從課本上找出答案。

［學生閱讀課文］

［學生回答］當黃鐵礦在燃燒爐內燃燒時，從爐底通入強大的空氣流，在爐內一定空間內，把礦粒吹得劇烈翻騰，好像“沸騰著的液體”。因此，人們把這種燃燒爐叫做“沸騰爐”。

［討論］黃鐵礦燃燒時為什么要粉碎成細小的礦粒，并且在燃燒爐中通入強大的空氣流使之“沸騰”呢？ ［學生回答］

［教師小結］礦石粉碎成細小的礦粒，是為了增大與空氣的接觸面積，通入強大的空氣流為使礦粒燃燒得更充分，從而提高原料的利用率。

［設問］黃鐵礦經過充分燃燒，以燃燒爐里出來的氣體叫做“爐氣”。但這種爐氣往往不能直接用于制取SO3，這是為什么呢？請大家閱讀課本回答。

［學生閱讀課本后回答］這是因為爐氣中常含有很多雜質，如N2，水蒸氣，還有砷、硒的化合物及礦塵等。這些雜質有些是對生產不利的，如砷硒的化合物、礦塵能夠使下一步氧化時的催化劑中毒，水蒸氣對設備也有不良影響，因此爐氣必須經過凈化、干燥處理。

［思考］若用燃燒硫黃制得的爐氣的成分有哪些？需凈化和干燥處理嗎？

［答案］用硫黃為原料制得的爐氣成分主要有SO2、O2、N2等，雜質較少，不需處理。［講述］經凈化、干燥的爐氣其成分及組成為：SO

27%;O2

11%;N2

82%。［投影］經凈化、干燥的爐氣成分：

(注：為體積分數)

［議一議］1.N2對硫酸生產沒有用處，為什么不除去？

2.工業生產上為什么要控制條件使SO2、O2處于上述比例呢？ ［學生分組討論：并互相交流討論結果］

［答案］1.N2對硫酸的生產沒有用處，但也沒有不利之處，若要除去，勢必會增加生產成本，從綜合經濟效益分析沒有除去的必要。

2.這樣的比例是增大反應物中廉價的氧氣的濃度，而提高另一種反應物二氧化硫的轉化率，從而有利于SO2的進一步氧化。

［小結］這節課我們主要介紹了接觸法制硫酸的反應原理、生產過程、硫酸生產原料的選擇及硫酸生產第一階段即造氣階段的生產要求。在原料的選擇及造氣階段，我們要體會工業生產同化學實驗的區別。

［布置作業］復習化學反應速率及化學平衡的知識。●板書設計

第五章

硫酸工業

第一節

接觸法制硫酸(第一課時)

一、反應原理

點燃1.S＋O2????SO2

高溫4FeS2＋11O2????2Fe2O3＋8SO2

3.SO3＋H2O===H2SO4

二、工業制硫酸的生產流程

第四篇：關于硫酸工業綜合經濟效益的討論

第二節 關于硫酸工業綜合經濟效益的討論

●教學目標

1.使學生常識性地了解化學科學實驗與化工生產的區別。

2.使學生對于如何提高化工生產的綜合經濟效益有一個常識性的認識。3.通過課堂討論培養學生分析問題和解決問題的能力。●教學重點

以硫酸工業為例對化工生產中如何提高經濟效益的討論。●教學難點

關于選擇硫酸廠廠址的課堂討論。●教學方法

討論、自學、講解等。●課時安排 共一課時 教具準備 投影儀、膠片 ●教學過程

［引言］前一節我們學習了硫酸生產的原料、流程和典型設備，并著重討論了二氧化硫接觸氧化反應的最佳工藝條件。確切地說，這僅僅是模擬化工生產。要想真正將化學實驗結果應用到實際生產，必須在遵循科學原理的基礎上著重考慮綜合效益，即要求最大限度地提高勞動生產率、降低成本、保護生態環境，為國民經濟部門提供質優價廉的化工產品。這同科學實驗是不同的，在科學實驗中，為了探索某個重要的原理或實現某個重要反應，有時可以不惜花費大量的時間和資金。下面，我們就以硫酸工業為例討論在化工生產中的綜合經濟效益問題。

［板書］第二節 關于硫酸工業綜合經濟效益的討論

［講解］根據綠色化學和可持續發展的要求，一個現代化的化工企業，應該朝著無廢物排出的“封閉式生產”的方向努力。那么工業生產上如何實現上述要求呢？這是工業生產需要考慮的第一個問題。

［板書］

一、環境保護與綜合利用原料

［講解］在化工生產中某一生產部門產生的三廢，即廢氣、廢液、廢渣，往往可能是其他生產部門有用的原料。

［提問］硫酸工業生產中產生哪些廢物？這些廢物又如何處理呢？ ［學生回答］

［教師小結］硫酸生產的第三階段，即三氧化硫的吸收階段從吸收塔中排出含少量二氧化硫的廢氣。黃鐵礦礦粉在沸騰爐中燃燒后產生大量廢渣。爐氣的凈化、干燥過程中產生廢液。

［講解］這些廢物若隨意排放，不僅會造成嚴重的環境污染，影響人民身體健康，破壞生態平衡，不符合綠色化學和可持續發展的要求，而且還會造成某些原料的浪費，不利于降低生產成本，也不利于節約資源的要求。因此，在建設硫酸生產車間時，必須同步建設處理“三廢”的設施，盡可能地將三廢變成有用的副產品，實行綜合利用。同時使“三廢”的排放符合國家標準。

［引導］我們首先來看一下硫酸生產中“廢氣”的處理。［投影］硫酸生產中尾氣的處理

［講解］硫酸生產中尾氣的處理有多種方法，具體采用哪種處理方法，取決于副產品的市場需求、成本核算等實際情況。

［過渡］請同學們完成上述化學方程式。［教師巡視］

［學生口述化學反應，教師板書］ ［板書］1.廢氣處理

①氨水吸收，再用硫酸處理 SO2＋2NH3＋H2O===(NH4)2SO3

(NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O ②用Na2SO3溶液吸收，然后加熱吸收液 SO2＋Na2SO3＋H2O===2NaHSO3

2NaHSO3????Na2SO3＋SO2↑＋H2O ③用NaOH溶液吸收，再用石灰乳和O2處理 SO2＋2NaOH===Na2SO3＋H2O Na2SO3＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋2NaOH 2CaSO3＋O2===2CaSO4

［講解］沸騰爐中產生的廢渣一般可作為制造水泥的輔料或用于制磚。若礦渣中含鐵品位高，經處理后作為鐵礦煉鐵，則可獲得更大的經濟效益。

［板書］ ?

［講解］生產中產生的含有硫酸的廢液，經處理后可作為劣質硫酸出售，也可用石灰乳中和制得副產品石膏。

［板書］

Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O ［轉引］許多化學反應是放熱反應，化工生產中若能充分利用反應熱，這對降低生產成本具有重要的意義。

［板書］

二、能量的充分利用

［過渡］硫酸工業生產中如何充分利用能量呢？

［師］下面是硫酸生產過程中所涉及的三步反應的熱化學方程式。［投影］

1.S(s)＋O2(g)===SO2(g);ΔH=－297 kJ/mol 高溫111FeS2(s)＋O2(g)?????Fe2O3(s)＋2SO2(g);ΔH=－853 kJ/mol 423.SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l);ΔH=－130.3 kJ/mol ［師］很明顯，上述反應均為典型的放熱反應，假如我們能把這些熱量充分利用，有什么重要的意義呢？

請大家看以下投影資料。

［投影并講解］硫酸生產過程中要消耗大量的能量。例如，開動機器設備(礦石粉碎機、運輸裝置、鼓風機、泵等)需要電能，維持接觸氧化適宜的溫度(400℃～500℃)需要熱能。由于硫酸生產過程中三個化學反應都是放熱反應，可以充分利用這些反應放出的熱能以降低生產成本。例如，在沸騰爐旁設置“廢熱”鍋爐，產生蒸氣來發電；在接觸室中設熱交換裝置，利用SO2氧化為SO3時放出的熱來預熱即將參加反應的SO2和O2，使其達到適宜的反應溫度。據測算，生產1 t硫酸約需消耗100 kW·h的電能，而相應量反應物在 生產過程中放出的反應熱相當于200 kW·h的電能。

［講解］以上資料顯示：硫酸生產中如能充分利用“廢熱”，則不僅不需要由外界向硫酸廠供應能量，而且還可以由硫酸廠向外界輸送大量的能量。

［板書］若充分利用“廢熱”，則不僅不需要由外界向工廠供能，而且還可以由工廠向外界供能。

［過渡］以上我們實際上是從物質和能量的充分利用討論了工業生產的綜合經濟效益問題。下面我們討論硫酸生產規模和廠址的選擇問題。

［板書］

三、生產規模和廠址選擇

［講解］現代化工生產一般要求有較大的規模。因為大型化生產可以降低單位產量投資，便于熱能的綜合利用和提高勞動生產率，因而總的經濟效益較大。

［投影］據報道，國外一套年產40萬噸的硫磺制硫酸裝置比年產20萬噸的裝置成本降低14%；我國一套年產10萬噸的黃鐵礦制酸裝置比年產3萬噸的裝置成本降低23%。

［小結］考慮我國的實際情況，有關部門主張，在一般情況下，應發展年產4萬噸以上的制硫酸裝置。

［板書］1.生產規模——年產4萬噸以上。

［過渡］化工廠廠址選擇是一個復雜的問題，它涉及原料、水源、能源、土地供應、市場需求、交通運輸和環境保護等諸多因素。

［投影］影響化工廠選址的部分因素：

［過渡］為什么要考慮上述那么多的因素呢？請大家以硫酸廠廠址選擇為例予以說明。

［提示大家閱讀課本最后兩個自然段進行回答］

［學生閱讀完有關內容后回答］硫酸是一種腐蝕性液體，不能像普通固體化工產品那樣可以較多地貯存，需要隨產隨銷。硫酸的運輸費用比較高。據估算1 t H2SO4的運價約為同質量黃鐵礦礦石的三倍。這樣就決定了硫酸廠靠近消費中心比靠近原料產地更為有利。因此，考慮到綜合經濟效益，硫酸廠廠址離硫酸消費中心不能太遠。在決定建廠規模時，可以考慮在消費中心建廠規模大些，在邊遠或硫酸用量不多的地區，建廠規模小些。

環保問題是硫酸廠選址的另一個重要因素。硫酸廠對環境的污染是比較嚴重的。限于當前的技術水平，即使十分注意“三廢”處理，也難以達到較高的環保要求。因此，硫酸廠不應建在人口稠密的居民區和環保要求高的地區。

［教師總結板書］2.廠址選擇——原料、水源、能源、交通、土地供應、市場需求等。

［過渡］運用我們剛才學過的知識討論兩個問題。［投影］

1.在以下條件下，你認為A城市該不該建硫酸廠？

(1)A城市郊區有豐富的黃鐵礦資源，水源、能源充足，交通方便。

(2)A城市需使用硫酸的工業不多，而離它遠的B城市卻是一個消耗硫酸甚多的工業城市。(3)A城市是一個風光秀麗的旅游城市，對環境保護的要求甚高，而且土地價格較貴，土地供應緊張。

［學生討論回答］

［講解］我們對三個條件要全面分析：第一個條件有利于在A城市建硫酸廠；第二個條件從市場需求和運輸成本考慮，在A城市建廠不如在B城市建廠；第三個條件從根本上否定了在A城市建廠的設想。因為一個風光秀麗的旅游城市，對環保的要求一定很高。而且該地的土地價格也較貴。如果在該地建污染比較嚴重的硫酸廠，必然破壞旅游資源，得不償失。所以應該在B城市建硫酸廠，再運輸少量硫酸到A城市供應生產的需要，這樣的資源配置比較合理。

［投影］

2.有人建議在C地建一個大型磷肥廠，并配套建一個大型硫酸廠。分析以下情況，判斷此建議是否合理。

(1)C地是重要的農業區，需消耗大量的肥料。

(2)C地有豐富的磷灰石礦藏，水源、能源充足，土地價格較低，土地供應充足，交通方便。

(3)磷肥是由磷灰石［有效成分是Ca3(PO4)2］與H2SO4作用制得的，制造磷肥需消耗大量的硫酸。

(4)C地無磷肥廠和硫酸廠，在相鄰的D地有豐富的黃鐵礦資源。［學生討論回答］

［講解］題設有四個條件。第一個條件說明C地對于肥料有很大的市場需求。第二個條件指出C地有豐富的磷礦資源，而且其他條件也很優越，適于建大型磷肥廠。第三個條件指出制造磷肥需消耗大量硫酸，暗示建磷肥廠必須配套建硫酸廠。第四個條件指出該地無硫酸廠，而鄰近的D地有豐富的黃鐵礦資源，通過運輸黃鐵礦的方式在C地建硫酸廠是可行的。所以在C地建一個大型磷肥廠，并配套建一個大型硫酸廠的建議是正確的。

［布置作業］習題

一、2、3

二、1 ●板書設計

第二節 關于硫酸工業綜合經濟效益的討論

一、環境保護與綜合利用原料 1.廢氣處理

①氨水吸收，再用硫酸處理 SO2＋2NH3＋H2O===(NH4)2SO3

(NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O ②用Na2SO3溶液吸收，然后加熱吸收液 SO2＋Na2SO3＋H2O===2NaHSO3

2NaHSO3????Na2SO3＋SO2↑＋H2O ③用NaOH溶液吸收，再用石灰乳和O2處理 SO2＋2NaOH===Na2SO3＋H2O Na2SO3＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋2NaOH 2CaSO3＋O2===2CaSO4 ?

Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O

二、能量的充分利用

若能充分利用“廢熱”，則不僅不需要由外界向工廠供能，而且還可以由工廠向外界供能。

三、生產規模和廠址選擇 1.生產規模——年產4萬噸以上

2.廠址選擇——原料、水源、能源、交通、土地供應、市場需求等。●教學說明

過去課本中關于化工生產的知識，只研究它的化學原理和簡單生產流程，不研究經濟效益問題，學生對化工生產的認識也就是片面的，本節內容對化工生產中的一些經濟問題，作了常識性介紹。目的使學生對這些問題有一個初步的，概括的認識。

教學中以硫酸工業為例，從環境保護和綜合利用原料，合理利用能量以及化工生產的規模和廠址選擇三個方面展開討論，將化工生產知識與工業經濟觀念密切結合起來，培養學生分析問題和解決問題的能力，這對于他們今后參加社會主義建設極為有用。

在教學策略上本課盡可能采用資料、投影多媒體等教學手段，以激發學生學習興趣。通過閱讀、討論、講解等教學方法，訓練學生思維和閱讀能力，同時增進師生之間，學生之間的交流與合作。

第五篇：【鼎尖教案】高中化學(大綱版)第三冊 第四單元 電解原理及其應用 第二節氯堿工業(備課資料)

●備課資料

1.用培養皿做電解質溶液導電性的實驗 ［操作］

(1)在直徑為12厘米的培養皿里加入30毫升蒸餾水，用碳棒作電極制成電解槽。電路里串聯2.5伏的小電珠，接通20～30伏直流電源，如右圖所示。

(2)向培養皿里的水中滴加飽和硝酸鉀溶液，邊滴邊攪拌，到電珠燈絲剛好出現極微弱的紅光，停止滴加，并關掉電源。

(3)在培養皿中央放入一粒高錳酸鉀晶體，并接通電源。可以看到隨著高錳酸鉀的溶解、分散，離子的增多和定向移動，電珠由暗到明的同步變化。

2.趣味電解實驗

藥品：0.001 mol·L－1 AgNO3溶液，濃氨水

儀器：培養皿，滴管，鉑電極兩個，穩定電源一個

過程(1)在培養皿中加入足量的AgNO3溶液，滴入濃氨水至沉淀溶解為止。

(2)將陽極伸入溶液，浸沒在容器一側；陰極在容器另一側，僅與溶液表面接觸，如下圖。

(3)通6 V電源。現象：可以清晰地看到通電以后，在與陰極接觸的溶液部位剛開始產生一點銀白色的金屬，接著便迅速地開始向著陽極生長，類似于古生橛子類植物葉子的形狀。

注意點：(1)電解液中，［Ag＋］不能大。

(2)為使現象明顯，便于全班學生觀察，最好使用實物投影儀器。

3.課題研究示例

提高實驗室電解水制備氫氣效率方法的探索 背景資料：

在實驗室制備氫氣過程中，經常會發現電解水效率不高的問題。如何有效提高水的轉化率呢？

實驗要求：

1.設計實驗裝置，并闡述影響電解水轉化率的因素及其改進措施； 2.能對實驗數據進行較為詳細地分析。

參考答案：

實驗原理和成敗關鍵：電解是在外電源作用下被迫發生的氧化還原過程。水在通直流電時，在兩極發生氧化還原反應，在陽極上氫氧根離子失去電子，放出氧氣。在陰極上，氫離

子獲得電子，產生氫氣。從理論上講，所產生的氫氣和氧氣的體積比恰好為2∶1。實驗過程中，時常會出現兩種氣體的體積比與理論上存在偏差的現象(氧氣的體積偏小，氫氣的體積偏大)。造成這種結果的原因是多方面的，但其中最主要的是氫和氧在電極上析出時的超電勢(相當于物理中的反電動勢)。影響電極析出氣體的超電勢的因素可以有以下幾個方面：

1.電流密度：同一種電極，作用在它上面的電流密度小，則超電勢也較小。下面是幾種常用電極從濃度為1 mol/L H2SO4溶液中析出氫時的超電勢(見下表)：

不同金屬電極上從1 mol/L H2SO4溶液中析出氫的超電勢

2.電極的活性：由上表可以看出，較活潑的金屬比活潑性稍差的金屬作電極時，它的析出超電勢要高；

3.析氧的超電勢一般比析氫高，如以Pt為電極稀硫酸為電解液，析出氧的超電勢均為 0.5 V。

由以上幾點分析可知，以稀H2SO4作電解液時，為了確保電解過程中產生的氫氣和氧氣的體積比為2∶1，應該盡可能選用不活潑的金屬(或石墨)作為電極；適當增大電流密度(升高電壓)使析出氫、氧的超電勢的差距縮小，兩種氣體基本上同時析出。

在堿性條件下(以NaOH或KOH為電解質)電解水時，因多數電極不易與溶液發生反應，而且氣體析出的超電勢差距不大，只要電流密度稍大(電壓略高)，對電極要求不高。

操作要點：

1.自制霍夫曼式電解器。

(1)自制裝置

①取一段長10 cm內徑約4 cm的粗玻璃管(如廢日光燈管)。上下口各配一適當大小的橡膠塞。在上口的膠塞上安裝兩支堿式滴定管，下面的膠塞上安裝上一個直角(或U形)玻璃管，再插上兩個曲別針(作電極)。將裝置固定在鐵架臺上。用一根長玻璃管將一個漏斗和直角玻璃管連接起來，使漏斗的上口超過堿式滴定管的滴液口。

②調整滴定管的位置，使它們離下面膠塞的距離約1 cm，曲別針正好在滴定管的中間。(2)電解操作：

①擠壓滴定管上的乳膠管，將濃度為10%的NaOH溶液從漏斗中注入，使溶液充滿兩支滴定管。

②將直流電源的正、負極分別與電解器上的兩個電極(曲別針)相連。接通電源，可以立即看到在兩極上幾乎同時有氣泡產生。調整電流在100～200 mA(曲別針電解時的有效面積約1 cm)一段時間后，關閉電源，觀察滴定管中兩種氣體的體積情況。發現電極與直流電源負極相連的滴定管，所產生氣體的體積與另一支滴定管中氣體的體積比恰好是2∶1。

③輕輕擠壓氣體較多滴定管上的乳膠管，用火柴點燃排出的氣體，氣體可以安靜地燃燒說明是氫氣。再擠壓另一支滴定管上的乳膠管氣體緩緩排出，用帶有余燼的火柴接近該氣體，火柴立即復燃，說明氣體是氧氣。

2.使用簡易實驗裝置。(1)裝置的制作：

①將大口試劑瓶去掉底部，在口上安裝一個大號膠塞，膠塞上插入兩支用作電極的曲別針，距離約2 cm左右，制成電解槽。

②將濃度為20%的H2SO4溶液倒入電解槽中(體積不超過電解槽容積的)，另取兩只帶

322刻度的試管，裝滿電解液，在口上蓋一塊小紙片，倒提著放入電解槽中，使電極伸入到試管內部。

③將電解槽上的兩極與直流電源上的正負極連接好，打開電源開關，兩電極上同時有氣體產生并收集在刻度試管中。當與電源正極相連的電極上試管中的氣體收集到5 mL刻度線時立即切斷電源，觀察另一只試管中收集的氣體體積，可以發現正好在10 mL刻度線處。④將兩個和刻度試管匹配的膠塞放入電解槽內，移動試管，在液面下用膠塞將試管口蓋好，取出試管后用清水洗凈。打開儲有10 mL氣體的試管，用燃著的火柴放在試管口上，可以聽到“噗”的一聲，說明是氣體氫氣。取另一儲有5 mL氣體的試管，打開膠塞，將帶火星

的木條伸到試管中，木條立刻復燃，說明該氣體是氧氣。而且直觀地看到：水在電解時產生的氫氣和氧氣的體積比是2∶1。