Question

接觸法制H₂SO₄的基本原理是：
①4FeS₂+11O₂2Fe₂O₃+8SO₂
②2SO₂+O₂  2SO₃
③SO₃+H₂O  H₂SO₄
其中排放的尾氣含少量SO₂，為防止污染大氣，在排放前應設法進行綜合利用。
（1）某硫酸廠每天排放10000m³（換算成標準狀況下體積）尾氣中含0.2%（體積分數）的SO₂，問用NaOH溶液、石灰及氧氣處理后，假設硫元素不損失，理論上可得到多少千克石膏（CaSO₄·2H₂O）？
（2）如果將一定體積的尾氣通入100mL2mol·L^-1的NaOH溶液使其完全反應，經測定所得溶液含16.7g溶質。試分析溶液的成分，并計算各成分的物質的量。
（3）工廠在尾氣處理制石膏的過程中，中間產物是NaHSO₃，調節尾氣排放的流量，以取得SO₂和NaOH間物質的量的最佳比值，從而提高NaHSO₃的產量。現設n（SO₂）、n（NaOH）、n（NaHSO₃）分別表示SO₂、NaOH、NaHSO₃的物質的量，且=x,試寫出x在不同取值范圍時，n（NaHSO₃）的值或n（NaHSO₃）與n（SO₂）、n（NaOH）間的關系式。

x=n（SO2）/n（NaOH）	n（NaHSO3）

   提示：該題取材于接觸法制硫酸的過程中對廢氣SO₂的處理，即消除了SO₂對空氣的污染，又使SO₂得到綜合利用。該題在能力要求上有一定的深度和坡度。第（1）步考查多步反應的計算，所發生的一系列反應較為復雜，但根據S元素守恒找出關系式，即可得出答案。第（2）步涉及平行反應中混合物的計算。反應方程式為2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O;NaOH+SO₂  aHSO₃。根據題給條件，對上述反應運用極值假設法進行分析討論。第（3）步考查計算題中范圍討論的基礎知識，以及過量問題和平行反應的計算。

Answer 1

   

   （1）設得CaSO₄·2H₂O的質量為y。
根據S元素守恒有：
SO₂     ～      CaSO₄·2H₂O
22.4L               172g
10⁴×10³×0.2%L?     y
y=153.6kg
（2）若溶質全為Na₂SO₃，則反應為
2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O
m（Na₂SO₃）=126g·mol^-1×2×mol=12.6g
若溶質全為NaHSO₃，則根據反應
NaOH+SO₂  NaHSO₃
m（NaHSO₃）=104g·mol^-1×2×0.1mol=20.8g
由于20.8>16.7>12.6,所以溶質為Na₂SO₃和NaHSO₃的混合液。
設混合物中NaHSO₃的物質的量為m,Na₂SO₃的物質的量為n。
解法一：

解之，得：m=0.1mol,?n=0.05mol
解法二：用配平方程式計算
（2n+m）NaOH+（m+n）SO₂  nNa₂SO₃+mNaHSO₃+nH₂O
則有

m=0.1mol   n=0.05mol
（3）SO₂通入NaOH溶液時可能發生的反?應為
2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O（Ⅰ）
NaOH+SO₂  NaHSO₃（Ⅱ）
①當x=≤時，反應按（Ⅰ）式進行，SO₂全部反應，生成物皆為Na₂SO₃,故n（NaHSO₃）=0。
②當x=≥1時，反應按（Ⅱ）式進行，NaOH全部反應，生成物全是NaHSO₃，有n（NaHSO₃）=n（NaOH）。
③當<x<1時，（Ⅰ）（Ⅱ）兩個反應平行進行，NaOH與SO₂兩物質均耗盡，生成NaHSO₃和Na₂SO₃的混合物。〔由（2）步的分析可有〕
n（NaHSO₃）+2n（Na₂SO₃）=n（NaOH）   （Na⁺守恒）
n（Na₂SO₃）+n（NaHSO₃）=n（SO₂）      （S守恒）
解之,得n（NaHSO₃）=2n（SO₂）-n（NaOH）