Question

9．現(xiàn)代煉鋅的方法可分為火法和濕法兩大類．火法煉鋅是將閃鋅礦（主要含ZnS）焙燒使它轉(zhuǎn)化為氧化鋅，再把氧化鋅和焦炭混合，在鼓風(fēng)爐中加熱至1100℃～1300℃，使鋅蒸餾出來（設(shè)空氣中N₂、O₂的體積分數(shù)分別為0.80、0.20），主要反應(yīng)為：
焙燒爐中：2ZnS（s）+3O₂（g）→2ZnO（s）+2SO₂（g）    ①
鼓風(fēng)爐中：2C（s）+O₂（g）→2CO                  ②
鼓風(fēng)爐中：ZnO（s）+CO（g）?Zn（g）+CO₂（g）   ③
（1）已知閃鋅礦中含硫的質(zhì)量分數(shù)為16.0%，而所含雜質(zhì)不含硫，則閃鋅礦中硫化鋅的質(zhì)量分數(shù)為48.5%．現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)多采用聯(lián)合生產(chǎn)，可將閃鋅礦中的硫用于生產(chǎn)硫酸．現(xiàn)有
此閃鋅礦100t，在理論上可生產(chǎn)出98.0%的硫酸50t．
（2）焙燒爐產(chǎn)生的爐氣中SO₂的體積分數(shù)不超過14.3%（保留小數(shù)點后一位小數(shù)，下同）．
（3）鼓風(fēng)爐容積固定，爐內(nèi)部分氣態(tài)物質(zhì)其物質(zhì)的量濃度（mol/L）變化如下：

時間/min	CO	Zn	CO2
0	0.11	0	0
2	0.10	0.01	0.01
3	0.01	0.10	0.10
4	0.01	0.10	0.10

則鼓風(fēng)爐中CO總的轉(zhuǎn)化率為90.9%；若生產(chǎn)中CO總的利用率為95.0%，列式計算每生產(chǎn)1molZn，至少需要補充焦炭多少克？
（4）若ZnS全部轉(zhuǎn)化為Zn，焙燒爐出來的N₂、O₂、SO₂混合氣體中N₂占82.5%，鼓風(fēng)爐中CO的轉(zhuǎn)化率為62.5%，而O₂無剩余，試列式計算每生產(chǎn)1mol Zn，應(yīng)向焙燒爐和鼓風(fēng)爐中鼓入新鮮空氣共多少升（S．T．P）？

Answer 1

分析 （1）計算出ZnS中硫的質(zhì)量分數(shù)ω（S），閃鋅礦中S的質(zhì)量分數(shù)為ZnS中硫的質(zhì)量分數(shù)ω（S）×ω（ZnS）；
根據(jù)S元素守恒：S～H₂SO₄，再根據(jù)質(zhì)量定比關(guān)系計算；
（2）假定有2molZnS，最少通入3molO₂，計算出生成的SO₂的物質(zhì)的量，及未反應(yīng)的N₂的物質(zhì)的量，進而計算爐氣中SO₂的體積分數(shù)；
（3）CO的總轉(zhuǎn)化率=$\frac{CO濃度變化量}{CO起始濃度}$×100%；
令需焦炭質(zhì)量為mg，實際利用的為95%mg，由方程式可得關(guān)系式ZnO（s）～C（s），即n（ZnO）=n（C），據(jù)此計算；
（4）令生產(chǎn)1molZn鼓風(fēng)爐中消耗空氣物質(zhì)的量為5y，則通入的氧氣為y、制得一氧化碳為2y，實際用于還原ZnO的CO物質(zhì)的量為2y×62.5%，由方程式可知，2y×62.5%=1mol；
令1molZn焙燒爐中消耗空氣的物質(zhì)的量為5x，根據(jù)Zn元素守恒，需ZnS1mol，根據(jù)差量法計算出從焙燒爐出來的氣體物質(zhì)的量變化量，利用混合氣體中N₂占82.5%，列方程；
兩處之和即為鼓入新鮮空氣．

解答 解：（1）ZnS中鋅的質(zhì)量分數(shù)ω（S）=$\frac{32}{97}$，則：
ω（ZnS）×$\frac{32}{97}$=16%，
故ω（ZnS）=48.5%
設(shè)生成98%硫酸為x t，則：
S～～～～～～～H₂SO₄
32             98
100t×16%      xt×98%
所以32：98=100t×16% xt×98%
解得x=50
故答案為：48.5%；50；
（2）假定有2molZnS，最少通入3molO₂，根據(jù)方程式2ZnS（s）+3O₂→2ZnO（s）+2SO₂ （g） 可知，生成的SO₂的物質(zhì)的量為2mol，未參加反應(yīng)的N₂的物質(zhì)的量為3mol×4=12mol，此時SO₂的體積分數(shù)為$\frac{2mol}{2mol+12mol}$×100%=14.3%．實際通入的空氣要多，故SO₂的體積分數(shù)不超過14.3%，
故答案為：14.3；
（3）由表可知，3min時反應(yīng)達平衡，平衡時時CO的平衡濃度為0.01mol/L，所以CO的總轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.11mol/L-0.01mol/L}{0.11mol/L}$×100%=90.9%，
令需焦炭質(zhì)量為mg，實際利用的為95%mg，由方程式可得，關(guān)系式ZnO（s）～C（s），所以n（ZnO）=n（C），即$\frac{95%mg}{12g/mol}$=1，解得m=12.6；
故答案為：90.9%；12.6；
（4）設(shè)焙燒爐中消耗空氣的物質(zhì)的量為5x，鼓風(fēng)爐中消耗空氣物質(zhì)的量為5y
則：2C+O₂=2CO； ZnO（s）+CO（g）=Zn（g）+CO₂（g）．
   y     2y          2y×62.5% 1mol
所以2y×62.5%=1mol
解得 y=0.8mol，所以 5y=4mol
2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂ △n
2mol              1mol
1mol              0.5mol
所以4x÷（5x-0.5mol）=82.5%
解得 x=3.3mol，所以 5x=16.5mol
所以5x+5y=4mol+16.5mol=20.5mol
V（空氣）=20.5mol×22.4L•mol-1=459.2L
答：應(yīng)向焙燒爐和鼓風(fēng)爐中鼓入新鮮空氣共459.2L．

點評 本題以金屬冶煉為載體，考查有關(guān)化學(xué)計算，綜合性大，關(guān)鍵要理清思路、掌握好基礎(chǔ)知識，難度比較大．