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三维设计·化学 必修 第二册
第五章 化工生产中的重要非金属元素
第一节 硫及其化合物
第1课时 硫和二氧化硫
必备知识·探究突破
分点突破（一）硫及其化合物
必备知识
- 单质硫的物理性质
-
硫单质的化学性质
- 氧化性
- $\rm Fe + S \stackrel{\Delta}{=} FeS$（黑色难溶物）
- $\rm 2Cu + S \stackrel{\Delta}{=} Cu_2S$（黑色难溶物）
- $\rm Hg + S = HgS$（除去洒的汞）
- $\rm H_2 + S \stackrel{\Delta}{=} H_2S$（臭鸡蛋气味）
- 还原性
- 在空气中燃烧产生淡蓝色火焰
- 在氧气中燃烧产生明亮的蓝紫色火焰
- 均生成有刺激性气味的气体 $\rm SO_2$
- $\rm S + O_2 \frac{点燃}{——} SO_2$
- 氧化性和还原性
- 与热的碱溶液反应时既表现氧化性又表现还原性
- $\rm 3S + 6NaOH \stackrel{\Delta}{=} 2Na_2S + Na_2SO_3 + 3H_2O$
- 氧化性
- 用途
- 制造硫酸、化肥、火柴及杀虫剂
- 制造黑火药、烟花爆竹
名师点拨
- 硫与变价金属反应生成低价态的金属硫化物
- 氯气与变价金属反应生成高价态的金属氯化物
- 通过生成物的价态高低可以比较 $\rm Cl_2$ 和 $\rm S$ 的氧化性强弱
练习应用
-
- 硫黄加热易熔化
-
- $\rm S$
- $\rm \stackrel{O_2}{\rightarrow} SO_2$
- $\rm \stackrel{Cu}{\rightarrow} Cu_2S$
- $\rm \stackrel{Fe}{\rightarrow} FeS$
- $\rm Cl_2$
- $\rm \stackrel{H_2}{\rightarrow} HCl$
- $\rm \stackrel{Cu}{\rightarrow} CuCl_2$
- $\rm \stackrel{Fe}{\rightarrow} FeCl_3$
- $\rm S$
-
- 硫单质的非金属性比氯元素弱
- 分离黑火药中的硝酸钾、木炭、硫黄可以用二硫化碳、水以及过滤操作
分点突破（二）二氧化硫
实验探究
-
- $\rm SO_2$ 能是品红溶液褪色，体现了 $\rm SO_2$ 的漂白性。
- $\rm SO_2$ 与某些有色物质化合生成的无色物质不稳定，加热后分解而使有色物质恢复原来的颜色。
-
- 将 $\rm SO_2$ 通入含少量酚酞的 $\rm NaOH$ 溶液中，导致溶液的碱性减弱使红色变为无色。
-
- $\rm SO_2$ 溶于水生成 $\rm H_2SO_3$ 而显碱性，使紫色石蕊溶液变红，但 $\rm SO_2$ 不能漂白酸碱指示剂，所以最终红色不褪去。
归纳总结
- 二氧化硫的物理性质
- 刺激性气味
- 密度比空气大
- 易溶于水
- 在通常情况下 $1$ 体积的水可以溶解约 $40$ 体积的二氧化硫
- 二氧化硫的化学性质
-
- $\rm SO_2$ 是一种酸性氧化物
- 溶于水反应生成亚硫酸不稳定容易分解
- 可逆反应
- $\rm SO_2$ 是一种酸性氧化物
- 还原性
- 二氧化硫在适当的温度并有催化剂存在的条件下可以被氧气氧化生成三氧化硫
- 三氧化硫是一种酸性氧化物
- 溶于水剧烈反应生成硫酸
- 氧化性
- $\rm SO_2 + 2H_2S = 3S + 2H_2O$
- 漂白性
- $\rm SO_2$ 能与某些有色物质生成不稳定的无色物质
- 这些无色物质容易分解而使有色物质恢复原阿里的颜色
- $\rm SO_2$ 能与某些有色物质生成不稳定的无色物质
-
- 二氧化硫的用途
- 漂白纸浆、毛、丝
- 抑菌消毒
- 食品添加剂
名师点拨
- $\rm SO_2$ 和 $\rm Cl_2$ 的漂白性比较
- 品红溶液
- $\rm \xrightarrow{通入 SO_2} 褪色 \xrightarrow{加热至沸腾} 红色$
- $\rm \xrightarrow{通入 Cl_2} 褪色 \xrightarrow{加热至沸腾} 不显红色$
- 紫色石蕊溶液
- $\rm \xrightarrow{通入 SO_2} 很快变红，但不褪色$
- $\rm \xrightarrow{通入 Cl_2} 立即变红，随后褪色$
- 品红溶液
- 实验室制备 $\rm SO_2$
- $\rm Na_2SO_3 + H_2SO_4（较浓）= Na_2SO_4 + SO \uparrow + H_2O$
练习应用
-
- $\rm SO_2$ 使溴水、酸性 $\rm KMnO_4$ 溶液褪色是因为 $\rm SO_2$ 具有还原性
- $\rm SO_2$ 使品红溶液褪色是因其具有漂白性
- 能使品红溶液褪色加热后复原的气体一定是 $\rm SO_2$
- 漂白即的漂白原理不相同
- $\rm SO_2$ 漂白属于化合型
- 活性炭属于吸附型
- 漂白粉、$\rm Na_2O_2$ 属于氧化型
- 等物质量的 $\rm SO_2$ 和 $\rm Cl_2$ 相遇后在溶液中反应生成 $\rm H_2SO_4$ 和 $\rm HCl$，从而失去漂白能力
-
- $\rm SO_2$ 是酸性氧化物可以与 $\rm NaOH$ 反应生成 $\rm Na_2SO_3$ 和 $\rm H_2O$
-
- 停止通入 $\rm SO_2$，熄灭酒精灯后，需要继续同一段时间的氧气，其目的是将产物 $\rm SO_3$ 以及未反应的 $\rm SO_2$ 全部赶至吸收装置，使残留在装置中的 $\rm SO_2$ 和 $\rm SO_2$ 完全吸收。
关键能力·培养提升
$\rm SO_2$ 的实验室制备及 $\rm SO_4^{2-}$ 的检验（探究与创新）
- 【实验探究 $\rm I$】
- 【实验探究 $\rm II$】
- 连接好装置并检查装置气密性，在锥形瓶中放入样品，通入 $\rm N_2$，其目的是排出装置中的空气，防止影响实验结果。
- 打开活塞，再缓缓通入一定量的 $\rm N_2$，继续通入 $\rm N_2$ 的作用是使反应生成的二氧化硫全部被装置吸收。
- 【反思】
- 保存亚硫酸钠时应密封保存。
规律方法
- 检验 $\rm SO_2$、$\rm CO_2$ 两者同时存在的一般流程 |流程设计|检验 $\rm SO_2$|除去 $\rm SO_2$|检验是否除尽 $\rm SO_2$|检验 $\rm CO_2$| |:-:|:-:|:-:|:-:|:-:| |选用试剂|品红溶液|酸性 $\rm KMnO_4$ 溶液|品红溶液|澄清石灰水| |预期现象|褪色|褪色（或紫色变浅）|不褪色|变浑浊|
- 实验装置
- 可将除去 $\rm SO_2$ 和检验 $\rm SO_2$ 是否除尽合并为一个装置
- 选用较浓的酸性 $\rm KMnO_4$ 溶液
- 现象是酸性 $\rm KMnO_4$ 溶液颜色变浅
- $\rm SO_2$ 和 $\rm CO_2$ 的性质比较
名师点拨
-
- 若只是除去 $\rm CO_2$ 中混有的 $\rm SO_2$ 可用饱和 $\rm NaHCO_3$ 溶液
- $\rm SO_2 + NaHCO_3 = NaHSO_3 + CO_2$
- 若只是除去 $\rm CO_2$ 中混有的 $\rm SO_2$ 可用饱和 $\rm NaHCO_3$ 溶液
-
- $\rm CO_2$ 的存在不影响 $\rm SO_2$ 的检验
- $\rm SO_2$ 的存在会影响 $\rm CO_2$ 的检验（使澄清石灰水变浑浊）
- 必须先除去 $\rm SO_2$（用溴水或者酸性 $\rm KMnO_4$ 溶液）
- $\rm Br_2 + SO_2 + H_2O = 2HBr + H_2SO_4$
- $\rm 2KMnO_4 + 5SO_2 + 2H_2O = 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 2H_2SO_4$
- 必须先除去 $\rm SO_2$（用溴水或者酸性 $\rm KMnO_4$ 溶液）
迁移应用
-
- $\rm SO_2$ 的存在影响 $\rm CO_2$ 的检验
- $\rm SO_2 + Ca(OH)_2 = CaSO_3 \downarrow + H_2O$
-
- $\rm SO_2$ 具有氧化性，能将 $\rm H_2S$ 氧化生成单质 $\rm S$（有黄色沉淀生成）
- $\rm SO_2$ 具有还原性，能被氯水氧化（溶液褪色）
-
- $\rm HClO$ 的漂白作用使品红溶液褪色，加热，不会恢复
- $\rm NaOH$ 的作用是处理尾气。
- $\rm SO_2 + 2OH^- = SO_3^{2-} + H_2O$
- $\rm Cl_2 + 2OH^- = Cl^- + ClO^- + H_2O$
- 将 $\rm SO_2$、$\rm Cl_2$ 两种气体混合后通入品红溶液，一段时间后，品红溶液几乎不褪色。
- 在水中反应生成两种强酸，从而失去漂白作用。
- $\rm Cl_2 + SO_2 + 2H_2O = H_2SO_4 + 2HCl$
学科素养·当堂落实
-
- 浓盐酸滴加到酸性高锰酸钾溶液中能够产生 $\rm Cl_2$
- $\rm 2KMnO_4 + 16HCl（浓）= 2KCl + 2MnCl_2 + 5Cl_2 \uparrow + 8H_2O$
- $\rm Fe^{2+}$ 的还原性比 $\rm Br^-$ 强，则 $\rm Cl_2$ 首先氧化 $\rm Fe^{2+}$ 为 $\rm Fe^{3+}$ 而非 $\rm Br^-$ 为 $\rm Br_2$
- 稀硫酸与 $\rm Na_2CO_3$ 反应产生 $\rm CO_2$，由于 $\rm HCl$ 的酸性强于 $\rm H_2CO_3$，故 $\rm CO_2$ 不与 $\rm CaCl_2$ 溶液反应，导致溶液无明显现象
- $\rm H_2$ 有还原性
- 浓盐酸滴加到酸性高锰酸钾溶液中能够产生 $\rm Cl_2$
-
- $\rm Cl_2 + SO_2 + 2H_2O = H_2SO_4 + 2HCl$
- 不会有黄色沉淀生成
- $\rm SO_2$ 与 $\rm BaCl_2$ 溶液不反应
- $\rm 2Fe^{3+} + SO_2 + 2H_2O = 2Fe^{2+} + SO_4^{2-} + 4H^+$
- 溶液颜色变浅
- $\rm Cl_2 + SO_2 + 2H_2O = H_2SO_4 + 2HCl$
-
- $\rm KMnO_4$ 溶液的作用是除去 $\rm SO_2$ 并检验 $\rm SO_2$ 是否除尽。
- 应观察到的现象是酸性 $\rm KMnO_4$ 溶液（或溴水）的颜色变浅
第2课时 硫酸 硫酸根离子的检验
必备知识·探究突破
分点突破（一）硫酸
必备知识
- 工业制硫酸
- 反应原理
- 焙烧阶段
- $\rm 4FeS_2 + 11O_2 \stackrel{高温}{=} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$
- $\rm S + O_2 \stackrel{\Delta}{=} SO_2$
- 在沸腾炉中
- 转化阶段
- $\rm 2SO_2 + O_2 \frac{催化剂}{\Delta} 2SO_3$ 在接触室中
- 吸收阶段
- $\rm SO_3 + H_2O = H_2SO4$
- 在吸收塔中
- 焙烧阶段
- 设备
- 沸腾炉
- 煅烧矿石（黄铁矿 $\rm FeS_2$）得到二氧化硫
- 矿石被气流吹起呈沸腾状
- 矿石燃烧最充分
- 沸腾炉
- 尾气吸收
- 对于尾气中含有的少量 $\rm SO_2$
- 可用氨水吸收使其生成 $\rm (NH_4)_2SO_3$、$\rm NH_4HSO_3$
- 然后再用硫酸处理生成 $\rm SO_2$ 和 $\rm (NH_4)_2SO_4$
- 生成的 $\rm SO_2$ 返回车间作生产硫酸的原料
- 得到的 $\rm (NH_4)_2SO_4$ 可用做肥料
- 反应原理
- 稀硫酸
- 浓硫酸的三大特征
- 吸水性
- 可用作干燥剂
- 脱水性
- 按水的组成比夺取某些有机化合物中的氢氧元素形成水分子
- 能氧化碳单质
- 本身被还原为 $\rm SO_2$
- 吸水性
- 用途
-
- 重要的化工原料
- 实验室必备的重要试剂
-
- 工业上可用于生产化肥、农药、炸药、燃料和盐类
-
- 用于精炼石油、金属加工前的酸洗
- 用于制取各种挥发性酸
- 作干燥剂
-
- 硫酸盐
- 硫酸钙 $\rm CaSO_4$
- 生石膏 $\rm CaSO_4 \cdot 2H_2O$
- 熟石膏 $\rm 2CaSO_4 \cdot H_2O$
- 用途
- 制作模型，医疗用的石膏绷带
- 调节水泥的硬化速率
- 硫酸钡 $\rm BaSO_4$
- 俗名重晶石
- 不溶于水与酸
- 用途
- 医疗上用作“钡餐”
- 不易被 $\rm X$ 射线透过
- 医疗上用作“钡餐”
- 硫酸铜 $\rm CuSO_4$
- 状态
- 白色粉末
- $\rm CuSO_4 + 5H_2O = CuSO_4 \cdot 5H_2O$
- 用途
- 胆矾与石灰乳混合成一种常见农药——波尔多液
- $\rm CuSO_4$ 检验水的存在
- 状态
- 硫酸钙 $\rm CaSO_4$
练习应用
-
- 浓硫酸将试纸碳化变黑
- 新制氯水将试纸漂白
-
- 浓硫酸只表现氧化性
- 木炭
- $\rm H_2S$
- $\rm Fe$
- $\rm Al$
- 浓硫酸只表现酸性
- $\rm NH_3$
- 浓硫酸既表现氧化性有表现酸性
- $\rm Cu$
- $\rm FeO$
- 浓硫酸表现脱水性
- 蔗糖
- 浓硫酸表现吸水性
- $\rm CuSO_4 \cdot 5H_2O$
- 浓硫酸只表现氧化性
-
- 浓硫酸具有吸水性
- 苹果块散发水分变干瘪
- 胆矾晶体表面失水出现不带结晶水的无水硫酸铜
- 饱和 $\rm KNO_3$ 溶液挥发失水有晶体析出
- 浓硫酸具有吸水性
分点突破（二）粗盐的提纯
实验探究
- 粗盐提纯实验中，每次所加的试剂都要过量，为了保证能完全除去对应的杂质。
- 设计除去杂质的实验方案时，除了要考虑所加试剂的种类，还应合理安排除杂试剂的加入顺序，同时保证加入的过量除杂试剂在后续操作中能够被除去。
- 加入碳酸钠溶液的目的是除去钙离子，同时还要除去加入的过量氯化钡，所以氯化钡溶液要在碳酸钠溶液之前加入。
归纳总结
- 混合物的分离和提纯
- 分离和提纯的比较
- 提纯的原则
- 不增加新的杂质
- 不减少被提纯的物质
- 被提纯物质与杂质易分离
- 被提纯物质容易复原至原聚集状态
- 粗盐的提纯
- 除去粗盐中可溶性杂质的原理
- 试剂加入的先后顺序
- $\rm CO_3^{2-}$ 必须在 $\rm Ba^{2+}$ 之后
- 盐酸必须在过滤之后
练习应用
-
- $\rm SO_4^{2-}$ 加入 $\rm BaCl_2$ 变成 $\rm BaSO_4$
- $\rm BaCl_2$ 用 $\rm Na_2CO_3$ 除去
- $\rm Ca^{2+}$ 加入 $\rm Na_2CO_3$ 变成 $\rm CaCO_3$
- $\rm Mg^{2+}$ 加入 $\rm NaOH$ 变成 $\rm Mg(OH)_2$
- $\rm Na_2CO_3$ 过滤后加入盐酸除去
- $\rm NaOH$ 过滤后加入盐酸除去
-
- 粗盐溶解操作中用玻璃棒搅拌是为了加快粗盐的溶解。
- 加入过量 $\rm BaCl_2$ 溶液的目的是除去溶液中的 $\rm Na_2SO_4$。
- 加入细盐酸的目的是除去溶液中的 $\rm NaOH$、$\rm Na_2CO_3$。
- 若选择 $\rm KOH$ 溶液代替 $\rm NaOH$ 溶液，会在滤液中引入杂质 $\rm KCl$。
关键能力·培养提升
烟气中 $\rm SO_2$ 的吸收与利用（归纳与论证）
- “湿式吸收法”利用吸收剂与 $\rm SO_2$ 发生反应从而脱硫
- 吸收剂
- 石灰乳
- $\rm SO_2 + Ca(OH)_2 = CaSO_3 + H_2O$
- $\rm Na_2SO_3$ 溶液
- $\rm H_2O + Na_2SO_3 + SO_2 = 2NaHSO_3$
- $\rm Na_2CO_3$ 溶液
- $\rm SO_2 + Na_2CO_3 = Na_2SO_3 + CO_2$
- 石灰乳
- 吸收剂
- 石灰——石膏法和烧碱法是常用的烟气脱硫法
- 石灰——石膏法
- 吸收反应
- $\rm Ca(OH)_2 + SO_2 = CaSO_3 + H_2O$
- 吸收产物亚硫酸钙由管道输送至氧化塔氧化
- $\rm 2CaSO_3 + O_2 + 4H_2O = 2Ca_SO_4 \cdot 2H_2O$
- 特点
- 氢氧化钙
- 廉价易得
- 成本低
- 溶解度不大
- 吸收慢
- 效率低
- 氢氧化钙
- 吸收反应
- 烧碱法
- 吸收反应
- $\rm 2NaOH + SO_2 = Na_2SO_3 + H_2O$
- 特点
- 氢氧化钠
- 碱性强
- 吸收快
- 效率高
- 氢氧化钠
- 吸收反应
- 基本反应原理都为二氧化硫与碱反应
- 石灰——石膏法
迁移应用
-
- 检验 $\rm SO_4^{2-}$ 时
- 首先加入稀硫酸以排除 $\rm CO_3^{2-}$、$\rm SO_3^{2-}$、$\rm Ag^+$ 的干扰
- 然后加入 $\rm BaCl_2$ 溶液
- 检验 $\rm SO_4^{2-}$ 时
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- $\rm CaCO_3$ 难溶于水
- 做焰色试验时焰色呈紫色（透过蓝色钴玻璃）可确定含有钾元素
学科素养·当堂落实
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- 上下移动铜丝可控制铜丝与浓硫酸接触与分离从而可以控制反应生成 $\rm SO_2$ 的量
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- $\rm Ag^+$ 对 $\rm SO_4^{2-}$ 的检验有干扰
- $\rm SO_3^{2-}$ 对 $\rm SO_4^{2-}$ 的检验有干扰
- $\rm CO_3^{2-}$、$\rm SO_3^{2-}$、$\rm Ag^+$ 对 $\rm SO_4^{2-}$ 的检验有干扰
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- 用盐酸除去 $\rm Na_2CO_3$ 会留下 $\rm NaCl$ 和 $\rm HCl$
- 蒸发结晶可得较纯净的 $\rm NaCl$（$\rm HCl$ 挥发）