硫酸与接触法

本页只讲工业制造物质一章的一条中四内容标准：硫酸与接触法。硫酸是世界上最重要的工业化学品之一，考试既问它的用途，也问接触法的三个阶段，包括化学方程式、催化剂，以及为何要制发烟硫酸而不直接加水。

请把方程式和条件学得精确，因为这是结构题的热门考点。

硫酸为何重要

硫酸 H₂SO₄ 用来制造肥料（如硫酸铵与过磷酸钙）、制造洗涤剂、油漆与颜料、合成纤维与塑料，并作为铅蓄电池（汽车电池）的电解质。浓硫酸还是强力的干燥剂与脱水剂。

由于众多工业都依赖它，一个国家所生产的硫酸量常被当作衡量其工业活动的粗略指标。

接触法：三个阶段

接触法分三个相连的阶段制造硫酸。

第一阶段，制二氧化硫。 把熔融的硫在干燥空气中燃烧，或焙烧硫化物矿石，生成二氧化硫：

S + O₂ → SO₂

第二阶段，把二氧化硫转化为三氧化硫。 让二氧化硫与过量氧气（来自空气）在约 450–500 °C、1 大气压下通过五氧化二钒 V₂O₅ 催化剂。

这一步是可逆的：

2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃

五氧化二钒是催化剂，它加快反应而自身不被消耗。中等温度与常压是一个折衷，既能得到不错的三氧化硫产率，又保持合理的速率与成本。

第三阶段，生成硫酸。 三氧化硫不直接加入水中，因为那个反应太剧烈，会形成难以冷凝的硫酸细雾。

改为把三氧化硫溶于浓硫酸，形成发烟硫酸 H₂S₂O₇（oleum）：

SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇

再用适量的水稀释发烟硫酸，得到硫酸：

H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄

污染问题

第一阶段所生成、以及任何逸出的二氧化硫，是主要的空气污染物。它溶于雨水形成酸，是酸雨的主因，会损坏建筑、腐蚀金属、降低河湖的 pH，并危害植物与水生生物。

因此工厂会控制并洗涤其二氧化硫排放。

例题

题目。 在接触法中，硫是制硫酸的原料。

假设每一阶段都完全进行，试计算由 64 g 硫可制得的硫酸 H₂SO₄ 的最大质量。[相对原子质量：H = 1，O = 16，S = 32]

第一步，追踪硫经过整个流程。 每个硫原子都经过 S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ 这条链，所以 1 mol S 给出 1 mol H₂SO₄。

第二步，求硫的摩尔数。 S 的摩尔质量 = 32 g mol⁻¹。 S 的摩尔数 = 质量 ÷ 摩尔质量 = 64 g ÷ 32 g mol⁻¹ = 2 mol。

第三步，用 1 : 1 的比例。 H₂SO₄ 的摩尔数 = 2 mol。

第四步，把酸的摩尔数换算成质量。 H₂SO₄ 的摩尔质量 = (2 × 1) + 32 + (4 × 16) = 2 + 32 + 64 = 98 g mol⁻¹。 H₂SO₄ 的质量 = 摩尔数 × 摩尔质量 = 2 mol × 98 g mol⁻¹ = 196 g。

答案。 可制得硫酸的最大质量为 196 g。

练习题

题目。 (a) 说出接触法第二阶段所用的催化剂，并说出常用的温度。

(b) 写出第二阶段的平衡方程式。(c) 解释为何把三氧化硫溶于浓硫酸而不是溶于水。

答案。 (a) 催化剂是五氧化二钒 V₂O₅，温度约为 450–500 °C。(b) 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃。(c) 把三氧化硫直接加入水中会极为放热而剧烈，并产生大量硫酸酸雾，难以冷凝和收集；把它溶于浓硫酸形成发烟硫酸、再加以稀释，就能控制反应并避免酸雾。

考试提示

每当这个考点出现，三样东西几乎都能得分：三条平衡方程式、催化剂（五氧化二钒）以及第二阶段的可逆箭头，还有制发烟硫酸的理由。第二阶段的方程式要写上 ⇌ 号，并记住催化剂不被消耗。

当被问为何不直接用水时，务必给出完整理由，反应太剧烈、会形成硫酸酸雾，而不是只说「危险」。只写一个词的安全答案会丢掉解释分。

推断工业条件

考官常问为何选择某些条件。在第二阶段，很高的温度会加快反应，但因为正反应放热，会降低三氧化硫的产率；很低的温度会提高产率，却使反应太慢。

因此约 450–500 °C 的选定温度是速率与产率之间的折衷，而五氧化二钒催化剂在不必再提高温度的情况下给出可接受的速率。采用常压是因为产率本已很高，高压设备的额外成本并不值得。

能说出这套「速率对产率对成本」的推理，正是高分题所看重的，而同样的逻辑会在制氨的哈柏法里再次出现。

本节定位

这是**工业制造物质**一章的内容标准 8.1。它建立在反应速率里的催化剂与速率观念之上，并与下一条标准的哈柏法自然配对。

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快速回顾

• 硫酸用于肥料、洗涤剂、油漆、电池，并作干燥剂／脱水剂。
• 第一阶段： S + O₂ → SO₂。
• 第二阶段： 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃，催化剂 V₂O₅，约 450–500 °C，1 atm。
• 第三阶段： SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇（发烟硫酸），再 H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄。
• 二氧化硫造成酸雨，故须控制排放。