(серная кислота, IUPAC — дигидрогенсульфат, устаревшее название — купоросное масло) — соединение серы с формулой H 2 SO 4. Бесцветная маслянистая, очень вязкая и гигроскопическая жидкость. Серная кислота — одна из самых сильных неорганических кислот и очень едкой и опасной. Эта кислота образует два ряда солей: сульфаты и гидрогенсульфаты, в которых по сравнению с серной кислотой заменяются один или два атома водорода на катионы металлов. Серная кислота является одним из важнейших технических веществ в мире и лидирует по количеству производства. Она используется в основном в форме водных растворов для производства удобрений, а также других неорганических кислот.

История

(или старое название — купоросное масло) была известна с давних времен. Первые упоминания о ней можно найти в текстах алхимика Джабира ибн Хайянь 8-го века. Возможные методы производства описаны в трудах Альберта Великого (1200-1280) и Василия Валентина (1600). В основе этого метода лежит образование кислоты с хальканинту и квасцов. Устаревшее название происходит от устаревшей названия минералов из которых она приобреталась — купороса. Первые научные исследования с помощью серной кислоты провел Иоганн Рудольф Ґляубер. Он провел реакцию между серной кислотой и солью и получил соляную кислоту и соль, которая была названа в его честь — глауберова соль. Методы, в которых были использованы сульфаты, были очень сложными и дорогими. Для получения больших количеств этого вещества в 18-м веке разработали процесс, в котором использовалось сжигание серы и селитры в стеклянной таре. Так как стеклянные сосуды были очень хрупкими, то первая реакция была проведена в 1746 году Джоном Робак в свинцовых контейнерах. Серная кислота создана методом Джона Робака имела концентрацию только 35-40%. Позже улучшения метода французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком и английским Джоном Гловером дало выход вещества 78% концентрации. Тем не менее, по некоторым красителей и других химических веществ требует более концентрированного продукта. В течение 18-го века серная кислота получалась сухой перегонкой минералов, процесс похож на оригинальные алхимические процессы. Пирит (дисульфид железа, FeS 2) нагревали в воздухе для получения железа (II) сульфат, FeSO 4, который окисляется при дальнейшем нагревании до железа (III) сульфат Fe 2 (SO 4) 3, который при нагревании до 480 ° С, разлагается до железа (III) оксид и триоксида серы, который может быть использован для получения серной кислоты в любой концентрации. В 1831 году британский купец Перегрин Филлипс запатентовал контактный процесс, который был гораздо более экономичный. Сегодня почти вся серная кислота в мире производится с использованием этого метода.

Нахождение в природе

Земля

Свободная серная кислота встречается в природе очень редко. В атмосфере она образуется из диоксида серы, который образуется при сгорании серосодержащих веществ или вулканических извержений. Диоксид серы окисляется гидроксильными радикалами и кислородом с образованием триоксида серы, который вступая в реакцию с атмосферной влагой образует кислоту. В кислотных дождях она выступает в разбавленном виде. Небольшое количество свободной серной кислоты также можно найти в некоторых вулканических источниках, которые называются сольфатары. Наибольшее количество серной кислоты в мире содержит озеро в кратере вулкана Иджен в Индонезии. В отличие от свободной кислоты, ее соли, в частности, сульфаты, встречается в природе гораздо чаще. Существует много различных минералов сульфатов. Среди них самыми известными и важными являются гипс (CaSO 4 · 2 H 2 O), барит (BaSO 4), Халькантит (CuSO 4 · 5 H 2 O) и глауберова соль (Na 2 SO 4 · 10 H 2 O).

Нахождение вне земли

Серная кислота находится за пределами Земли в верхних слоях атмосферы Венеры. Она образуется в результате фотохимических реакций диоксида серы и воды, которые образуют капли 80-85% кислоты. В более глубоких слоях, кислота распадается из-за высоких температуры снова на диоксид серы, и воду, которые поднимаясь вверх снова могут образовывать серную кислоту. Инфракрасные спектры которые были получены аппаратом Галилео показывают различные степени поглощений на спутнике Юпитера, которые были отнесены к одному или нескольким видам гидратов серной кислоты.

Производство

Сырьем для производства серной кислоты является элементарная сера которую получают в огромных кильскостях на нефте- и газовопереробних заводах, с сероводорода, с помощью процесса, который известен как процесс Клауса. Затем серу оксилюють до диоксида серы:

Реакция серы с кислородом

Еще одним источником диоксида серы является выплавки руд, содержащих серу. Примерами являются медные, цинковые и свинцовые сульфиды. Диоксид серы образуется при обжиге с кислородом воздуха.

В 1999 году в Европе было выжжено около 3 млн тонн пирита для производства серной кислоты. В Азии эта цифра больше, поскольку и запасы его больше. Для бедных ресурсами странах, которые не имеют ни серы, ни сульфидных руд, существует процесс Мюллера-Кюне. В этом процессе диоксид серы образуется при обжиге гипса и угля в печи. Этот процесс можно сделать прибыльным, если в печь добавлять песок и глину для образования цемента качестве побочного продукта. Для дальнейшего производства требуется серный ангидрид. При низких температурах реакция проходит медленно, так как требует сравнительно редких в газовой фазе тройных столкновений, а при высоких равновесие смещено в сторону разложения серного ангидрида. Поэтому для проведения этой реакции нужны катализаторы. На ранних порах использовали платину, позже перешли на ванадиевый ангидрид V 2 O 5 или ванадаты щелочных металлов KVO 3.

Триоксида серы разбавляется в воде сразу же: из-за слишком бурную начальную реакцию в контакте с водой образуется пленка тумана серной кислоты, препятствует дальнейшей реакции. Сначала его вводят в концентрированную серную кислоту, этот раствор называют — олеумом. Затем олеум растворяют в воде до образования серной кислоты.

В последние годы производство серной кислоты возросло в основном в Китае, в то время как в европейских странах, производство сократилось.

В домашних условиях небольшие количества разбавленной серной кислоты можно получить электролизом раствора медного купороса с свинцовым анодом (напряжение должно быть выше 2 В из-за большого перенапряжения выделения кислорода на двуокиси свинца, который образуется на поверхности анода, но не более 5 В, чтобы не перегревать) .

Физические свойства

Почти вся 99% серная кислота теряет SO 3 при кипении с образованием 98,3% кислоты. 98% кислота является стабильной при хранении, и обычно также называется концентрированной. Другие концентрации используются для различных целей. Данные о различных концентрации:

Химически чистая серная кислота представляет собой тяжелую бесцветную маслянистую жидкость. Продают, как правило, 96,5% — ный водный раствор плотностью 1,84 г / см 3 или так называемый «олеум», то есть раствор SO 3 в H 2 SO 4. В воде H 2 SO 4 растворяется очень хорошо (смешивается с водой в неограниченных количествах). При этом выделяется тепло, и раствор очень сильно нагревается (вплоть до кипения воды). Поэтому при добавлении воды к концентрированной серной кислоты последняя разбрызгивается вследствие быстрого преобразования воды в пар. Поэтому при разведении концентрированной H 2 SO 4 надо кислоту вливать в воду (а не наоборот!) Тонкой струей при тщательном перемешивании раствора стеклянной палочкой. Концентрированная серная кислота как и чистая вода плохо проводит ток вследствие малой дисоциациии, удельная электропроводность 1,044 · 10 -2 S / см

Химические свойства

Диссоциация в водном растворе идет в несколько этапов:

Это значение кислотности взятое в качестве основного при определении суперкислот.

Серная кислота разрушает также много органических веществ, в частности углеводы — дерево, бумага, хлопчатобумажные ткани, сахар и тому подобное. Разрушение этих веществ объясняется тем, что концентрированная серная кислота отнимает от них водород и кислород в виде воды, а углерод остается в виде пористого угля. При действии разбавленной серной кислоты на металлы, которые в электрохимическом ряду активности металлов расположены слева водорода, выделяется водород. Концентрированная серная кислота обладает сильным окислительный эффект и способна реагировать, при нагревании, даже с благородными металлами, такими как медь, ртуть и серебро, хотя при этом она не взаимодействует с железом. Поэтому для перевозки концентрированной серной кислоты используются железные цистерны.

Применение

Серная кислота является очень важным товаром химической промышленности и является индикатором ее промышленной мощности. Мировое производство в 2004 году составило около 180 млн тонн, при следующем географическом распределении: Азия 35%, Северная Америка 24%, Африка 11%, Западная Европа 10%, Восточная Европа и Россия 10%, Австралия и Океания 7%, Южная Америка 7 %. Большая часть производимой кислоты (~ 60%) расходуется на производство удобрений, суперфосфата фосфата аммония, сульфатов, сульфата аммония. Около 20% используется в химической промышленности для производства моющих средств, синтетических смол, красителей, фармацевтических препаратов, инсектицидов, антифриза, а также для различных технических процессов. Около 6% используют для производства пигментов, красок, эмалей, типографских красок. Используется также как осушитель газов.

Электролит

Серная кислота действует как электролит в свинцово-кислотных аккумуляторах:

На аноде:

Pb + 3 SO2-4 ⇌ PbSO 4 + 2 e —

На катоде:

PbO 2 + 4 H + + SO2-4 + 2 e — ⇌ PbSO 4 + 2 H 2 O

Pb + PbO 2 + 4 H + + 2 SO2-4 ⇌ 2 PbSO 4 + 2 H 2 O

Катализатор

Серная кислота используется, также, для других целей в химической промышленности. Например, она кислотным катализатором для преобразования циклогексанона окси в капролактам, который используется для изготовления капрона. Она используется для изготовления соляной кислоты из соли. Серная кислота используется в нефтеперерабатывающей промышленности, в качестве катализатора реакции изобутана и изобутилена, для образования изооктана, соединения, имеет эталонное октановое число, и пригодной для создания высокооктанового бензина без металлосодержащих присадок.

Безопасность

Серная кислота едкая, хотя из-за значительной вязкость ожог может произойти за время достаточно для смывания кислоты, попавшей на кожу. В этом смысле более опасны олеум и хлорсульфоновая кислота, которые могут быстро наносить сильные ожоги. По коррозионными свойствами менее опасна чем соляная или азотная кислоты поскольку менее летучее и не очень активный окислитель при обычных температурах. Наиболее опасно попадание на открытые слизистые оболочки. Попадание в глаза может произойти при попытке разбавления концентрированной кислоты доливанием к ней воды (прямое нарушение правил обращения с концентрированной серной кислотой), при этом вода закипает и разбрызгивается вместе с кислотой. Пораженные участки промывают большим количеством воды и 5% раствором питьевой соды.

Изображения по теме

Серная кислота , H2SO4, сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях - тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серную кислоту называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом. Если молярное отношение SO3: Н2О меньше 1, то это водный раствор серной кислоты, если больше 1, - раствор SO3 в серной кислоте.

Природные залежи самородной серы сравнительно невелики. Общее содержание серы в земной коре составляет 0,1%. Сера содержится в нефти, каменном угле, горючих и топочных газах. Чаще сера встречается в природе в виде соединений с цинком, медью и другими металлами. Следует отметить, что доля колчедана и серы в общем балансе сернокислотного сырья постепенно уменьшается, а доля серы, извлекаемой из различных отходов, постепенно возрастает. Возможности получения серной кислоты из отходов весьма значительны. Использование отходящих газов цветной металлургии позволяет получать, без специальных затрат в сернокислотных системах на обжиг серосодержащего сырья.

Физические и химические свойства серной кислоты

Стопроцентная H2SO4 (SO3 х H2O) называется моногидратом. Соединение не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, являясь при этом одной из самых сильных кислот;

• вещество пагубным образом действует на растительные и животные ткани, отнимая и них воду, вследствие чего они обугливаются.
• кристаллизуется при 10,45 "С;
• tkип 296,2 "С;
• плотность 1,9203 г/см3;
• теплоёмкость 1,62 дж/г.

Серная кислота смешивается с Н2О и SO3 в любых соотношениях, образуя соединения:

• H2SO4 х 4 H2O (tпл - 28,36 "С),
• H2SO4 х 3 H2O (tпл - 36,31 "С),
• H2SO4 х 2 H2O (tпл - 39,60 "С),
• H2SO4 х H2O (tпл - 8,48 "С),
• H2SO4 х SO3 (H2S2O7 - двусерная или пиросерная кислота, tпл 35,15 "С) - олеум,
• H2SO х 2 SO3 (H2S3O10 - трисерная кислота, tпл 1,20 "C).

При нагревании и кипении водных растворов серной кислоты, содержащих до 70% H2SO4, в паровую фазу выделяются только пары воды. Над более концентрированными растворами появляются и пары серной кислоты. Раствор 98,3% H2SO4 (азеотропная смесь) при кипении (336,5 "С) перегоняется полностью. Серная кислота, содержащая свыше 98,3% H2SO4, при нагревании выделяет пары SO3.
Концентрированная серная кислота - сильный окислитель. Она окисляет HI и НВг до свободных галогенов. При нагревании окисляет все металлы, кроме Au и платиновых металлов (за исключением Pd). На холоде концентрированная серная кислота пассивирует многие металлы, в том числе РЬ, Cr, Ni, сталь, чугун. Разбавленная серная кислота реагирует со всеми металлами (кроме РЬ), предшествующими водороду в ряду напряжении, например: Zn + H2SO4 = ZnSO4 + Н2.

Как сильная кислота H2SO4 вытесняет более слабые кислоты из их солей, например борную кислоту из буры:

Na2B4O7 + H2SO4 + 5 H2O = Na2SO4 + 4 H2BO3,

а при нагревании вытесняет более летучие кислоты, например:

NaNO3 + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3.

Серная кислота отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы - ОН. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной серной кислоты приводит к получению этилена или диэтилового эфира. Обугливание сахара, целлюлозы, крахмала и других углеводов при контакте с серной кислотой объясняется также их обезвоживанием. Как двухосновная, серная кислота образует два типа солей: сульфаты и гидросульфаты.

Сырьё для получения серной кислоты

Сырьём для получения серной кислоты могут служить: сера, серный колчедан FeS2, отходящие газы печей окислительного обжига сульфидных руд Zn, Сu, РЬ и других металлов, содержащие SO2. В России основное количество серной кислоты получают из серного колчедана. Сжигают FeS2 в печах, где он находится в состоянии кипящего слоя. Это достигается быстрым продуванием воздуха через слой тонко измельченного колчедана. Получаемая газовая смесь содержит SO2, O2, N2, примеси SO3, паров Н2О, As2O3, SiO2 и другие, и несёт много огарковой пыли, от которой газы очищаются в электрофильтрах.

Способы получения серной кислоты

Серную кислоту получают из SO2 двумя способами: нитрозным (башенным) и контактным.

Нитрозный способ

Переработка SO2 в серную кислоту по нитрозному способу осуществляется в продукционных башнях - цилиндрических резервуарах (высотой 15 м и более), заполненных насадкой из керамических колец. Сверху, навстречу газовому потоку разбрызгивается "нитроза" - разбавленная серная кислота, содержащая нитрозилсерную кислоту NOOSO3H, получаемую по реакции:

N2O3 + 2 H2SO4 = 2 NOOSO3H + H2O .

Окисление SO2 окислами азота происходит в растворе после его абсорбции нитрозой. Водою нитроза гидролизуется:

NOOSO3H + H2O = H2SO4 + HNO2.

Сернистый газ, поступивший в башни, с водой образует сернистую кислоту:

SO2 + H2O = H2SO3.

Взаимодействие HNO2 и H2SO3 приводит к получению серной кислоты:

2 HNO2 + H2SO3 = H2SO4 + 2 NO + H2O.

Выделяющаяся NO превращается в окислительной башне в N2O3 (точнее в смесь NO + NO2). Оттуда газы поступают в поглотительные башни, где навстречу им сверху подаётся серная кислота. Образуется нитроза, которую перекачивают в продукционные башни. Таким образом осуществляется непрерывность производства и круговорот окислов азота. Неизбежные потери их с выхлопными газами восполняются добавлением HNO3.

Серная кислота, получаемая нитрозным способом, имеет недостаточно высокую концентрацию и содержит вредные примеси (например, As). Её производство сопровождается выбросом в атмосферу окислов азота ("лисий хвост", названный так по цвету NO2).

Контактный способ

Принцип контактного способа производства серной кислоты был открыт в 1831 П. Филипсом (Великобритания). Первым катализатором была платина. В конце 19 - начале 20 вв. было открыто ускорение окисления SO2 в SO3 ванадиевым ангидридом V2O5. Особенно большую роль в изучении действия ванадиевых катализаторов и их подборе сыграли исследования советских учёных А. Е. Ададурова, Г. К. Борескова, Ф. Н. Юшкевича.

Современные сернокислотные заводы строят для работы по контактному методу. В качестве основы катализатора применяются окислы ванадия с добавками SiO2, Al2O3, K2O, CaO, BaO в различных соотношениях. Все ванадиевые контактные массы проявляют свою активность только при температуре не ниже ~420 "С. В контактном аппарате газ проходит обычно 4 или 5 слоев контактной массы. В производстве серной кислоты контактным способом обжиговый газ предварительно очищают от примесей, отравляющих катализатор. As, Se и остатки пыли удаляют в промывных башнях, орошаемых серной кислотой. От тумана серную кислоту (образующейся из присутствующих в газовой смеси SO3 и H2O) освобождают в мокрых электрофильтрах. Пары H2O поглощаются концентрированной серной кислотой в сушильных башнях. Затем смесь SO2 с воздухом проходит через катализатор (контактную массу) и окисляется до SO3:

SO2 + 1/2 O2 = SO3.

SO3 + H2O = H2SO4.

В зависимости от количества воды, поступившей в процесс, получается раствор серной кислоты в воде или олеум.
Посредством данного метода сейчас вырабатывается порядка 80% H2SO4 в мире.

Применение серной кислоты

Серная кислота может служить для очистки нефтепродуктов от сернистых, непредельных органических соединений.

В металлургии серная кислота применяется для удаления окалины с проволоки, а также листов перед лужением и оцинкованием (разбавленная), для травления разичных металлических поверхностей перед покрытием их хромом, медью, никелем и др. Также с помощью серной кислоты разлагают комплексные руды (в частности, урановые).

В органическом синтезе серная кислота концентрированная является необходимым компонентом нитрующих смесей, а также сульфирующим средством при получении многих красителей и лекарственных веществ.

Широко применяется серная кислота для производства удобрений, этилового спирта, искусственного волокна, капролактама, двуокиси титана, анилиновых красителей и целого ряда других химических соединений.

Серная кислота отработанная (отход) применяется в химической, металлургической, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности Серная кислота аккумуляторная применяется в производстве свинцово-кислотных источников тока.

Где нет заводов для ее добывания - немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющих важное технические значение”

Д.И. Менделеев

Серная кислота применяется в разнообразных производствах химической промышленности:

• минеральных удобрений, пластмасс, красителей, искусственных волокон, минеральных кислот, моющих средств;
• в нефтяной и нефтехимической промышленности:

• в цветной металлургии:

• в черной металлургии:

• в целлюлозно-бумажной, пищевой и легкой промышленности (для получения крахмала, патоки, отбеливания тканей) и т.д.

Производство серной кислоты

Серную кислоту в промышленности производят двумя способами: контактным и нитрозным.

Контактный способ производства серной кислоты

Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах.

В настоящее время основным методом производства серной кислоты является контактный, т.к. этот метод имеет преимущества перед другими:

Получение продукта в виде чистой концентрированной кислоты, приемлемой для всех потребителей;

I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты.

Основное сырьё

сера - S

серный колчедан (пирит) - FeS 2

сульфиды цветных металлов - Cu 2 S , ZnS , PbS

сероводород – H 2 S

Вспомогательный материал

Катализатор - оксид ванадия – V 2 O 5

II. Подготовка сырья.

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS 2 .

1) Измельчение пирита. Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

2) Очистка пирита. После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.

III . Основные химические процессы:

4 FeS 2 + 11 O 2 t = 800° C → 2 Fe 2 O 3 + 8 SO 2 + Q или сжигание серы S + O 2 t ° C → SO 2

2SO 2 + O 2 400-500° С ,V2O5 , p ↔ 2SO 3 + Q

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 + Q

IV . Технологические принципы:

Принцип непрерывности;

Принцип комплексного использования сырья, использование отходов другого производства;

Принцип безотходного производства;

Принцип теплообмена;

Принцип противотока (“кипящий слой”);

Принцип автоматизации и механизации производственных процессов.

V . Технологические процессы:

Принцип непрерывности: обжиг пирита в печи →поступление оксида серы ( IV ) и кислорода в очистительную систему →в контактный аппарат →подача оксида серы ( VI ) в поглотительную башню.

VI . Охрана окружающей среды:

1) герметичность трубопроводов и аппаратуры

2) газоочистительные фильтры

VII . Химизм производства :

ПЕРВАЯ СТАДИЯ - обжиг пирита в печи для обжига в "кипящем слое".

Для получения серной кислоты используют, в основном,флотационный колчедан - отход производства при обогащении медных руд, содержащих смеси сернистых соединений меди и железа. Процесс обогащения этих руд происходит на Норильской и Талнахской обогатительных фабриках, которые и являются основными поставщиками сырья. Это сырье является более выгодным, т.к. серный колчедан добывают, в основном, на Урале, и, естественно, доставка его может быть очень дорогостоящей. Возможно использование серы , которая также образуется при обогащении руд цветных металлов, добываемых на рудниках. Поставщиками серы являются также ТОФ и НОФ. (обогатительные фабрики).

Уравнение реакции первой стадии

4FeS 2 + 11O 2 t = 800°C → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета. В “кипящем слое” не слеживаются даже самые мелкие частицы пирита. Поэтому процесс обжига происходит очень быстро. Если раньше для обжига пирита требовалось 5-6 часов, то теперь - всего несколько секунд. Притом, в “кипящем слое” можно поддерживать температуру 800°С.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe 2 O 3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом, выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

Из печи выходит печной газ , состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз). Для удаления мелких частиц смесь направляем в электрофильтры, где идет очищение под действием тока высокого напряжения ~ 60000 В (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.

На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO 2 и кислорода О 2 .

ВТОРАЯ СТАДИЯ – каталитическое окисление SO 2 в SO 3 кислородом в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии:

2 SO 2 + O 2 400-500°С, V 2 O 5 ,p ↔ 2 SO 3 + Q

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO 3).

Из уравнения следует, что реакция обратимая, а, значит, на этой стадии необходимо поддерживать такие условия, чтобы равновесие смещалось в сторону выхода SO 3 , иначе нарушится весь процесс. Т.к. реакция идет с уменьшением объема (3 V ↔2 V ), то необходимо повышенное давление. Повышают давление до 7-12 атмосфер. Реакция экзотермическая, поэтому, учитывая принцип Ле-Шателье, при высокой температуре этот процесс вести нельзя, т.к. равновесие сдвинется влево. Начинается реакция при температуре = 420 градусов, но благодаря многослойности катализатора (5 слоев), мы можем ее повышать до 550 градусов, что значительно ускоряет процесс. Катализатор используют ванадиевый (V 2 O 5). Он дешевый, долго служит (5-6 лет), т.к. наиболее устойчив к действию ядовитых примесей. Кроме того, он способствует сдвигу равновесия вправо.

Смесь (SO 2 и O 2) нагревается в теплообменнике и движется по трубам, между которыми в противоположном направлении проходит холодная смесь, которую надо нагреть. В результате происходит теплообмен : исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.

ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO 3 серной кислотой в поглотительной башне.

А почему оксид серы SO 3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде: SO 3 + H 2 O →H 2 SO 4 . Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3 .

Уравнение реакции этого процесса:

NSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Свойства серной кислоты

Безводная серная кислота (моногидрат) представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, которая смешивается с водой во всех соотношениях с выделением большого количества тепла. Плотность при 0 °С равна 1,85 г/см 3 . Она кипит при 296 °С и замерзает при - 10 °С. Серной кислотой называют не только моногидрат, но и водные растворы его (), а также растворы трехокиси серы в моногидрате (), называемые олеумом. Олеум на воздухе "дымит" вследствие десорбции из него. Чистая серная кислота бесцветна, техническая окрашена примесями в темный цвет.

Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависят от ее состава. На рис. 1 представлена диаграмма кристаллизации системы. Максимумы в ней отвечают составу соединений или, наличие минимумов объясняется тем, что температура кристаллизации смесей двух веществ ниже температуры кристаллизации каждого из них.

Рис. 1

Безводная 100 %-ная серная кислота имеет сравнительно высокую температуру кристаллизации 10,7 °С. Чтобы уменьшить возможность замерзания товарного продукта при перевозке и хранении, концентрацию технической серной кислоты выбирают такой, чтобы она имела достаточно низкую температуру кристаллизации. Промышленность выпускает три вида товарной серной кислоты.

Серная кислота весьма активна. Она растворяет окислы металлов и большинство чистых металлов;вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. Особенно жадно серная кислота соединяется с водой благодаря способности давать гидраты. Она отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей и даже кислородных производных углеводородов, которые содержат не воду таковую, а водород и кислород в сочетании Н:О = 2. дерево и другие растительные и животные ткани, содержащие целлюлозу, крахмал и сахар, разрушаются в концентрированной серной кислоте; вода связывается с кислотой и от ткани остается лишь мелкодисперсный углерод. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги.

Высокая активность серной кислоты в сочетании со сравнительно небольшой стоимостью производства предопределили громадные масштабы и чрезвычайное разнообразие ее применения (рис. 2). Трудно найти такую отрасль, в которой не потреблялась в тех или иных количествах серная кислота или произведенные из нее продукты.

Рис. 2

Крупнейшим потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений: суперфосфата, сульфата аммония и др. многие кислоты (например, фосфорная, уксусная, соляная) и соли производятся в значительной части при помощи серной кислоты. Серная кислота широко применяется в производстве цветных и редких металлов. В металлообрабатывающей промышленности серную кислоту или ее соли применяют для травления стальных изделий перед их окраской, лужением, никелированием, хромированием и т.п. значительные количества серной кислоты затрачиваются на очистку нефтепродуктов. Получение ряда красителей (для тканей), лаков и красок (для зданий и машин), лекарственных веществ и некоторых пластических масс также связано с применением серной кислоты. При помощи серной кислоты производятся этиловый и другие спирты, некоторые эфиры, синтетические моющие средства, ряд ядохимикатов для борьбы с вредителями сельского хозяйства и сорными травами. Разбавленные растворы серн6ой кислоты и ее солей применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности для обработки волокна или тканей перед их крашением, а также в других отраслях легкой промышленности. В пищевой промышленности серная кислота применяется при получении крахмала, патоки и ряда других продуктов. Транспорт использует свинцовые сернокислотные аккумуляторы. Серную кислоту используют для осушки газов и при концентрировании кислот. Наконец, серную кислоту применяют в процессах нитрования и при производстве большей части взрывчатых веществ.

Серная кислота - довольно тяжелая жидкость, ее плотность составляет 1,84 г/см³. Она обладает способностью вытягивать воду из газов и . При растворении серной кислоты в воде выделяется огромное количество теплоты, в результате чего возможно разбрызгивание кислоты. При попадании на кожу человека даже в малых количествах вызывает сильные ожоги. Чтобы этого избежать, нужно добавлять кислоту в воду, а не наоборот.

Получение серной кислоты

Метод, с помощью которого серную кислоту получают в промышленных масштабах, называется контактным. Сначала в специальной печи происходит обжиг влажного (двухвалентного сульфида железа). В результате такой реакции выделяется сернистый газ (двуокись серы), кислород и водяной пар, так как был использован влажный пирит. Выделившиеся газы поступают в сушильный отсек, где избавляются от паров воды, а также в специальную центрифугу, чтобы убрать все возможные примеси твердых частиц.

Далее из оксида серы (IV) при помощи реакции окисления получают серный газ. При этом используют пятивалентный как катализатор. Реакция может идти в обе стороны, она обратима. Чтобы она протекала только в одном направлении, в реакторе создаются определенные температура и давление. Серный газ растворяют в заранее подготовленной серной кислоте для получения олеума, который затем отправляется на склад готовой продукции.

Химические свойства серной кислоты

Серная кислота обладает способностью принимать электроны, это сильный окислитель. Концентрированная и разбавленная серная кислота обладают разными химическими свойствами.

Разбавленная серная кислота способна растворять металлы, которые стоят левее водорода в ряду напряжений. Среди них: цинк, магний, литий и другие. Концентрированная серная кислота может разлагать некоторые галогенные кислоты (кроме соляной, так как восстановить ион хлора серная кислота не способна).

Применение серной кислоты

Благодаря своей уникальной способности вытягивать воду , серная кислота часто применяется для осушения газов. С ее помощью производят красители, минеральные удобрения (фосфорные и азотные), дымообразующие вещества, различные синтетические моющие средства. Нередко ее используют в качестве электролита для , так как серная кислота не может растворить свинец.