Получение серной кислоты

Скачать работу - Получение серной кислоты

Серная кислота представляет собой бесцветную вязкую жидкость, плотность 1,83 г/мл ( 20 ). Температура плавления серной кислоты составляет 10, 3 С , температура кипения 269, 2 . Химические свойства серной кислоты во многом зависят от ее концентрации. В лабораториях и промышленности применяют разбавленную и концентрированную серную кислоту, хотя это деление условно (четкую границу между ними провести нельзя). 2 . Взаимодействие с металлами . Разбавленная серная кислота взаимодействует с некоторыми металлами, например с железом, цинком, магнием, с выделением водорода: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 Некоторые малоактивные металлы, такие как медь, серебро, золото, с разбавленной серной кислотой не реагируют.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Она окисляет многие металлы.

Продуктами восстановления кислоты обычно являются оксиды серы (IV), сероводород и сера (Н2S и S образуются в реакциях кислоты с активными металлами – магнием, кальцием, натрием, калием и др.). Примеры реакций : Cu+2H 2 SO 4 =CuSO 4 +SO 2 +2H 2 O Mg+2H 2 SO 4 =MgSO 4 +SO 2 +2H 2 O или 4Mg+5H 2 SO 4 =4MgSO 4 +H 2 S+4H 2 O Серная кислота высокой концентрации (практически безводная) не взаимодействует с железом в результате пассивации металла.

Явление пассивации связано с образованием на поверхности металла прочной сплошной пленки, состоящей из оксидов или других соединений, которые препятствуют контакту металла с кислотой.

Благодоря пассивации можно хранить и перевозить концентрированную серную кислоту в стальной таре.

Концентрированная серная кислота пассивирует также аллюминий, никель, хром, титан. 3. Взаимодействие с неметаллами.

Концентрированная серная кислота может окислять неметаллы, например: S+2H 2 SO 4 =3SO 2 +2H 2 O Окислительные свойства концентрированной серной кислоты могут проявляться в реакциях с некоторыми сложными веществами – востановителями, например: 2KBr+2H 2 SO 4 =Br 2 +SO 2 +K 2 SO 4 +2H 2 O 4. Взаимодействия с основными оксидами и основаниями . Серная кислота проявляет все типичные свойства кислот. Так, она реагирует с основными амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей. Как двухосновная кислота H 2 SO 4 образует два типа солей: средние соли – сульфаты и кислые соли – гидросульфаты.

Примеры реакций: Al 2 O 3 +3H 2 SO 4 =Al 2 (SO 4 ) 3 +3Н 2 О сульфат алюминия 2КОН+Н 2 SO 4 =K 2 SO 4 +2H 2 O сульфат калия КОН+Н 2 SO+=KHSO 4 +H 2 O гидросульфат калия Гидросульфаты образуются, когда кислота берется в избытке.

Многие соли серной кислоты выделяются из растворов в виде кристаллогидратов, например: Al 2 (SO 4 ) 3 ,18Н 2 О, Na 2 SО4,10Н 2 О 5. Взаимодействие с солями. С некоторыми солями серная кислота вступает в реакции обмена, например: СаСО 3 +Н 2 SO 4 =CaSO 4 +СО 2 +Н 2 О ВаСl 2 +H 2 SO 4 =BaSO 4 +2HCl Последняя реакция является качественной на серную кислоту и ее соли: об их присутствии в растворе судят по образованию белого осадка ВаSO4, который практически не растворяется в концентрированой азотной кислоте. 6. Взаимодействие с водой. При растворении в воде серная кислота активно взаимодействует с ней, образуя гидраты: nH2O+H2SO4=H2SO4 nH2O Благодоря способности связывать воду, серная кислота является хорошим осушителем.

Многие органические вещества, содержащие водород и кислород (бумага, древесина, ткани, сахара), при дествии серной кислоты обугливаются в результате связывания кислотой воды.

Например: процесс обугливания сахара С 12 Н 22 О 11 можно описать следующим уравнением: nC 12 H 22 O 11 + H 2 SO 4 =12 nC 7. Диссоциация кислоты. В водных растворах серная кислота диссоциирует на ионы В водном растворе серная кислота является очень сильнойона диссоциирует практически полностью по обоим ступеням.

Безводная серная кислота диссоциирует в незначительной степени, т.к. является слабой.

Производство серной кислоты.

Контактный способ.

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.

ПЕРВАЯ СТАДИЯ - обжиг пирита в печи для обжига в 'кипящем слое'. Уравнение реакции первой стадии t = 800° C 4FeS 2 + 11O 2 =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. 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) и в электрофильтрах (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. На выходе из сушильной 2 и кислорода О 2 . ВТОРАЯ СТАДИЯ - окисление SO 2 в SO 3 кислородом.

Протекает в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии: 2SO 2 + O 2 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 ). Прямая реакция является экзотермической + Q , Согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, Чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в систему необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает.

Экспериментальным путем химики-технологи, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO 3 является температура 400-500°С. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор.

Экспериментальным путем выяснили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия V 2 O 5 б) давление: Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO 2 и 1V O 2 ), а справа - 2V SO 3 . Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать.

Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении.

Прежде чем смесь SO 2 и O 2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок.

Внутри трубок проходит горячий SO 3 из контактного аппарата.

Попадая в контактный аппарат смесь SO 2 и О 2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате.

Температура 400-500°С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO 2 в SO 3 . Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO 2 в SO 3 . Образовавшийся оксид серы SO 3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню. ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO 3 серной кислотой. Протекает 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 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 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.

Нитрозный способ.

Нитрозный метод получения H 2 SO 4 был впервые применён в середине XVIII века. До 20-х годов текущего века процесс получения серной кислоты нитрозным методом проводился в больших свинцовых камерах (камерный метод). Теперь он осуществляется в специальных башнях (башенный способ). Получаемая по башенному способу кислота, как правило, содержит 76 % H 2 SO 4 и несколько загрязнена различными примесями.

Основным потребителем этой кислоты является промышленность минеральных удобрений. Башни выкладываются из кислотоупорных керамических плит с наружным кожухом из листовой стали.

Внутри они неплотно заполнены насадкой из кислотоупорной керамики. На первой стадии, одинаковой для обоих методов, получают сернистый ангидрит CO 2 . Исходным сырьём может быть, в принципе, любое вещество, содержащее серу: природные сульфиды железа (прежде всего, пирит FeS 2 ), а также сульфиды меди и никеля, сульфидные полиметаллические руды, гипс CaSO 4 . 2 H 2 O и элементарные сера. Всё больше и больше используют газы, которые выделяются при переработке и сжигании горючих ископаемых (угля, нефти), содержащих соединения серы.

Полученный SO 2 окисляют до H 2 SO 4 , используется для этого в нитрозном методе используется окислы азота. С этой стадии оба метода отличаются друг от друга. В специальной окислительной башне 3 смешивают окись азота NO и NO 2 с воздухом в таком соотношении, чтобы половина имеющихся NO и NO 2 . 2 NO + O 2 ® 2 NO 2 В результате газовая смесь содержит равные NO и NO 2 . Она подаётся в башни 4 и 5, орошаемые 75% - ной серной кислотой; здесь смесь окислов азота поглощается с образованием нитрозиллерной кислоты: NO + NO 2 + 2H 2 SO 4 ® 2NO(HSO 4 ) + H 2 O Раствор нитрозиллерной кислоты в серной кислоте, называемый нитрозой, орошает башни 1 и 2, куда противотоком поступает SO 2 и добавляется вода. В результате гидролиза нитрозиллерной кислоты образуется азотная кислота: NO ( HSO 4 ) + H 2 O ® H 2 SO 4 + HNO 2 Она - то и окисляет SO 2 по уравнению: SO 2 + 2 HNO 2 ® H 2 SO 4 + 2 NO В нижней части башен 1 и 2 накапливается 76% серная кислота, естественно, в большем количестве, чем её было затрачено на приготовление нитрозы (ведь добавляется «новорождённая» серная кислота). Окись азота NO возвращается снова на окисление.

Поскольку некоторое количество её меряется с выхлопными газами, приходится добавлять в систему HNO 3 , служащую источником окислов азота.

Недостаток башенного метода состоит в том, что полученная серная кислота имеет концентрацию лишь 76% (при большей концентрации плохо идёт гидролиз нитрозиллерной кислоты). Концентрирование же серной кислоты упариванием представляет дополнительную трудность.