Серная кислота
Серная кислота
Строение молекулы и физические свойства
Серная кислота H2SO4 – это сильная кислота, двухосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость, хорошо растворимая в воде.
Растворение серной кислоты в воде сопровождается выделением значительного количества кислоты. Поэтому по правилам безопасности в лаборатории при смешивании серной кислоты и воды мы добавляем серную кислоту в воду небольшими порциями при постоянном перемешивании.
Валентность серы в серной кислоте равна VI.
Способы получения
1. Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита FeS2.
Основные стадии получения серной кислоты :
- Сжигание или обжиг серосодержащего сырья в кислороде с получением сернистого газа.
- Очистка полученного газа от примесей.
- Окисление сернистого газа в серный ангидрид.
- Взаимодействие серного ангидрида с водой.
Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):
| Аппарат | Назначение и уравнения реакций |
| Печь для обжига | 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащенный кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800 о С |
| Циклон | Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз. |
| Электрофильтр | Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра). |
| Сушильная башня | Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота. |
| Теплообменник | Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. |
| Контактный аппарат | 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3):
Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню. |
| Поглотительная башня | Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне. Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3. Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю. |
Общие научные принципы химического производства:
- Непрерывность.
- Противоток
- Катализ
- Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ.
- Теплообмен
- Рациональное использование сырья
Химические свойства
Серная кислота – это сильная двухосновная кислота .
1. Серная кислота практически полностью диссоциирует в разбавленном в растворе по первой ступени:
По второй ступени серная кислота диссоциирует частично, ведет себя, как кислота средней силы:
HSO4 – ⇄ H + + SO4 2–
2. Серная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и амфотерными гидроксидами.
Например , серная кислота взаимодействует с оксидом магния:
Еще пример : при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом калия образуются сульфаты или гидросульфаты:
Серная кислота взаимодействует с амфотерным гидроксидом алюминия:
3. Серная кислота вытесняет более слабые из солей в растворе (карбонаты, сульфиды и др.). Также серная кислота вытесняет летучие кислоты из их солей (кроме солей HBr и HI).
Например , серная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:
Или с силикатом натрия:
Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:
Аналогично – концентрированная серная кислота вытесняет хлороводород из твердых хлоридов, например , хлорида натрия:
4. Т акже серная кислота вступает в обменные реакции с солями.
Например , серная кислота взаимодействует с хлоридом бария:
5. Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.
Например , серная кислота реагирует с железом. При этом образуется сульфат железа (II):
Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем . При этом она обычно восстанавливается до сернистого газа SO2. С активными металлами может восстанавливаться до серы S, или сероводорода Н2S.
Железо Fe, алюминий Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании реакция возможна.
При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:
При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:
При взаимодействии с щелочными металлами и цинком концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:
6. Качественная реакция на сульфат-ионы – взаимодействие с растворимыми солями бария. При этом образуется белый кристаллический осадок сульфата бария:
Видеоопыт взаимодействия хлорида бария и сульфата натрия в растворе (качественная реакция на сульфат-ион) можно посмотреть здесь.
7. Окислительные свойства концентрированной серной кислоты проявляются и при взаимодействии с неметаллами.
Например , концентрированная серная кислота окисляет фосфор, углерод, серу. При этом серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV):
Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Разбавление — концентрированная серная кислота
Разбавление концентрированной серной кислоты следует производить, приливая кислоту в воду, а не наоборот. В противном случае возможно вскипание жидкости и ее разбрызгивание. Кислоту следует приливать малыми порциями или очень тонкой струей при непрерывном перемешивании раствора. При сильном разогревании раствора следует дать ему охладиться. [1]
Разбавление концентрированной серной кислоты и растворение едких щелочей проводят в фарфоровой посуде ( стаканах, чашках), так как эти процессы сопровождаются выделением большого количества тепла. При разбавлении серной кислоты ее следует медленно приливать в воду, все время перемешивая. Приливание воды в кислоту категорически запрещается, что обусловлено бурным вскипанием и разбрызгиванием горячей кислоты, которая может вызвать тяжелые ожоги. [2]
Для разбавления концентрированной серной кислоты удобно пользоваться правилом креста. [3]
Для разбавления концентрированной серной кислоты ее следует тонкой струей вливать в воду, перемешивая при этом раствор; воду нельзя приливать к кислоте, так как это вызовет разбрызгивание кислоты. [4]
SOt-Для разбавления концентрированной серной кислоты ее следует тонкой струей вливать в воду, перемешивая при этом раствор; воду нельзя приливать к кислоте, так как это вызовет вскипание и сильное разбрызгивание кислоты. [5]
При разбавлении концентрированной серной кислоты , при смешивании концентрированной серной и азотной кислот и вообще, если смешивание веществ сопровождается выделением тепла, можно пользоваться только тонкостенной химической посудой из стекла или фарфоровой посудой. [6]
При разбавлении концентрированной серной кислоты , при смешивании концентрированной серной и азотной кислот и, вообще, если смешивание веществ сопровождается выделением тепла можно пользоваться только тонкостенной химической посудой из стекла или фарфоровой посудой. [7]
При разбавлении концентрированной серной кислоты вливают кислоту в воду небольшими порциями, при помешивании. [8]
При разбавлении концентрированной серной кислоты следует медленно и осторожно приливать кислоту к воде, но не наоборот. Так как при разбавлении кислоты выделяется большое количество тепла, то при приливании воды к кислоте может произойти разбрызгивание кислоты. [9]
При разбавлении концентрированной серной кислоты водой необходимо вливать кислоту тонкой струйкой в воду, а не наоборот, так как лри разбавлении кислоты выделяется большое количество тепла. Если ввести в кислоту небольшое количество воды, последняя мгновенно вскипит и кислоту вместе с паром может выбросить из чана. [10]
При разбавлении концентрированной серной кислоты водой следует постепенно вливать кислоту в холодную воду, постоянно помешивая. [11]
При разбавлении концентрированной серной кислоты вливают кислоту в воду небольшими порциями, при помешивании. [12]
При разбавлении концентрированной серной кислоты следует медленно и осторожно приливать кислоту в воду, но не наоборот. При разбавлении кислоты выделяется большое количество тепла, поэтому при при-ливании воды к кислоте может произойти разбрызгивание кислоты. [13]
При разбавлении концентрированной серной кислоты ни в коем случае не разрешается вливать в нее воду ( или разбавленную кислоту), так как смешение кислоты с водой сопровождается выделением большого количества тепла, и первые капли воды ( или разбавленной серной кислоты), попадая в концентрированную кислоту, вызовут ее быстрое вскипание и разбрызгивание. [14]
При разбавлении концентрированной серной кислоты , при смешивании концентрированной серной и азотной кислот и вообще, если смешивание веществ сопровождается выделением тепла; можно пользоваться только тонкостенной химической посудой из стекла или фарфоровой посудой. [15]
Источник
Разбавление и смешивание серной кислоты
В заводских условиях нередко бывает необходимо разбавить концентрированную серную кислоту водой или повысить концентрацию разбавленной кислоты, добавляя к ней концентрированную. Для этого предварительно надо установить или проверить концентрацию ИСХОДНЫХ КИСЛОТ, определив в НИХ содержание H2SO4.
При добавлении воды к концентрированной кислоте (олеуму или моногидрату) можно получить кислоту любой концентрации, однако при смешивании концентрированной. серной кислоты с водой выделяется большое количество тепла. Кислота может нагреться до кипения, произойдет бурное выделение паров и возможен выброс раствора из сосуда. Поэтому кислоты смешивают в специальных аппаратах — смесителях, соблюдая соответствующие меры предосторожности.
Смесители для приготовления кислоты низкой концентрации делают из кислотостойкого материала, для приготовления концентрированной кислоты — из чугуна. В производстве серной кислоты используют смесители разнообразного устройства. В некоторых случаях смеситель представляет собой чугунный эмалированный изнутри котел, помещенный в стальной кожух и закрытый крышкой. Смешиваемые кислоты поступают в чугунный эмалированный с обеих сторон конус, в котором они перемешиваются, после чего вытекают в котел. Для отвода тепла, выделяющегося при смешивании кислот, в пространство между котлом и кожухом непрерывно подается струя воды, омывающая стенки аппарата.
В некоторых случаях кислота после смешивания в небольшом резервуаре поступает в трубы, орошаемые снаружи водой, где одновременно охлаждается и дополнительно перемешивается.
При смешивании концентрированной серной кислоты с водой или с более разбавленной серной кислотой необходимо рассчитывать количество смешиваемых кислот. Расчеты проводят по так называемому правилу креста. Ниже приводится несколько примеров такого расчета.
1. Определить количество 100%-ной серной кислоты и воды, которые необходимо смешать для получения 45%-ной II2SO|.
Слева указывают концентрацию более концентрированной кислоты (в данном случае 100%), а справа — более разбавленной (п данном случае 0%—вода). Ннже, между ними, указывают заданную концентрацию (45%). Через цифру, обозначающую эту концентрацию, проводят дне перекрещивающиеся линии, а на их концах указывают соответствующую разность чисел:
Полученные под кислотами исходных концентраций цифры показывают, сколько массовых частей кислоты каждой из указанных концентраций необходимо смешать для получения кислоты заданной концентрации. В нашем примере для приготовления 45%-ной кислоты следует смешать 45 масс. ч. 100%-ной кислоты н 55 масс. ч. воды.
Эту же задачу можно решить исходя из общего баланса II2SO4 (или S03) в серной кислоте:
Числитель левой части уравнения соответствует содержанию H2S04 (в кг) в I кг 100%-ной серной кислоты, знаменатель — общему количеству заданного раствора (в кг). Правая часть уравнения соответствует концентрации серной кислоты в долях единицы. Решая уравнение, получаем х—1,221 кг. Это значит, что к 1 кг 100%- ной серной кислоты надо добавить 1,221 кг воды, при этом получится 45%-ная кислота.
2. Определить количество 20%-ного олеума, которое следует смешать с 10%-нон серной кислотой для получения 98%-ной кислоты.
Задача решается также по правилу креста, однако концентрацию олеума в этом примере нужно выразить в % H2SO4, используя уравнения (9) н (8):
А —= 81,63 + 0,1837-20—= 85,304;
Б 1,225-85,304 — 104,5.
По правилу креста
Следовательно, для получения 98%-ной серной кислоты требуется смешать 88 масс. ч. 20%-ного олеума и 6,5 масс. ч. 10%-иой серной кислоты.
Источник
