Способы получения серного ангидрида

Производство серной кислоты

Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита (серного колчедана) 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):

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:

1. Непрерывность.
2. Противоток
3. Катализ
4. Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ.
5. Теплообмен
6. Рациональное использование сырья

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

§ 20. Кислородсодержащие соединения серы (VI)

К кислородсодержащим соединениям серы (VI) относятся их высшие формы — оксид серы (VI) SO₃ и соответствующая ему серная кислота H₂SO₄.

Приведите примеры известных вам способов получения серного ангидрида и серной кислоты. Напишите уравнения соответствующих реакций.
Что вам известно о серной кислоте?

Оксид серы (VI) SO₃

Состав и строение. Оксид серы(VI) называют также серным ангидридом или триоксидом серы. Отдельные молекулы его (в газообразном состоянии) имеют форму равностороннего треугольника, в центре которого — предельно окисленный атом серы, а в вершинах — атомы кислорода. Все четыре атома, составляющие молекулу SO₃, расположены в одной плоскости, а валентные углы между ними равны 120°. Молекулы оксида серы (VI) склонны к полимеризации, т. е. к последовательному соединению друг с другом в более крупные молекулы.

Физические свойства. Оксид серы (VI) — бесцветная маслянистая жидкость, кипящая при 44,7 °С и кристаллизующаяся при 17 °С. При хранении, особенно в присутствии влаги, он полимеризуется и превращается в твердое прозрачное вещество (полимер), напоминающее лед и состоящее из длинных шелковистых кристаллов. Оксид серы (VI) малорастворим в воде, но хорошо растворяется в серной кислоте.

Химические свойства. SO₃ — кислотный оксид. Растворяясь, он реагирует с водой, образуя серную кислоту. Это реакция экзотермическая и сопровождается выделением большого количества теплоты:

Безводный ангидрид серной кислоты является довольно сильным окислителем: при соприкосновении с ним фосфор воспламеняется; при взаимодействии его с иодидом (или бромидом) калия выделяется свободный иод (бром). При этом триоксид восстанавливается до диоксида серы.

Получение. Оксид серы (VI) можно получить каталитическим окислением оксида серы (IV):

Реакция окисления оксида серы (IV) является обратимой. Она имеет огромное значение для промышленного получения серной кислоты.

При изучении химии вы познакомились с реакциями, идущими до конца, на примере реакций ионного обмена электролитов узнали, в каких случаях это происходит, т. е. познакомились с условиями необратимости реакций.

Серная кислота H₂SO₄

Серная кислота — молекулярное вещество, относящееся к сильным двухосновным кислотам. Структуру молекулы серной кислоты изображает ее модель, приведенная на рисунке 21.

Физические свойства. Безводная серная кислота — тяжелая бесцветная маслянистая жидкость, растворяющаяся в воде в любых соотношениях. Она гигроскопична, нелетуча, без запаха, не проводит электрический ток. При 10,3 °С она затвердевает, образуя кристаллы, похожие на лед. Серная кислота кипит при 296 °С с разложением. Серная кислота, поступающая в продажу, имеет плотность 1,84 г/см 3 (массовая доля серной кислоты около 96 %).

Серная кислота очень хорошо растворима в воде: она растворяется в ней в любых пропорциях.

Растворение концентрированной серной кислоты в воде — физикохимический экзотермический процесс.

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, обогащённый 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): температура: оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным выходом SO3 является температура 400-500 о С. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор – оксид ванадия (V) V2O5. давление: прямая реакция протекает с уменьшением объемов газов. Для смещения равновесия вправо процесс проводят при повышенном давлении. 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

При растворении серной кислоты в воде образуются гидраты и выделяется большое количество теплоты. Поэтому смешивать концентрированную серную кислоту с водой надо крайне осторожно, соблюдая следующее правило безопасности:

Кислоту осторожно тонкой струйкой вливают в воду, а не наоборот. Не вливать воду в кислоту, иначе произойдет сильное разбрызгивание разогретого и опасного раствора серной кислоты (рис. 22)!

Концентрированная 98%-ная серная кислота почти в два раза тяжелее воды. Поэтому, когда мы вливаем в воду тонкой струйкой или по каплям кислоту, она равномерно опускается на дно сосуда, смешивается и взаимодействует с Н₂O, образуя гидраты серной кислоты. Происходит равномерное разогревание смеси, так как эта реакция экзотермическая.

Если, наоборот, вливать воду в кислоту, вода не будет опускаться вниз, а будет проникать лишь на небольшую глубину. Разогревание раствора вследствие идущей там реакции гидратации сосредоточится на поверхности. Раствор здесь может нагреться до кипения. Образующийся пар будет разбрызгивать кислоту (учитывая, что кислота имеет в 3 раза меньшую теплоемкость, чем вода).

Серная кислота — химически активное вещество. Однако следует иметь в виду, что свойства разбавленной и концентрированной серной кислоты весьма различны.

Вспомните общие химические свойства кислот и подтвердите их уравнениями реакций.
Охарактеризуйте серную кислоту как электролит.

Химические свойства разбавленной серной кислоты. В растворе серная кислота, будучи сильным электролитом, изменяет окраску индикаторов: лакмус становится красным, а метиловый оранжевый розовеет. Она ступенчато диссоциирует на ионы:

Проблема. Почему степень диссоциации по первой ступени намного выше, чем по второй?

Как двухосновная кислота серная кислота образует соли двух видов: средние — сульфаты (Na₂SO₄, CaSO₄) и кислые — гидросульфаты (NaHSO₄, Ca(HSO₄)₂ и др.)?

Большинство сульфатов растворимо в воде (см. таблицу растворимости). Малорастворимым является сульфат кальция CaSO₄, нерастворимыми — сульфаты свинца PbSO₄ и бария BaSO₄, последний нерастворим и в кислотах. Многие соли серной кислоты содержат кристаллизационную воду и являются кристаллогидратами. Их часто называют купоросами. Например: медный купорос CuSO₄ • 5Н₂O; железный купорос FeSO₄ • 7H₂O и др.

Серная кислота в растворе обладает общими для класса кислот химическими свойствами, которые обусловлены ионом Н + (Н₃O + ). Они проявляются в реакциях ионного обмена и окислительно-восстановительных.

1. Окислительно-восстановительные реакции характерны для взаимодействия растворов серной кислоты с металлами.

Металлы, стоящие в ряду активности (в ряду напряжения) до водорода (за исключением свинца), окисляются ионом водорода кислоты, а сам он восстанавливается до молекулярного водорода.

Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, с разбавленной серной кислотой не взаимодействуют (Сu, Ag, Pt, Аu).

2. Реакции обмена происходят при взаимодействии серной кислоты с основными и амфотерными оксидами, основаниями и солями.

Задание. Запишите молекулярные, полные и сокращенные ионные уравнения таких реакций.

Качественная реакция на серную кислоту и ее соли, с помощью которой можно распознать их среди других веществ, — реакция с растворимыми солями бария:

Суть процесса: выпадает белый осадок сульфата бария, нерастворимый ни в воде, ни в кислотах:

Катион бария Ва 2+ является реагентом на сульфат-ион

Лабораторные опыты

Опыт 1. Качественная реакция на сульфат-ион. Налейте в одну пробирку 1 мл раствора разбавленной серной кислоты, а в другую 1 мл раствора сульфата натрия. Прилейте в обе пробирки такой же объем раствора хлорида бария. Что наблюдаете? Во вторую пробирку добавьте немного раствора азотной кислоты. Что изменилось? Запишите уравнения реакций в полной и сокращенной ионной форме.

Опыт 2. Экспериментальная задача. В трех пробирках без этикеток находятся растворы серной кислоты, сульфата натрия и сульфита натрия. С помощью каких реактивов и в какой последовательности следует распознавать эти вещества? Составьте план исследования. Проделайте эти реакции. Запишите уравнения химических реакций.

Источник