Промисловий випуск сірчаної кислоти почався в XV столітті – тоді ця речовина мала назву «купоросна олія». На сьогоднішній день є затребуваною речовиною, яка повсюдно використовується у промисловості. Якщо на зорі відкриття сірчаної кислоти вся потреба людства в цій речовині становила кілька десятків літрів, то сьогодні йде на мільйони тонн на рік.

Чиста сірчана кислота (формула H2SO4) у концентрації 100% є густою безбарвною рідиною. Головна її властивість - висока гігроскопічність, що супроводжується високим виділенням тепла. До концентрованих відносяться розчини від 40% - вони можуть розчинити паладій або срібло. У меншій концентрації речовина менш активна і вступає в реакцію, наприклад, з міддю або латунню.

У чистому вигляді H2SO4 зустрічається у природі. Наприклад, у Мертве озеро на Сицилії сірчана кислота сочиться з дна: у цьому випадку сировиною для неї вступає пірит з земної кори. Також невеликі краплі сірчаної кислоти часто виявляються в земній атмосферіпісля великих вивержень вулканів, у разі H2SO4 може бути причиною істотних змінклімату.

Одержання сірчаної кислоти.

Незважаючи на наявність сірчаної кислоти у природі, основна її частина виробляється промисловим способом.

Найбільш поширеним на сьогодні є контактний спосіб виробництва: він дозволяє знизити шкоду довкілляі отримати продукт, що максимально підходить всім споживачам. Менш популярний нітрозний метод виробництва, який передбачає окислення оксидом азоту.

Як сировина при контактному виробництві виступають такі речовини:

• Сірка;
• пірит (сірчаний колчедан);
• оксид ванадію (використовується як каталізатор);
• сульфіди різних металів;
• сірководень.

Перед початком виробничого процесу сировина проходить підготовку, під час якої насамперед у спеціальних дробильних машинах подрібнюється колчедан. Це дозволяє прискорити реакцію завдяки збільшенню зіткнення активних речовин. Потім пірит очищається: для цього його занурюють у великі ємності з водою, при цьому домішки та порожня порода виринають на поверхню, після чого їх прибирають.

Саме виробництво можна поділити на кілька стадій:

1. Очищений після подрібнення колчедан завантажується в піч, де відбувається його випал при температурі до 800 градусів. Знизу в камеру подається повітря за принципом протитечії, завдяки чому перит знаходиться у підвішеному стані. Раніше такий випал відбувався протягом кількох годин, а зараз процес триває кілька секунд. Відходи у вигляді оксиду заліза, що утворилися в процесі випалу, видаляються та вирушають на металургійні підприємства. У ході випалу виділяються гази SO2 та O2, а також пари води. Після очищення від дрібних частинок і водяної пари виходить кисень і чистий оксид сірки.
2. З другого краю етапі під тиском відбувається екзотермічна реакція, у якій бере участь ванадієвий каталізатор. Старт реакції відбувається при температурі 420 градусів, але для більшої ефективності її можна підняти до 550 градусів. У ході реакції відбувається каталітичне окислення і SO2 перетворюється на SO
3. Третій виробничий етап полягає в поглинанні SO3 у поглинальній вежі, внаслідок чого утворюється олеум H2SO4, який розливається в цистерни та оговтується споживачам. Надлишок тепла під час виробництва використовується для опалення.

У Росії її щорічно виробляється близько 10 мільйонів тонн H2SO4. У цьому основними виробниками виступають компанії, які є її основними споживачами. В основному це підприємства, що випускають мінеральні добрива, наприклад, «Амофос», «Балаківські міндобрива». Оскільки колчедан, який виступає основною сировиною, є відходом збагачувальних підприємств, його постачальники це Талнахская, і навіть Норильська збагачувальні фабрики.

У світі лідерами з виробництва H2SO4 є Китай та США, які щороку випускають відповідно 60 та 30 мільйонів тонн речовини.

Застосування сірчаної кислоти.

Світова промисловість щорічно споживає близько 200 мільйонів тонн сірчаної кислоти для безлічі видів продукції. За обсягами використання у промисловості серед усіх кислот вона посідає перше місце.

1. Виробництво добрив. Головним споживачем сірчаної кислоти (близько 40%) виробництво добрив. Саме тому заводи, що виробляють H2SO4, будують поблизу заводів, що випускають добрива. Іноді є частинами однієї й тієї ж підприємства із загальним циклом виробництва. У цьому виробництві використається чиста кислота 100% концентрації. На виробництво тонни суперфосфату, або амофосу, що найчастіше використовуються у сільському господарстві, йде близько 600 літрів сірчаної кислоти.
2. Очищення вуглеводнів. Виробництво бензину, гасу, мінеральних масел також не обходиться без сірчаної кислоти. Ця промисловість споживає ще близько 30% всієї виробленої у світі H2SO4, яка у разі використовується очищення у процесі переробки нафти. Також їй обробляють свердловини при видобутку нафти та збільшують октанову кількість палива.
3. Металургія. Сірчана кислотау металургії застосовується для очищення листового металу, дроту та всіляких заготовок від іржі, окалини, а також для відновлення алюмінію у процесі виробництва кольорових металів. Використовується для травлення металевих поверхонь перед покриттям нікелем, хромом або міддю.
4. Хімічна промисловість. За допомогою H2SO4 виробляється безліч органічних та неорганічних сполук: фосфорної, плавикової та інших кислот, сульфату алюмінію, що використовується у целюлозно-паперовій промисловості. Без неї неможливе виробництво етилового спирту, ліків, миючих засобів, інсектицидів та інших речовин

Область застосування H2SO4 воістину величезна і неможливо перерахувати всі методи її промислового використання. Вона також застосовується для очищення води, виробництва барвників, як емульгатор в харчової промисловості, при синтезі вибухових речовин та для багатьох інших цілей.

Чи навряд чи знайдеться інша, штучно добувана речовина, яка так часто застосовується в техніці, як сірчана кислота.

Де немає заводів для її добування - неймовірно вигідне виробництво багатьох інших речовин, які мають важливе технічні значення”

Д.І. Менделєєв

Сірчана кислота застосовується у різноманітних виробництвах хімічної промисловості:

• мінеральних добрив, пластмас, барвників, штучних волокон, мінеральних кислот, миючих засобів;
• у нафтовій та нафтохімічній промисловості:

для очищення нафти, одержання парафінів;

• у кольоровій металургії:

для отримання кольорових металів - цинку, міді, нікелю та ін.

• у чорній металургії:

для травлення металів;

• у целюлозно-паперовій, харчовій та легкій промисловості (для отримання крохмалю, патоки, відбілювання тканин) тощо.

Виробництво сірчаної кислоти

Сірчану кислоту в промисловості виробляють двома способами: контактним та нітрозним.

Контактний спосіб виробництва сірчаної кислоти

Сірчану кислоту контактним способом виробляють у великих кількостях на сірчанокислотних заводах.

Нині основним способом виробництва сірчаної кислоти є контактний, т.к. цей метод має переваги перед іншими:

Отримання продукту у вигляді чистої концентрованої кислотиприйнятною для всіх споживачів;

- Зменшення викидів шкідливих речовинв атмосферу з вихлопними газами

I. Сировина, що використовується для виробництва сірчаної кислоти.

Основна сировина

сірка - S

сірчаний колчедан (пірит) - FeS 2

сульфіди кольорових металів - Cu 2 S , ZnS , PbS

сірководень – H 2 S

Допоміжний матеріал

Каталізатор - оксид ванадію – V 2 O 5

ІІ. Підготовка сировини

Розберемо виробництво сірчаної кислоти з піриту FeS2.

1) Подрібнення піриту. Перед використанням великі шматки піриту подрібнюють у подрібнювальних машинах. Ви знаєте, що з подрібненні речовини швидкість реакції збільшується, т.к. збільшується площа поверхні зіткнення реагуючих речовин.

2) Очищення піриту. Після подрібнення піриту його очищають від домішок (порожньої породи і землі) методом флотації. Для цього подрібнений пірит опускають у величезні чани з водою, перемішують, порожня порода спливає нагору, потім видаляють порожню породу.

III. Основні хімічні процеси:

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

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

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 + Q

IV . Технологічні принципи:

принцип безперервності;

Принцип комплексного використання сировинивикористання відходів іншого виробництва;

принцип безвідходного виробництва;

принцип теплообміну;

Принцип протитечії (“киплячий шар”);

Принцип автоматизації та механізації виробничих процесів.

V . Технологічні процеси:

Принцип безперервності: випал піриту в печі → надходження оксиду сірки ( IV ) та кисню в очисну систему →в контактний апарат →подача оксиду сірки ( VI ) у поглинальну вежу.

VI . Охорона навколишнього середовища:

1) герметичність трубопроводів та апаратури

2) газоочисні фільтри

VII. Хімізм виробництва :

ПЕРША СТАДІЯ - випалення піриту в печі для випалу в "киплячому шарі".

Для отримання сірчаної кислоти використовують, переважно, флотаційний колчедан- відхід виробництва при збагаченні мідних руд, що містять суміші сірчистих сполук міді та заліза. Процес збагачення цих руд відбувається на Норильській та Талнахській збагачувальних фабриках, які є основними постачальниками сировини. Ця сировина є більш вигідною, т.к. сірчаний колчедан видобувають, в основному, на Уралі, і, природно, його доставка може бути дуже дорогою. Можливе використання сірки, яка також утворюється при збагаченні руд кольорових металів, що видобуваються на рудниках.Постачальниками сірки є також ТОФ та НОФ. (Збагачувальні фабрики).

Рівняння реакції першої стадії

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

Подрібнений очищений вологий (після флотації) пірит зверху засипають у піч для випалу в киплячому шарі. Знизу (принцип протитечії) пропускають повітря, збагачене киснем, для повнішого випалу піриту. Температура печі для випалу досягає 800°С. Пірит розжарюється до червона і знаходиться в "підвішеному стані" через повітря, що продувається знизу. Схоже це все на киплячу рідину розпечено-червоного кольору. У “киплячому шарі” не злежуються навіть найдрібніші частинки піриту. Тому процес випалу відбувається дуже швидко. Якщо раніше для випалу піриту потрібно 5-6 годин, то тепер – лише кілька секунд. Причому, в киплячому шарі можна підтримувати температуру 800°С.

За рахунок теплоти, що виділяється, в результаті реакції підтримується температура в печі. Надмірна кількість теплоти відводять: по периметру печі проходять труби з водою, що нагрівається. Гарячу водувикористовують далі для центрального опалення поруч приміщень, що стоять.

Оксид заліза Fe 2 O 3 (огарок), що утворився, у виробництві сірчаної кислоти не використовують. Але його збирають і відправляють на металургійний комбінат, на якому з оксиду заліза отримують метал залізо та його сплави з вуглецем - сталь (2% вуглецю в сплаві) і чавун (4% вуглецю в сплаві).

Таким чином, виконується принцип хімічного виробництва- Безвідходність виробництва.

З печі виходить пічний газ , Склад якого: SO 2 , O 2 , пари води (пірит був вологий!) і дрібні частинки недогарка (оксиду заліза).Такий пічний газ необхідно очистити від домішок твердих частинок недогарка та водяної пари.

Очищення пічного газу від твердих частинок недогарка проводять у два етапи - у циклоні (використовується відцентрова сила, тверді частинки недогарка ударяються об стінки циклону і зсипаються вниз). Для видалення дрібних частинок суміш направляємо в електрофільтри, де йде очищення під дією струму високої напруги~ 60000 В (використовується електростатичне тяжіння, частки недогарка прилипають до наелектризованих пластин електрофільтра, при достатньому накопиченні під власним вагою вони зсипаються вниз), для видалення парів води в пічному газі (осучка пічного газу) використовують сірчану концентровану кислоту, яка є дуже хорошим осушувачем, оскільки поглинає воду.

Осушування пічного газу проводять у сушильній вежі - знизу вгору піднімається пічний газ, а зверху вниз ллється концентрована сірчана кислота. Для збільшення поверхні зіткнення газу та рідини башту заповнюють керамічними кільцями.

На виході із сушильної вежі пічний газ уже не містить ані частинок недогарка, ані пари води. Пічний газ тепер є сумішшю оксиду сірки SO 2 і кисню О 2 .

ДРУГА СТАДІЯ – каталітичне окислення SO 2 в SO 3 киснем у контактному апараті.

Рівняння реакції цієї стадії:

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

Складність другої стадії полягає в тому, що окислення одного оксиду в інший є оборотним. Тому необхідно вибрати оптимальні умови протікання прямої реакції (отримання SO 3).

З рівняння випливає, що реакція оборотна, а отже, на цій стадії необхідно підтримувати такі умови, щоб рівновага зміщувалась у бік виходу SO 3 , інакше порушиться весь процес Т.к. реакція йде із зменшенням обсягу (3 V ↔2 V ), то необхідний підвищений тиск. Підвищують тиск до 7-12 атмосфер. Реакція екзотермічна, тому, враховуючи принцип Ле-Шательє, за високої температури цей процес вести не можна, т.к. рівновага зрушить вліво. Починається реакція при температурі = 420 градусів, але завдяки багатошаровості каталізатора (5 шарів) ми можемо її підвищувати до 550 градусів, що значно прискорює процес. Каталізатор використовують ванадієвий (V 2 O 5). Він дешевий, довго слугує (5-6 років), т.к. найбільш стійкий до дії отруйних домішок. Крім того, він сприяє зсуву рівноваги праворуч.

Суміш (SO 2 і O 2) нагрівається в теплообміннику і рухається трубами, між якими в протилежному напрямку проходить холодна суміш, яку треба нагріти. В результаті відбувається теплообмін: вихідні речовини нагріваються, а продукти реакції охолоджуються до потрібних температур.

ТРЕТЯ СТАДІЯ - поглинання SO 3 сірчаною кислотою у поглинальній вежі.

А чому оксид сірки SO 3 не поглинають водою? Адже можна було б оксид сірки розчинити у воді: SO 3 + H 2 O →H 2 SO 4 . Але справа в тому, що якщо для поглинання оксиду сірки використовувати воду, утворюється сірчана кислота у вигляді туману, що складається з дрібних крапельок сірчаної кислоти (оксид сірки розчиняється у воді з виділенням великої кількості теплоти, сірчана кислота настільки розігрівається, що закипає і перетворюється на пару ). Для того, щоб не утворювалося сірчанокислотного туману, використовують 98% концентровану сірчану кислоту. Два відсотки води - це так мало, що нагрівання рідини буде слабким та безпечним. Оксид сірки дуже добре розчиняється у такій кислоті, утворюючи олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3 .

Рівняння реакції цього процесу:

NSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3

Олеум, що утворився, зливають у металеві резервуари і відправляють на склад. Потім олеумом заповнюють цистерни, формують залізничні потяги і відправляють споживачеві.

Властивості сірчаної кислоти

Безводна сірчана кислота (моногідрат) є важкою маслянистою рідиною, яка змішується з водою у всіх співвідношеннях з виділенням великої кількості тепла. Щільність за 0 °С дорівнює 1,85 г/см 3 . Вона кипить при 296 °С і замерзає при -10 °С. Сірчаною кислотою називають як моногідрат, а й водні розчини його (), і навіть розчини триокису сірки в моногидрате (), звані олеумом. Олеум на повітрі "димить" внаслідок десорбції з нього. Чиста сірчана кислота безбарвна, технічна, забарвлена ​​домішками в темний колір.

Фізичні властивостісірчаної кислоти, такі як щільність, температура кристалізації, температура кипіння, залежать від її складу. На рис. 1 представлена ​​діаграма кристалізації системи. Максимуми в ній відповідають складу сполук або наявність мінімумів пояснюється тим, що температура кристалізації сумішей двох речовин нижче температури кристалізації кожного з них.

Рис. 1

Безводна 100% сірчана кислота має порівняно високу температуру кристалізації 10,7 °С. Щоб зменшити можливість замерзання товарного продукту при перевезенні та зберіганні, концентрацію технічної сірчаної кислоти вибирають такою, щоб вона мала досить низьку температуру кристалізації. Промисловість випускає три види товарної сірчаної кислоти.

Сірчана кислота дуже активна. Вона розчиняє оксиди металів і більшість чистих металів; витісняє при підвищеній температурі всі інші кислоти із солей. Особливо жадібно сірчана кислота з'єднується з водою завдяки здатності давати гідрати. Вона забирає воду від інших кислот, від кристалогідратів солей і навіть кисневих похідних вуглеводнів, які містять не воду таку, а водень і кисень у поєднанні Н:О = 2. дерево та інші рослинні та тваринні тканини, що містять целюлозу, крохмаль і цукор, руйнуються у концентрованій сірчаній кислоті; вода зв'язується з кислотою і від тканини залишається лише дрібнодисперсний вуглець. У розведеній кислоті целюлоза та крохмаль розпадаються з утворенням цукрів. При попаданні на шкіру людини концентрована сірчана кислота спричиняє опіки.

Висока активність сірчаної кислоти у поєднанні з порівняно невеликою вартістю виробництва визначили величезні масштаби та надзвичайну різноманітність її застосування (рис. 2). Важко знайти таку галузь, у якій споживалася у тих чи інших кількостях сірчана кислота чи вироблені з неї продукти.

Рис. 2

Найбільшим споживачем сірчаної кислоти є виробництво мінеральних добрив: суперфосфату, сульфату амонію та ін багато кислот (наприклад, фосфорна, оцтова, соляна) і солі виробляються в значній частині за допомогою сірчаної кислоти. Сірчана кислота широко застосовується у виробництві кольорових та рідкісних металів. У металообробній промисловості сірчану кислоту або її солі застосовують для травлення сталевих виробів перед забарвленням, лудінням, нікелюванням, хромуванням і т.п. Значні кількості сірчаної кислоти витрачаються на очищення нафтопродуктів. Отримання ряду барвників (для тканин), лаків та фарб (для будівель та машин), лікарських речовин та деяких пластичних мас також пов'язане із застосуванням сірчаної кислоти. За допомогою сірчаної кислоти виробляються етиловий та інші спирти, деякі ефіри, синтетичні миючі засоби, ряд отрутохімікатів для боротьби зі шкідниками сільського господарствата бур'янами. Розбавлені розчини сірчаної кислоти та її солей застосовують у виробництві штучного шовку, у текстильній промисловості для обробки волокна або тканин перед їх фарбуванням, а також в інших галузях легкої промисловості. У харчовій промисловості сірчана кислота застосовується при отриманні крохмалю, патоки та інших продуктів. Транспорт використовує свинцеві сірчанокислотні акумулятори. Сірчану кислоту використовують для осушення газів та при концентруванні кислот. Нарешті, сірчану кислоту застосовують у процесах нітрування та при виробництві більшої частини вибухових речовин.

(сірчана кислота, IUPAC - дигідрогенсульфат,застаріла назва купоросна олія)- з'єднання сірки з формулою H 2 SO 4. Безбарвна масляниста, дуже в'язка та гігроскопічна рідина. Сірчана кислота - одна з найсильніших неорганічних кислот і дуже їдкою та небезпечною. Ця кислота утворює два ряди солей: сульфати та гідрогенсульфати, в яких порівняно із сірчаною кислотою замінюються один або два атоми водню на катіони металів. Сірчана кислота одна із найважливіших технічних речовин у світі і лідирує за кількістю виробництва. Вона використовується переважно у формі водних розчинів для виробництва добрив, а також інших неорганічних кислот.

Історія

(або стару назву - купоросна олія) була відома з давніх-давен. Перші згадки про неї можна знайти в текстах алхіміка Джабір ібн Хайянь 8-го століття. Можливі методи виробництва описані у працях Альберта Великого (1200–1280) та Василя Валентина (1600). В основі цього методу лежить утворення кислоти з хальканинту та галуну. Застаріла назва походить від застарілої назви мінералів, з яких вона купувалась — купоросу. Перші наукові дослідженняза допомогою сірчаної кислоти провів Йоганн Рудольф Ґляубер. Він провів реакцію між сірчаною кислотою та сіллю і отримав соляну кислоту та сіль, яку було названо на його честь — глауберову сіль. Методи, в яких були використані сульфати, були дуже складними та дорогими. Для отримання великих кількостей цієї речовини у 18-му столітті розробили процес, в якому використовувалося спалювання сірки та селітри у скляній тарі. Так як скляні судини були дуже крихкими, то перша реакція була проведена в 1746 Джоном Робак в свинцевих контейнерах. Сірчана кислота створена методом Джона Робака мала концентрацію лише 35-40%. Пізніше покращення методу французьким хіміком Жозефом Луї Гей-Люссаком та англійським Джоном Гловером дало вихід речовини 78% концентрації. Тим не менш, за деякими барвників та інших хімічних речовинпотребує більш концентрованого продукту. Протягом 18 століття сірчана кислота виходила сухою перегонкою мінералів, процес схожий на оригінальні алхімічні процеси. Пірит (дисульфід заліза, FeS 2) нагрівали в повітрі для отримання заліза (II) сульфат, FeSO 4, який окислюється при подальшому нагріванні до заліза (III) сульфат Fe 2 (SO 4) 3, який при нагріванні до 480 ° С, розкладається до заліза (III) оксид та триоксиду сірки, який може бути використаний для отримання сірчаної кислоти у будь-якій концентрації. У 1831 році британський купець Перегрін Філліпс запатентував контактний процес, який був набагато економічніший. Сьогодні майже вся сірчана кислота у світі виробляється з використанням цього методу.

Знаходження у природі

Земля

Вільна сірчана кислота зустрічається у природі дуже рідко. В атмосфері вона утворюється з діоксиду сірки, який утворюється при згорянні речовин, що містять сірки або вулканічних вивержень. Діоксид сірки окислюється гідроксильними радикалами та киснем з утворенням триоксиду сірки, який, вступаючи в реакцію з атмосферною вологою, утворює кислоту. У кислотних дощах вона виступає у розбавленому вигляді. Невелику кількість вільної сірчаної кислоти можна знайти в деяких вулканічних джерелах, які називаються сольфатари. Найбільша кількість сірчаної кислоти у світі містить озеро у кратері вулкана Іджен в Індонезії. На відміну від вільної кислоти, її солі, зокрема сульфати, зустрічається в природі набагато частіше. Існує багато різних мінералів сульфатів. Серед них найбільш відомими та важливими є гіпс (CaSO 4 · 2 H 2 O), барит (BaSO 4), Халькантит (CuSO 4 · 5 H 2 O) та глауберова сіль (Na 2 SO 4 · 10 H 2 O).

Знаходження поза землею

Сірчана кислота знаходиться за межами Землі у верхніх шарах атмосфери Венери. Вона утворюється в результаті фотохімічних реакцій діоксиду сірки та води, що утворюють краплі 80-85% кислоти. У більш глибоких шарах, кислота розпадається через високу температуру знову на діоксид сірки, і воду, які піднімаючись вгору знову можуть утворювати сірчану кислоту. Інфрачервоні спектри, які були отримані апаратом Галілео показують різні ступеніпоглинань на супутнику Юпітера, які були віднесені до одного або кількох видів гідратів сірчаної кислоти.

Виробництво

Сировиною для виробництва сірчаної кислоти є елементарна сірка, яку отримують у величезних кількостях на нафто- та газовопереробних заводах, із сірководню, за допомогою процесу, який відомий як процес Клауса. Потім сірку оксилюють до діоксиду сірки:

Реакція сірки із киснем

Ще одним джерелом діоксиду сірки є виплавки руд, що містять сірку. Прикладами є мідні, цинкові та свинцеві сульфіди. Діоксид сірки утворюється при випаленні з киснем повітря.

Реакція при випаленні сульфіду цинку

У 1999 році в Європі було випалено близько 3 млн. тонн піриту для виробництва сірчаної кислоти. В Азії ця цифра більша, оскільки і запаси його більші. Для бідних ресурсами країн, які мають ні сірки, ні сульфідних руд, існує процес Мюллера-Кюне. У цьому процесі діоксид сірки утворюється при випалюванні гіпсу та вугілля в печі. Цей процес можна зробити прибутковим, якщо в піч додавати пісок і глину для утворення цементу як побічний продукт. Для подальшого виробництва потрібен сірчаний ангідрид. При низьких температурах реакція проходить повільно, оскільки вимагає порівняно рідкісних у газовій фазі потрійних зіткнень, а при високих рівновагах зміщено у бік розкладання сірчаного ангідриду. Тому проведення цієї реакції потрібні каталізатори. На ранніх порах використовували платину, пізніше перейшли на ванадієвий ангідрид V 2 O 5 або ванадати лужних металів KVO 3.

Окислення діоксиду сірки до триоксиду

Триоксид сірки розбавляється у воді відразу ж: через занадто бурхливу початкову реакцію в контакті з водою утворюється плівка туману сірчаної кислоти, що перешкоджає подальшій реакції. Спочатку його вводять у концентровану сірчану кислоту, цей розчин називають олеумом. Потім олеум розчиняють у воді до утворення сірчаної кислоти.

Розчинення сірчаного ангідриту в концентрованій сірчаній кислоті зі створення дисульфатної кислоти Розчинення дисульфатної кислоти у воді

У Останніми рокамивиробництво сірчаної кислоти зросло в основному в Китаї, в той час як європейських країнах, Виробництво скоротилося.

У домашніх умовах невеликі кількості розведеної сірчаної кислоти можна отримати електролізом розчину мідного купоросу зі свинцевим анодом (напруга має бути вище 2 В через велику перенапругу виділення кисню на двоокису свинцю, який утворюється на поверхні анода, але не більше 5 В, щоб не перегрівати ).

Фізичні властивості

Майже вся 99% сірчана кислота втрачає SO 3 під час кипіння з утворенням 98,3% кислоти. 98% кислота є стабільною при зберіганні і зазвичай також називається концентрованою. Інші концентрації використовуються для різних цілей. Дані про різні концентрації:

Хімічно чиста сірчана кислота є важкою безбарвною маслянистою рідиною. Продають, як правило, 96,5% - ний водний розчин щільністю 1,84 г / см 3 або так званий «олеум», тобто розчин SO 3 в H 2 SO 4. У воді H 2 SO 4 розчиняється дуже добре (змішується з водою у необмежених кількостях). При цьому виділяється тепло, розчин дуже сильно нагрівається (аж до кипіння води). Тому при додаванні води до концентрованої сірчаної кислоти остання розбризкується внаслідок швидкого перетворення води на пару. Тому при розведенні концентрованої H 2 SO 4 треба кислоту вливати у воду (а не навпаки!) тонким струменем при ретельному перемішуванні розчину скляною паличкою. Концентрована сірчана кислота як і чиста водапогано проводить струм внаслідок малої дисоціації, питома електропровідність 1,044 · 10 -2 S/см

Хімічні властивості

Дисоціація у водному розчині йде у кілька етапів:

Перший етап дисоціації; K 2 = 2.4 x 6 жовтня (сильна кислота)

Це значення кислотності взяте як основне щодо суперкислот.

Друга стадія дисоціації; K 1 = 1,0 x 10 -2

Сірчана кислота руйнує також багато органічних речовинзокрема, вуглеводи — дерево, папір, бавовняні тканини, цукор тощо. Руйнування цих речовин пояснюється тим, що концентрована сірчана кислота забирає від них водень та кисень у вигляді води, а вуглець залишається у вигляді пористого вугілля. При дії розведеної сірчаної кислоти на метали, які в електрохімічному ряду активності металів розташовані зліва водню, виділяється водень. Концентрована сірчана кислота має сильний окисний ефект і здатна реагувати, при нагріванні, навіть із шляхетними металами, такими як мідь, ртуть та срібло, хоча при цьому вона не взаємодіє із залізом. Тому для перевезення концентрованої сірчаної кислоти використовують залізні цистерни.

Реакція міді з концентрованою сірчаною кислотою

Застосування

Сірчана кислота є дуже важливим товаром хімічної промисловості та є індикатором її промислової потужності. Світове виробництво в 2004 році склало близько 180 млн тонн, при наступному географічному розподілі: Азія 35%, Північна Америка 24%, Африка 11%, Західна Європа 10%, Східна Європата Росія 10%, Австралія та Океанія 7%, Південна Америка 7%. Більшість виробленої кислоти (~ 60%) витрачається виробництво добрив, суперфосфату фосфату амонію, сульфатів, сульфату амонію. Близько 20% використовується в хімічній промисловості для миючих засобів, синтетичних смол, барвників, фармацевтичних препаратів, інсектицидів, антифризу, а також для різних технічних процесів. Близько 6% використовують для виробництва пігментів, фарб, емалей, друкарських фарб. Використовується також як осушувач газів.

Електроліт

Сірчана кислота діє як електроліт у свинцево-кислотних акумуляторах:

На аноді:

Pb + 3 SO2-4 ⇌ PbSO 4 + 2 e

На катоді:

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

Каталізатор

Сірчана кислота використовується також для інших цілей у хімічній промисловості. Наприклад, вона є кислотним каталізатором для перетворення циклогексанону окси в капролактам, який використовується для виготовлення капрону. Вона використовується для виготовлення соляної кислотиіз солі. Сірчана кислота використовується в нафтопереробній промисловості, як каталізатор реакції ізобутану і ізобутилену, для утворення ізооктану, сполуки, має еталонне октанове число, і придатної для створення високооктанового бензину без металовмісних присадок.

Безпека

Сірчана кислота їдка, хоча через значну в'язкість опік може статися достатньо для змивання кислоти, що потрапила на шкіру. У цьому сенсі небезпечніші олеум і хлорсульфонова кислота, які можуть швидко наносити сильні опіки. За корозійними властивостями менш небезпечна, ніж соляна або азотна кислоти, оскільки менш летюче і не дуже активний окислювач при звичайних температурах. Найбільш небезпечним є потрапляння на відкриті слизові оболонки. Попадання в очі може статися при спробі розведення концентрованої кислоти доливанням до неї води (пряме порушення правил поводження з концентрованою сірчаною кислотою), вода закипає і розбризкується разом з кислотою. Уражені ділянки промивають великою кількістюводи та 5% розчином питної соди.

Зображення на тему

ВИЗНАЧЕННЯ

Безводна сірчана кислотаявляє собою важку, в'язку рідину, яка легко змішується з водою в будь-якій пропорції: взаємодія характеризується виключно великим екзотермічним ефектом (~880 кДж/моль при нескінченному розведенні) і може призвести до вибухового закипання та розбризкування суміші, якщо воду додавати до кислоти; тому так важливо завжди використовувати зворотний порядок приготування розчинів і додавати кислоту у воду, повільно і при перемішуванні.

Деякі фізичні властивості сірчаної кислоти наведені у таблиці.

Безводна H 2 SO 4 — чудове з'єднання з надзвичайно високою діелектричною проникністю і дуже високою електропровідністю, яка обумовлена ​​іонною автодисоціацією (автопротолізом) з'єднання, а також естафетним механізмом провідності з перенесенням протона, що забезпечує протікання електричного струмучерез в'язку рідину з більшим числомводневих зв'язків.

Таблиця 1. Фізичні властивості сірчаної кислоти.

Одержання сірчаної кислоти

Сірчана кислота - найважливіший промисловий хімікат і найдешевша з вироблених у великому обсязі кислот у будь-якій країні світу.

Концентровану сірчану кислоту («купоросне масло») спочатку отримували нагріванням «зеленого купоросу» FeSO 4 ×nH 2 O та витрачали у великій кількості на отримання Na 2 SO 4 та NaCl.

У сучасному процесі отримання сірчаної кислоти використовується каталізатор, що складається з оксиду ванадію(V) з добавкою сульфату калію на носії діоксиду кремнію або кизельгуру. Діоксид сірки SO 2 отримують спалюванням чистої сірки або при випалюванні сульфідної руди (насамперед піриту або руд Сі, Ni і Zn) у процесі вилучення цих металів. Потім SO 2 окислюють до триоксиду, а потім шляхом розчинення у воді отримують сірчану кислоту:

S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 - 297 кДж/моль);

SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 - 9,8 кДж/моль);

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 - 130 кДж/моль).

Хімічні властивості сірчаної кислоти

Сірчана кислота – сильна двоосновна кислота. По першому ступені в розчинах невисокої концентрації вона дисоціює практично націло:

H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 - .

Дисоціація по другому ступеню

HSO 4 - ↔H + + SO 4 2-

протікає меншою мірою. Константа дисоціації сірчаної кислоти по другому ступені, виражена через активність іонів, K 2 = 10 -2 .

Як двоосновна кислота, сірчана кислота утворює два ряди солей: середні і кислі. Середні солі сірчаної кислоти називаються сульфатами, а кислі – гідросульфатами.

Сірчана кислота жадібно поглинає пари води і тому часто застосовується для осушення газів. Здібністю поглинати воду пояснюється і обвуглювання багатьох органічних речовин, що особливо відносяться до класу вуглеводів (клітковина, цукор і т.д.), при дії на них концентрованої сірчаної кислоти. Сірчана кислота забирає від вуглеводів водень та кисень, які утворюють воду, а вуглець виділяється у вигляді вугілля.

Концентрована сірчана кислота, особливо гаряча, енергійний окислювач. Вона окислює HI і HBr (але не HCl) до вільних галогенів, вугілля - до CO 2 , сірку - до SO 2 . Зазначені реакції виражаються рівняннями:

8HI + H 2 SO 4 = 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;

2HBr + H 2 SO 4 = Br 2 + SO 2 + 2H 2 O;

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O.

Взаємодія сірчаної кислоти з металами протікає по-різному залежно від її концентрації. Розведена сірчана кислота окислює своїм іоном водню. Тому вона взаємодіє тільки з тими металами, які стоять у ряді напруги тільки до водню, наприклад:

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2.

Однак свинець не розчиняється в розведеній кислоті, оскільки сіль, що утворюється PbSO 4 нерозчинна.

Концентрована сірчана кислота є окислювачем з допомогою сірки (VI). Вона окислює метали, що стоять у ряді напруги до срібла включно. Продукти її відновлення можуть бути різними залежно від активності металу та умов (концентрація кислоти, температура). При взаємодії з малоактивними металами, наприклад міддю, кислота відновлюється до SO 2:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

При взаємодії з активнішими металами продуктами відновлення можуть бути як діоксид, так і вільна сірка і сірководень. Наприклад, при взаємодії з цинком можуть протікати реакції:

Zn+2H2SO4=ZnSO4+SO2+2H2O;

3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;

4Zn+5H2SO4=4ZnSO4+H2S+4H2O.

Застосування сірчаної кислоти

Застосування сірчаної кислоти змінюється від країни до країни та від десятиліття до десятиліття. Так, наприклад, у США нині головна сфера споживання H 2 SO 4 — виробництво добрив (70%), за ним йдуть хімічне виробництво, металургія, очищення нафти (~5% у кожній області). У Великобританії розподіл споживання по галузях інше: тільки 30% виробленої H 2 SO 4 використовується у виробництві добрив, натомість 18% йде на фарби, пігменти та напівпродукти виробництва барвників, 16% на хімічне виробництво, 12% на отримання мила та миючих засобів, 10 % на виробництво натуральних та штучних волокон та 2,5% застосовується в металургії.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Визначте масу сірчаної кислоти, яку можна одержати з однієї тонни піриту, якщо вихід оксиду сірки (IV) реакції випалу становить 90%, а оксиду сірки (VI) реакції каталітичного окислення сірки (IV) - 95% від теоретичного.
Рішення	Запишемо рівняння реакції випалу піриту: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 . Розрахуємо кількість речовини піриту: n(FeS 2) = m(FeS 2) / M(FeS 2); M(FeS 2) = Ar(Fe) + 2×Ar(S) = 56 + 2×32 = 120г/моль; n(FeS 2) = 1000 кг/120 = 8,33 кмоль. Оскільки в рівнянні реакції коефіцієнт при діоксиді сірки вдвічі більший, ніж коефіцієнт при FeS 2 то теоретично можлива кількість речовини оксиду сірки (IV) дорівнює: n(SO 2) theor = 2×n(FeS 2) = 2×8,33 = 16,66 кмоль. А практично отримана кількість моль оксиду сірки (IV) складає: n(SO 2) pract = η × n(SO 2) theor = 0,9 × 16,66 = 15 кмоль. Запишемо рівняння реакції окислення оксиду сірки (IV) до оксиду сірки (VI): 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 . Теоретично можлива кількість речовини оксиду сірки (VI) дорівнює: n(SO 3) theor = n(SO 2) pract = 15 кмоль. А практично отримана кількість моль оксиду сірки (VI) становить: n(SO 3) pract = η × n(SO 3) theor = 0,5 × 15 = 14,25 кмоль. Запишемо рівняння реакції отримання сірчаної кислоти: SO3 + H2O = H2SO4. Знайдемо кількість речовини сірчаної кислоти: n(H 2 SO 4) = n(SO 3) pract = 14,25 кмоль. Вихід реакції становить 100%. Маса сірчаної кислоти дорівнює: m(H 2 SO 4) = n(H 2 SO 4) × M(H 2 SO 4); M(H 2 SO 4) = 2×Ar(H) + Ar(S) + 4×Ar(O) = 2×1 + 32 + 4×16 = 98 г/моль; m(H 2 SO 4) = 14,25×98 = 1397 кг.
Відповідь	Маса сірчаної кислоти дорівнює 1397 кг.