Серная кислота. Серная кислота: химические свойства, характеристики, получение серной кислоты на производстве
Серная кислота
H 2 SO 4 , молярная масса 98,082; бесцветная маслянистая без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, при 18°С pK a
1 - 2,8, K 2 1,2·10 -2 , pK a
2 1,92; длины связей в S=O 0,143 нм, S-ОН 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит с разложением, образуя (98,3% H 2 SO 4 и 1,7% Н 2 О с температурой кипения 338,8°С; см. также табл. 1). Серная кислота
, отвечающая 100%-ному содержанию H 2 SO 4 , имеет состав (%): H 2 SO 4 99,5%, HSO 4 - 0,18%, H 3 SO 4 + 0,14%, H 3 О + 0,09%, H 2 S 2 O 7 0,04%, HS 2 O 7 0,05%. Смешивается с и SO 3 во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота
практически полностью диссоциирует на Н + , HSO 4 - и SO 4 2- . Образует H 2 SO 4 ·n
H 2 O, где n
=1, 2, 3, 4 и 6,5.
растворы SO 3 в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H 2 SO 4 ·SO 3 и H 2 SO 4 ·2SO 3 . Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции: Н 2 SO 4 +SO 3 =H 2 S 2 O 7 .
Получение серной кислоты
Сырьем для получения серной кислоты
служат: S, сульфиды металлов, H 2 S, отходящие теплоэлектростанций, сульфаты Fe, Ca и др. Основные стадии получения серной кислоты
: 1) сырья с получением SO 2 ; 2) SO 2 до SO 3 (конверсия); 3) SO 3 . В промышленности применяют два метода получения серной кислоты
, отличающихся способом окисления SO 2 , - контактный с использованием твердых катализаторов (контактов) и нитрозный - с оксидами азота. Для получения серной кислоты
контактным способом на современных заводах применяют ванадиевые катализаторы, вытеснившие Pt и оксиды Fe. Чистый V 2 O 5 обладает слабой каталитической активностью, резко возрастающей в присутствии щелочных металлов, причем наибольшее влияние оказывают соли К. Промотирующая роль щелочных металлов обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3К 2 S 2 О 7 · V 2 О 5 , 2К 2 S 2 O 7 · V 2 O 5 и K 2 S 2 O 7 ·V 2 O 5 , разлагающихся соответственно при 315-330, 365-380 и 400-405 °С). Активный компонент в условиях катализа находится в расплавленном состоянии.
Схему окисления SO 2 в SO 3 можно представить следующим образом:
На первой стадии достигается равновесие, вторая стадия медленная и определяет скорость процесса.
Производство серной кислоты
из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (рис. 1) состоит из следующих стадий. Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню, где он осушается 93-98%-ной серной кислотой
до содержания влаги 0,01% по объему. Осушенный воздух поступает в серную печь после предварительного подогрева в одном из теплообменников контактного узла. В печи сжигается сера, подаваемая форсунками: S + О 2 = SO 2 + 297,028 кДж. Газ, содержащий 10-14% по объему SO 2 , охлаждается в котле и после разбавления воздухом до содержания SO 2 9-10% по объему при 420°С поступает в контактный аппарат на первую стадию конверсии, которая протекает на трех слоях катализатора (SO 2 + V 2 O 2 = SO 3 + 96,296 кДж), после чего газ охлаждается в теплообменниках. Затем газ, содержащий 8,5-9,5% SO 3 , при 200°С поступает на первую стадию абсорбции в абсорбер, орошаемый и 98%-ной серной кислотой
: SO 3 + Н 2 О = Н 2 SO 4 + 130,56 кДж. Далее газ проходит очистку от брызг серной кислоты
, нагревается до 420°С и поступает на вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в абсорбер второй ступени, орошаемый 98%-ной серной кислотой
, и затем после очистки от брызг выбрасывается в атмосферу.
1 - серная печь; 2 - котел-утилизатор; 3 - экономайзер; 4 - пусковая топка; 5, 6 - теплообменники пусковой топки; 7 - контактный аппарат; 8 - теплообменники; 9 - олеумный абсорбер; 10 - сушильная башня; 11 и 12 - соответственно первый и второй моногидратные абсорберы; 13 - сборники кислоты.
1 - тарельчатый питатель; 2 - печь; 3 - котел-утилизатор; 4 - циклоны; 5 - электрофильтры; 6 - промывные башни; 7 - мокрые электрофильтры; 8 - отдувочная башня; 9 - сушильная башня; 10 - брызгоуловитель; 11 - первый моногидратный абсорбер; 12 - теплообменники; 13 - контактный аппарат; 14 - олеумный абсорбер; 15 - второй моногидратный абсорбер; 16 - холодильники; 17 - сборники.
1 - денитрационная башня; 2, 3 - первая и вторая продукционные башни; 4 - окислительная башня; 5, 6, 7 - абсорбционные башни; 8 - электрофильтры.
Производство серной кислоты
из сульфидов металлов (рис. 2) существенно сложнее и состоит из следующих операций. Обжиг FeS 2 производят в печи кипящего слоя на воздушном дутье: 4FeS 2 + 11О 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476 кДж. Обжиговый газ с содержанием SO 2 13-14%, имеющий температуру 900°С, поступает в котел, где охлаждается до 450°С. Очистку от пыли осуществляют в циклоне и электрофильтре. Далее газ проходит через две промывные башни, орошаемые 40%-ной и 10%-ной серной кислотой
. При этом газ окончательно очищается от пыли, фтора и мышьяка. Для очистки газа от аэрозоля серной кислоты
, образующегося в промывных башнях, предусмотрены две ступени мокрых электрофильтров. После осушки в сушильной башне, перед которой газ разбавляется до содержания 9% SO 2 , его газодувкой подают на первую стадию конверсии (3 слоя катализатора). В теплообменниках газ подогревается до 420°С благодаря теплу газа, поступающего с первой стадии конверсии. SO 2 , окисленный на 92-95% в SO 3 , идет на первую стадию абсорбции в олеумный и моногидратный абсорберы, где освобождается от SO 3 . Далее газ с содержанием SO 2 ~ 0,5% поступает на вторую стадию конверсии, которая протекает на одном или двух слоях катализатора. Предварительно газ нагревается в другой группе теплообменников до420 °С благодаря теплу газов, идущих со второй стадии катализа. После отделения SO 3 на второй стадии абсорбции газ выбрасывается в атмосферу.
Степень превращения SO 2 в SO 3 при контактном способе 99,7%, степень абсорбции SO 3 99,97%. Производство серной кислоты
осуществляют и в одну стадию катализа, при этом степень превращения SO 2 в SO 3 не превышает 98,5%. Перед выбросом в атмосферу газ очищают от оставшегося SO 2 (см. ). Производительность современных установок 1500-3100 т/сут.
Сущность нитрозного метода (рис. 3) состоит в том, что обжиговый газ после охлаждения и очистки от пыли обрабатывают так называемой нитрозой - серной кислотой
, в которой растворены оксиды азота. SO 2 поглощается нитрозой, а затем окисляется: SO 2 + N 2 O 3 + Н 2 О = Н 2 SO 4 + NO. Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом в газовой фазе до NO 2 . Смесь NO и NO 2 вновь поглощается серной кислотой
и т.д. Оксиды азота не расходуются в нитрозном процессе и возвращаются в производственный цикл, вследствие неполного поглощения их серной кислотой
они частично уносятся отходящими газами. Достоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформления, более низкая себестоимость (на 10-15% ниже контактной), возможность 100%-ной переработки SO 2 .
Аппаратурное оформление башенного нитрозного процесса несложно: SO 2 перерабатывается в 7-8 футерованных башнях с керамической насадкой, одна из башен (полая) является регулируемым окислительным объемом. Башни имеют сборники кислоты, холодильники, насосы, подающие кислоту в напорные баки над башнями. Перед двумя последними башнями устанавливается хвостовой вентилятор. Для очистки газа от аэрозоля серной кислоты
служит электрофильтр. Оксиды азота, необходимые для процесса, получают из HNO 3 . Для сокращения выброса оксидов азота в атмосферу и 100%-ной переработки SO 2 между продукционной и абсорбционной зонами устанавливается безнитрозный цикл переработки SO 2 в комбинации с водно-кислотным методом глубокого улавливания оксидов азота. Недостаток нитрозного метода - низкое качество продукции: концентрация серной кислоты
75%, наличие оксидов азота, Fe и др. примесей.
Для уменьшения возможности кристаллизации серной кислоты
при перевозке и хранении установлены стандарты на товарные сорта серной кислоты
, концентрация которых соответствует наиболее низким температурам кристаллизации. Содержание серной кислоты
в технических сортах (%): башенная (нитрозная) 75, контактная 92,5-98,0, олеум 104,5, высокопроцентный олеум 114,6, аккумуляторная 92-94. Серную кислоту
хранят в стальных резервуарах объемом до 5000 м 3 , их общая емкость на складе рассчитана на десятисуточньй выпуск продукции. Олеум и серную кислоту
перевозят в стальных железнодорожных цистернах. Концентрированную и аккумуляторную серную кислоту
перевозят в цистернах из кислотостойкой стали. Цистерны для перевозки олеума покрывают теплоизоляцией и перед заливкой олеум подогревают.
Определяют серную кислоту
колориметрически и фотометрически, в виде взвеси BaSO 4 - фототурбидиметрически, а также кулонометрическим методом.
Применение серной кислоты
Серную кислоту применяют в производстве минеральных удобрений, как электролит в свинцовых аккумуляторах, для получения различных минеральных кислот и солей, химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ, в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности. Ее используют в промышленном органическом синтезе в реакциях дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров), гидратации (этанол из этилена), сульфирования ( и промежуточные продукты в производстве красителей), алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др. Самый крупный потребитель серной кислоты
- производство минеральных удобрений. На 1 т Р 2 О 5 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты
, а на 1 т (NH 4) 2 SO 4 - 0,75 т серной кислоты
. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений. Мировое производство серной кислоты
в 1987 достигло 152 млн. тонн.
Серная кислота и олеум - чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко - ларингит, трахеит, бронхит и т.д. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м 3 , в атмосферном 0,3 мг/м 3 (максимальная разовая) и 0,1 мг/м 3 (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.
Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.ЗефировСЕРНАЯ КИСЛОТА
H 2 SO 4 ,
молекулярная масса 98,082; бесцв. маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная
кислота, при 18°С pK a
1 - 2,8,
K 2 1,2 10 -2 , pK a 2 l,92;
длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S-ОН 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO
119°; кипит с различные, образуя азеотропную смесь (98,3% H 2 SO 4
и 1,7% Н 2 О с температура кипения 338,8 °С; см. также табл. 1). СЕРНАЯ КИСЛОТА к., отвечающая
100%-ному содержанию H 2 SO 4 , имеет состав (%): H 2 SO 4
99,5, 0,18,
0,14, Н 3 О +
0,09, H 2 S 2 O 7 0,04, HS 2 O 7
0,05. Смешивается с водой и SO 3 во всех соотношениях. В водных растворах
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. практически полностью диссоциирует на Н + ,
и . Образует гидраты
H 2 SO 4 nH 2 O, где n = 1, 2, 3,
4 и 6,5.
Растворы SO 3 в СЕРНАЯ КИСЛОТА
к. называют олеумом, они образуют два соединение H 2 SO 4 SO 3
и H 2 SO 4 2SO 3 . Олеум содержит также пи-росерную
кислоту, получающуюся по реакции: Н 2 SO 4 + + SO 3 :
H 2 S 2 O 7 .
Температура кипения водных растворов
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании
98,3% H 2 SO 4 (табл. 2). Температура кипения олеума с увеличением
содержания SO 3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3% H 2 SO 4
достигает минимума. С увеличением концентрации SO 3 в олеуме общее
давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами СЕРНАЯ КИСЛОТА к. и олеума
можно вычислить по уравению: lgp(Пa) = А - В/Т+ 2,126, величины
коэффициент А и В зависят от концентрации СЕРНАЯ КИСЛОТА к. Пар над водными растворами
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. состоит из смеси паров воды, Н 2 SO 4 и SO 3 ,
при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях СЕРНАЯ КИСЛОТА
к., кроме соответствующей азеотропной смеси.
С повышением температуры усиливается
диссоциация H 2 SO 4
H 2 О + SO 3 - Q, уравение температурной зависимости
константы равновесия lnК p = 14,74965 - 6,71464ln(298/T)
- 8, 10161 10 4 T 2 -9643,04/T-9,4577 10 -3 Т+2,19062
x 10 -6 T 2 . При нормальном давлении степень
диссоциации: 10 -5 (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К).
Плотность 100%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. можно определить по уравению: d= 1,8517 - - 1,1
10 -3 t + 2 10 -6 t 2 г/см 3 .
С повышением концентрации растворов СЕРНАЯ КИСЛОТА к. их теплоемкость уменьшается и достигает
минимума для 100%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к., теплоемкость олеума с повышением содержания SO 3
увеличивается.
При повышении концентрации
и понижении температуры теплопроводность l
уменьшается: l
= 0,518 + 0,0016t
- (0,25 + + t/1293) С/100, где С-концентрация СЕРНАЯ КИСЛОТА к., в %. Макс.
вязкость имеет олеум H 2 SO 4 SO 3 , с повышением
температуры h
снижается. Электрич. сопротивление СЕРНАЯ КИСЛОТА к. минимально при концентрации
30 и 92% H 2 SO 4 и максимально при концентрации 84 и 99,8%
H 2 SO 4 . Для олеума миним. r
при концентрации 10% SO 3 .
С повышением температуры r
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. увеличивается. Диэлектрич. проницаемость 100%-ной
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопич. постоянная 6,12, эбулиоскопич.
постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в воздухе изменяется с изменением
температуры; D = 1,67 10 -5 T 3/2 см 2 /с.
СЕРНАЯ КИСЛОТА к.-довольно сильный
окислитель, особенно при нагревании; окисляет HI и частично НВг до свободный галогенов,
углерод-до СО 2 , S-до SO 2 , окисляет многие металлы (Си, Hg
и др.). При этом СЕРНАЯ КИСЛОТА к. восстанавливается до SO 2 , а наиболее сильными
восстановителями-до S и H 2 S. Конц. H 2 SO 4 частично
восстанавливается Н 2 , из-за чего не может применяться для его
сушки. Разб. H 2 SO 4 взаимодействие со всеми металлами, находящимися
в электрохимический ряду напряжений левее водорода, с выделением Н 2 . Окислит.
свойства для разбавленый H 2 SO 4 нехарактерны. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. дает два ряда
солей: средние-сульфаты и кислые-гидросульфаты (см. Сульфаты неорганические),
а также эфиры (см. Сульфаты органические). Известны пероксомоносерная
(кислота Каро) H 2 SO 5 и пероксоди-серная H 2 S 2 O 8
кислоты (см. Сера).
Получение.
Сырьем
для получения СЕРНАЯ КИСЛОТА к. служат: S, сульфи-ды металлов, H 2 S, отходящие
газы теплоэлектростанций, сульфаты Fe, Ca и др. Осн. стадии получения СЕРНАЯ КИСЛОТА к.:
1) обжиг сырья с получением SO 2 ; 2) окисление SO 2 до SO 3
(конверсия); 3) абсорбция SO 3 . В промышленности применяют два метода получения
СЕРНАЯ КИСЛОТАк., отличающихся способом окисления SO 2 ,-контактный с использованием
твердых катализаторов (контактов) и нитрозный-с оксидами азота. Для получения
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. контактным способом на современной заводах применяют ванадиевые катализаторы,
вытеснившие Pt и оксиды Fe. Чистый V 2 O 5 обладает слабой
каталитических активностью, резко возрастающей в присутствии солей щелочных металлов,
причем наиболее влияние оказывают соли К. Промотирующая роль щелочных металлов
обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3К 2 S 2 О 7
V 2 О 5 , 2К 2 S 2 O 7 V 2 O 5
и K 2 S 2 O 7 V 2 O 5 ,
разлагающихся соответственно при 315-330, 365-380 и 400-405 °С). Активный компонент
в условиях катализа находится в расплавленном состоянии.
Схему окисления SO 2 в SO 3 можно представить следующей образом:
На первой стадии достигается
равновесие, вторая стадия медленная и определяет скорость процесса.
Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. из серы
по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (рис. 1) состоит из следующей
стадий. Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню,
где он осушается 93-98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. до содержания влаги 0,01% по объему. Осушенный
воздух поступает в серную печь после предварит. подогрева в одном из теплообменников
контактного узла. В печи сжигается сера, подаваемая форсунками: S + О 2
:
SO 2 + + 297,028 кДж. Газ, содержащий 10-14% по объему SO 2 ,
охлаждается в котле и после разбавления воздухом до содержания SO 2
9-10% по объему при 420 °С поступает в контактный аппарат на первую стадию
конверсии, которая протекает на трех слоях катализатора (SO 2 + V 2 O 2
:
:
SO 3 + 96,296 кДж), после чего газ охлаждается в теплообменниках.
Затем газ, содержащий 8,5-9,5% SO 3 , при 200 °С поступает на первую
стадию абсорбции в абсорбер, орошаемый олеумом и 98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к.: SO 3
+ Н 2 О :
Н 2 SO 4 + + 130,56 кДж. Далее
газ проходит очистку от брызг СЕРНАЯ КИСЛОТА к., нагревается до 420 °С и поступает на
вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй
стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в абсорбер второй
ступени, орошаемый 98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к., и затем после очистки от брызг выбрасывается
в атмосферу.
Рис. 1. Схема производства
серной кислоты из серы: 1-серная печь; 2-котел-утилизатор; 3 - экономайзер; 4-пусковая
топка; 5, 6-теплообменники пусковой топки; 7-контактный аппарат; 8-теплообменники;
9-олеумный абсорбер; 10-сушильная башня; 11 и 12-соответственно первый и второй моногидратные
абсорберы; 13-сборники кислоты.
Рис.2. Схема производства серной
кислоты из колчедана: 1-тарельчатый питатель; 2-печь; 3-котел-утилизатор; 4-циклоны;
5-электрофильтры; 6-промывные башни; 7-мокрые электрофильтры; 8-отдувочная башня;
9-сушильная башня; 10-брызгоуловитель; 11-первый моногидратный абсорбер; 12-теплообмен-вики;
13 - контактный аппарат; 14-олеумный абсорбер; 15-второй моногидратный абсорбер;
16-холодильники; 17-сборники.
Рис. 3. Схема производства
серной кислоты нитроз-ным методом: 1 - денитрац. башня; 2, 3-первая и вторая продукц.
башни; 4-окислит. башня; 5, 6, 7-абсорбц. башни; 8 - электрофильтры.
Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. из сульфидов
металлов (рис. 2) существенно сложнее и состоит из следующей операций. Обжиг FeS 2
производят в печи кипящего слоя на воздушном дутье: 4FeS 2 +
11О 2 :
2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476
кДж. Обжиговый газ с содержанием SO 2 13-14%, имеющий температуру 900 °С,
поступает в котел, где охлаждается до 450 °С. Очистку от пыли осуществляют
в циклоне и электрофильтре. Далее газ проходит через две промывные башни, орошаемые
40%-ной и 10%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. При этом газ окончательно очищается от пыли, фтора и
мышьяка. Для очистки газа от аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА к., образующегося в промывных башнях,
предусмотрены две ступени мокрых электрофильтров. После осушки в сушильной башне,
перед которой газ разбавляется до содержания 9% SO 2 , его газодувкой
подают на первую стадию конверсии (3 слоя катализатора). В теплообменниках газ
подогревается до 420 °С благодаря теплу газа, поступающего с первой стадии
конверсии. SO 2 , окисленный на 92-95% в SO 3 , идет на первую
стадию абсорбции в олеумный и моногидратный абсорберы, где освобождается от
SO 3 . Далее газ с содержанием SO 2 ~ 0,5% поступает на вторую
стадию конверсии, которая протекает на одном или двух слоях катализатора. Предварительно
газ нагревается в др. группе теплообменников до 420 °С благодаря теплу газов,
идущих со второй стадии катализа. После отделения SO 3 на второй стадии
абсорбции газ выбрасывается в атмосферу.
Степень превращения SO 2
в SO 3 при контактном способе 99,7%, степень абсорбции SO 3
99,97%. Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. осуществляют и в одну стадию катализа, при этом степень
превращения SO 2 в SO 3 не превышает 98,5%. Перед выбросом
в атмосферу газ очищают от оставшегося SO 2 (см. Газов очистка).
Производительность современной установок 1500-3100 т/сут.
Сущность нитрозного метода
(рис. 3) состоит в том, что обжиговый газ после охлаждения и очистки от пыли
обрабатывают так называемой нитрозой-С. к., в которой раств. оксиды азота. SO 2
поглощается нитрозой, а затем окисляется: SO 2 + N 2 O 3
+ Н 2 О :
Н 2 SO 4 + NO. Образующийся NO плохо
растворим в нитрозе и выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом
в газовой фазе до NO 2 . Смесь NO и NO 2 вновь поглощается
СЕРНАЯ КИСЛОТАк. и т.д. Оксиды азота не расходуются в нитрозном процессе и возвращаются
в производств. цикл, вследствие неполного поглощения их СЕРНАЯ КИСЛОТА к. они частично уносятся
отходящими газами. Достоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформления,
более низкая себестоимость (на 10-15% ниже контактной), возможность 100%-ной
переработки SO 2 .
Аппаратурное оформление
башенного нитрозного процесса несложно: SO 2 перерабатывается в 7-8
футерованных башнях с керамич. насадкой, одна из башен (полая) является регулируемым
окислит. объемом. Башни имеют сборники кислоты, холодильники, насосы, подающие
кислоту в напорные баки над башнями. Перед двумя последними башнями устанавливается
хвостовой вентилятор. Для очистки газа от аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА к. служит электрофильтр.
Оксиды азота, необходимые для процесса, получают из HNO 3 . Для сокращения
выброса оксидов азота в атмосферу и 100%-ной переработки SO 2 между
продукционной и абсорбционной зонами устанавливается безнитрозный цикл переработки
SO 2 в комбинации с водно-кислотным методом глубокого улавливания
оксидов азота. Недостаток нитрозного метода-низкое качество продукции: концентрация
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 75%, наличие оксидов азота, Fe и др. примесей.
Для уменьшения возможности
кристаллизации СЕРНАЯ КИСЛОТА к. при перевозке и хранении установлены стандарты на товарные
сорта СЕРНАЯ КИСЛОТА к., концентрация которых соответствует наиболее низким температурам кристаллизации.
Содержание СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в техн. сортах (%): башенная (нитрозная) 75, контактная 92,5-98,0,
олеум 104,5, высокопроцентный олеум 114,6, аккумуляторная 92-94. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. хранят
в стальных резервуарах объемом до 5000 м 3 , их общая емкость на складе
рассчитана на десятисуточньш выпуск продукции. Олеум и СЕРНАЯ КИСЛОТА к. перевозят в стальных
железнодорожных цистернах. Конц. и аккумуляторную СЕРНАЯ КИСЛОТА к. перевозят в цистернах
из кислотостойкой стали. Цистерны для
перевозки олеума покрывают теплоизоляцией и перед заливкой олеум подогревают.
Определяют СЕРНАЯ КИСЛОТА к. колориметрически
и фотометрически, в виде взвеси BaSO 4 - фототурбидиметрически, а
также ку-лонометрич. методом.
Применение. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. применяют
в производстве минеральных удобрений, как электролит в свинцовых аккумуляторах, для получения
различные минеральных кислот и солей, химический волокон, красителей, дымообразующих веществ и ВВ,
в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности.
Ее используют в пром. органическое синтезе в реакциях дегидратации (получение диэтилового
эфира, сложных эфиров), гидратации (этанол из этилена), сульфирования (синтетич.
моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей), алкили-рования (получение
изооктана, полиэтиленгликоля, капро-лактама) и др. Самый крупный потребитель
СЕРНАЯ КИСЛОТАк.-производство минеральных удобрений. На 1 т Р 2 О 5 фосфорных
удобрений расходуется 2,2-3,4 т СЕРНАЯ КИСЛОТА к., а на 1 т (NH 4) 2 SO 4 -0,75
т СЕРНАЯ КИСЛОТА к. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами
по производству минеральных удобрений. Мировое производство СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в 1987 достигло 152 млн.
т.
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. и олеум - чрезвычайно
агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение
дыхания, кашель, нередко-ларингит, трахеит, бронхит и т. д. ПДК аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА
к. в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м 3 , в атм. воздухе 0,3 мг/м 3
(макс. разовая) и 0,1 мг/м 3 (среднесуточная). Поражающая концентрация
паров СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин).
Класс опасности 2. Аэрозоль СЕРНАЯ КИСЛОТА к. может образовываться в атмосфере в результате
выбросов химический и металлургич. производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде
кислотных дождей.
Литература: Справочник
сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971; Амелин А. Г., Технология
серной кислоты, 2 изд., М., 1983; Васильев Б. Т., Отвагина М. И., Технология
серной кислоты, М., 1985. Ю.В. Филатов.
Химическая энциклопедия. Том 4 >>
Физические свойства
Чистая 100 %-ная серная кислота (моногидрат) представляет собой бесцветную маслянистую жидкость, застывающую в кристаллическую массу при +10 °С. Реактивная серная кислота имеет обычно плотность 1,84 г/см 3 и содержит около 95 % H 2 SO 4 . Затвердевает она лишь ниже -20 °С.
Температура плавления моногидрата равна 10,37 °С при теплоте плавления 10,5 кДж/моль. В обычных условиях он представляет собой очень вязкую жидкость с весьма высоким значением диэлектрической проницаемости (e = 100 при 25 °С). Незначительная собственная электролитическая диссоциация моногидрата протекает параллельно по двум направлениям: [Н 3 SO 4 + ]·[НSO 4 - ] = 2·10 -4 и [Н 3 О + ]·[НS 2 О 7 - ] = 4·10 -5 . Его молекулярно-ионный состав может быть приближенно охарактеризован следующими данными (в %):
H 2 SO 4 HSO 4 - H 3 SO 4 + H 3 O + HS 2 O 7 - H 2 S 2 O 7
99,50,180,140,090,050,04
При добавлении даже малых количеств воды преобладающей становится диссоциация по схеме:Н 2 О + Н 2 SО 4 <==> Н 3 О+ + НSO 4 -
Химические свойства
H 2 SO 4 - сильная двухосновная кислота.
H 2 SO 4 <--> H + + HSO 4 - <--> 2H + + SO 4 2-
Первая ступень (для средних концентраций) приводит к 100%-ой диссоциации:
K2 = ( · ) / = 1,2 · 10-2
1) Взаимодействие с металлами:
a) разбавленная серная кислота растворяет только металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода:
Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (разб) --> Zn +2 SO 4 + H 2 O
b) концентрированная H 2 +6 SO 4 - сильный окислитель; при взаимодействии с металлами (кроме Au, Pt) может восстанавливаться до S +4 O 2 , S 0 или H 2 S -2 (без нагревания не реагируют также Fe, Al, Cr - пассивируются):
- 2Ag 0 + 2H 2 +6 SO 4 --> Ag 2 +1 SO 4 + S +4 O 2 + 2H 2 O
- 8Na 0 + 5H 2 +6 SO 4 --> 4Na 2 +1 SO 4 + H 2 S -2 + 4H 2 O
- 2) концентрированная H 2 S +6 O 4 реагирует при нагревании с некоторыми неметаллами за счет своих сильных окислительных свойств, превращаясь в соединения серы более низкой степени окисления, (например, S +4 O 2):
С 0 + 2H 2 S +6 O 4 (конц) --> C +4 O 2 + 2S +4 O 2 + 2H 2 O
S 0 + 2H 2 S +6 O 4 (конц) --> 3S +4 O 2 + 2H 2 O
- 2P 0 + 5H 2 S +6 O 4 (конц) --> 5S +4 O 2 + 2H 3 P +5 O 4 + 2H 2 O
- 3) с основными оксидами:
CuO + H 2 SO 4 --> CuSO4 + H2O
CuO + 2H + --> Cu 2+ + H 2 O
4) с гидроксидами:
H 2 SO 4 + 2NaOH --> Na 2 SO 4 + 2H 2 O
H + + OH - --> H 2 O
H 2 SO 4 + Cu(OH) 2 --> CuSO 4 + 2H 2 O
- 2H + + Cu(OH) 2 --> Cu 2+ + 2H 2 O
- 5) обменные реакции с солями:
BaCl 2 + H 2 SO 4 --> BaSO 4 + 2HCl
Ba 2+ + SO 4 2- --> BaSO 4
Образование белого осадка BaSO 4 (нерастворимого в кислотах) используется для идентификации серной кислоты и растворимых сульфатов.
MgCO 3 + H 2 SO 4 --> MgSO 4 +H 2 O + CO 2 H 2 CO 3
Моногидрат (чистая, 100%-ая серная кислота) является ионизирующим растворителем, имеющим кислотный характер. В нём хорошо растворяются сульфаты многих металлов (переходя при этом в бисульфаты), тогда как соли других кислот растворяются, как правило, лишь при возможности их сольволиза (с переводом в бисульфаты). Азотная кислота ведет себя в моногидрате как слабое основаниеHNO 3 + 2 H 2 SO 4 <==> H 3 O + + NO 2 + + 2 HSO 4 - хлорная - как очень слабая кислотаH 2 SO 4 + HClO 4 = H 3 SO 4 + + ClO 4 - Фторсульфоновая и хлорсульфоновая оказываются кислотами несколько более сильными (HSO 3 F > HSO 3 Cl > HClO 4). Моногидрат хорошо растворяет многие органические вещества, имеющие в своём составе атомы с неподелёнными электронными парами (способными к присоединению протона). Некоторые из них могут быть затем выделены обратно в неизменённом состоянии путем простого разбавления раствора водой. Моногидрат обладает высоким значением криоскопической константы (6,12°) и им иногда пользуются как средой для определения молекулярных весов.
Концентрированная H 2 SO 4 является довольно сильным окислителем, особенно при нагревании (восстанавливается обычно до SO 2). Например, она окисляет HI и частично HВr (но не HСl) до свободных галогенов. Окисляются ею и многие металлы - Cu, Hg и др. (тогда как золото и платина по отношению к H 2 SO 4 устойчивы). Так взаимодействие с медью идёт по уравнению:
Cu + 2 H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + H 2 O
Действуя в качестве окислителя, серная кислота обычно восстанавливается до SO 2 . Однако наиболее сильными восстановителями она может быть восстановлена до S и даже H 2 S. С сероводородом концентрированная серная кислота реагирует по уравнению:
H 2 SO 4 + H 2 S = 2H 2 O + SO 2 + S
Следует отметить, что она частично восстанавливается также газообразным водородом и поэтому не может применяться для его осушки.
Рис. 13.
Растворение концентрированной серной кислоты в воде сопровождается значительным выделением тепла (и некоторым уменьшением общего объёма системы). Моногидрат почти не проводит электрического тока. Напротив, водные растворы серной кислоты являются хорошими проводниками. Как видно на рис. 13, максимальной электропроводностью обладает приблизительно 30 %-ная кислота. Минимум кривой соответствует гидрату состава H 2 SO 4 ·H 2 O.
Выделение тепла при растворении моногидрата в воде составляет (в зависимости от конечной концентрации раствора) до 84 кДж/моль H 2 SO 4 . Напротив, смешиванием 66 %-ной серной кислоты, предварительно охлажденной до 0 °С, со снегом (1:1 по массе) может быть достигнуто понижение температуры, до -37 °С.
Изменение плотности водных растворов H 2 SO 4 с её концентрацией (вес. %) дано ниже:
Как видно из этих данных, определение по плотности концентрации серной кислоты выше 90 вес. % становится весьма неточным. Давление водяного пара над растворами H 2 SO 4 различной концентрации при разных температурах показано на рис. 15. В качестве осушителя серная кислота может действовать лишь до тех пор, пока давление водяного пара над её раствором меньше, чем его парциальное давление в осушаемом газе.
Рис. 15.
Рис. 16. Температуры кипения над растворами H 2 SO 4 . растворов H 2 SO 4 .
При кипячении разбавленного раствора серной кислоты из него отгоняется вода, причём температура кипения повышается вплоть до 337 °С, когда начинает перегоняться 98,3 % H 2 SO 4 (рис. 16). Напротив, из более концентрированных растворов улетучивается избыток серного ангидрида. Пар кипящей при 337 °С серной кислоты частично диссоциирован на H 2 O и SO 3 , которые вновь соединяются при охлаждении. Высокая температура кипения серной кислоты позволяет использовать её для выделения при нагревании легколетучих кислот из их солей (например, HCl из NaCl).
Получение
Моногидрат может быть получен кристаллизацией концентрированной серной кислоты при -10 °С.
Производство серной кислоты.
- 1-я стадия. Печь для обжига колчедана.
- 4FeS 2 + 11O 2 --> 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q
Процесс гетерогенный:
- 1) измельчение железного колчедана (пирита)
- 2) метод "кипящего слоя"
- 3) 800°С; отвод лишнего тепла
- 4) увеличение концентрации кислорода в воздухе
- 2-я стадия. После очистки, осушки и теплообмена сернистый газ поступает в контактный аппарат, где окисляется в серный ангидрид (450°С - 500°С; катализатор V 2 O 5):
- 2SO 2 + O 2
- 3-я стадия. Поглотительная башня:
nSO 3 + H 2 SO 4 (конц) --> (H 2 SO 4 · nSO 3)(олеум)
Воду использовать нельзя из-за образования тумана. Применяют керамические насадки и принцип противотока.
Применение.
Помните! Серную кислоту нужно вливать малыми порциями в воду, а не на оборот. Иначе может произойти бурная химическая реакция, в результате которой человек может получить сильные ожоги.
Серная кислота -- один из основных продуктов химической промышленности. Идет на производство минеральных удобрений (суперфосфат, сульфат аммония), различных кислот и солей, лекарственных и моющих средств, красителей, искусственных волокон, взрывчатых веществ. Применяется в металлургии (разложение руд, напр. урановых), для очистки нефтепродуктов, как осушитель и др.
Практически важно то обстоятельство, что очень крепкая (выше 75 %) серная кислота не действует на железо. Это позволяет хранить и перевозить её в стальных цистернах. Напротив, разбавленная H 2 SO 4 легко растворяет железо с выделением водорода. Окислительные свойства для неё вовсе не характерны.
Крепкая серная кислота энергично поглощает влагу и поэтому часто применяется для осушки газов. От многих органических веществ, содержащих в своём составе водород и кислород, она отнимает воду, что нередко используется в технике. С этим же (а также с окислительными свойствами крепкой H 2 SO 4) связано её разрушающее действие на растительные и животные ткани. Случайно попавшую при работе на кожу или платье серную кислоту следует тотчас же смыть большим количеством воды, затем смочить пострадавшее место разбавленным раствором аммиака и вновь промыть водой.
серная кислота, серная кислота формула
Се́рная кислота́
H2SO4 - сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота - тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха, с кислым «медным» вкусом. технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO3. Если молярное отношение SO3: H2O < 1, то это водный раствор серной кислоты, если > 1 - раствор SO3 в серной кислоте (олеум).
- 1 Название
- 2 Физические и физико-химические свойства
- 2.1 Олеум
- 3 Химические свойства
- 4 Применение
- 5 Токсическое действие
- 6 Исторические сведения
- 7 Дополнительные сведения
- 8 Получение серной кислоты
- 8.1 Первый способ
- 8.2 Второй способ
- 9 Стандарты
- 10 Примечания
- 11 Литература
- 12 Ссылки
Название
В XVIII-XIX веках серу для пороха производили из серного колчедана (пирит) на купоросных заводах. Серную кислоту в то время называли «купоросным маслом» (как правило это был кристаллогидрат, по консистенции напоминающий масло), очевидно отсюда происхождение названия её солей (а точнее именно кристаллогидратов) - купоросы.
Физические и физико-химические свойства
Очень сильная кислота, при 18оС pKa (1) = −2,8, pKa (2) = 1,92 (К₂ 1,2 10−2); длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S-OH 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит, образуя азеотропную смесь (98,3 % H2SO4 и 1,7 % H2О с температурой кипения 338,8оС). Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H2SO4, имеет состав (%): H2SO4 99,5, HSO4− - 0,18, H3SO4+ - 0,14, H3O+ - 0,09, H2S2O7, - 0,04, HS2O7⁻ - 0,05. Смешивается с водой и SO3, во всех соотношениях. водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на H3О+, HSO3+, и 2НSO₄−. Образует гидраты H2SO4·nH2O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.
Олеум
Основная статья: ОлеумРастворы серного ангидрида SO3 в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H2SO4·SO3 и H2SO4·2SO3.
Олеум содержит также пиросерные кислоты, получающиеся по реакциям:
Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом её концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H2SO4.
| Содержание % по массе | Плотность при 20 ℃, г/см³ | Температура плавления, ℃ | Температура кипения, ℃ | |
|---|---|---|---|---|
| H2SO4 | SO3 (свободный) | |||
| 10 | - | 1,0661 | −5,5 | 102,0 |
| 20 | - | 1,1394 | −19,0 | 104,4 |
| 40 | - | 1,3028 | −65,2 | 113,9 |
| 60 | - | 1,4983 | −25,8 | 141,8 |
| 80 | - | 1,7272 | −3,0 | 210,2 |
| 98 | - | 1,8365 | 0,1 | 332,4 |
| 100 | - | 1,8305 | 10,4 | 296,2 |
| 104,5 | 20 | 1,8968 | −11,0 | 166,6 |
| 109 | 40 | 1,9611 | 33,3 | 100,6 |
| 113,5 | 60 | 2,0012 | 7,1 | 69,8 |
| 118,0 | 80 | 1,9947 | 16,9 | 55,0 |
| 122,5 | 100 | 1,9203 | 16,8 | 44,7 |
Температура кипения олеума с увеличением содержания SO3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов серной кислоты общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3 % H2SO4 достигает минимума. С увеличением концентрации SO3 в олеуме общее давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами серной кислоты и олеума можно вычислить по уравнению:
величины коэффициентов А и зависят от концентрации серной кислоты. Пар над водными растворами серной кислоты состоит из смеси паров воды, H2SO4 и SO3, при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях серной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.
С повышением температуры усиливается диссоциация:
Уравнение температурной зависимости константы равновесия:
При нормальном давлении степень диссоциации: 10⁻⁵ (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К).
Плотность 100%-ной серной кислоты можно определить по уравнению:
С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоемкость олеума с повышением содержания SO3 увеличивается.
При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается:
где С - концентрация серной кислоты, в %.
Максимальную вязкость имеет олеум H2SO4·SO3, с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации SO3 и 92 % H2SO4 и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H2SO4. Для олеума минимальное ρ при концентрации 10 % SO3. С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопическая постоянная 6,12, эбулиоскопическая постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется в зависимости от температуры; D = 1,67·10⁻⁵T3/2 см²/с.
Химические свойства
Серная кислота в концентрированном виде при нагревании - довольно сильный окислитель; окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов, углерод до CO2, серу - до SO2, окисляет многие металлы (Cu, Hg, исключение - золото и платина). При этом концентрированная серная кислота восстанавливается до SO2, например:
Наиболее сильными восстановителями концентрированная серная кислота восстанавливается до S и H2S. Концентрированная серная кислота поглощает водяные пары, поэтому она применяется для сушки газов, жидкостей и твёрдых тел, например, в эксикаторах. Однако концентрированная H2SO4 частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Отщепляя воду от органических соединений и оставляя при этом чёрный углерод (уголь), концентрированная серная кислота приводит к обугливанию древесины, сахара и других веществ.
Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением, например:
Окислительные свойства для разбавленной H2SO4 нехарактерны. Серная кислота образует два ряда солей: средние - сульфаты и кислые - гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) H2SO5 и пероксодисерная H2S2O8 кислоты.
Серная кислота реагирует также с основными оксидами, образуя сульфат и воду:
На металлообрабатывающих заводах раствор серной кислоты применяют для удаления слоя оксида металла с поверхности металлических изделий, подвергающихся в процессе изготовления сильному нагреванию. Так, оксид железа удаляется с поверхности листового железа действием нагретого раствора серной кислоты:
Качественной реакцией на серную кислоту и её растворимые соли является их взаимодействие с растворимыми солями бария, при котором образуется белый осадок сульфата бария, нерастворимый в воде и кислотах, например:
Применение
Серную кислоту применяют:
- в обработке руд, особенно при добыче редких элементов, в т.ч. урана, иридия, циркония, осмия и т.п.;
- в производстве минеральных удобрений;
- как электролит в свинцовых аккумуляторах;
- для получения различных минеральных кислот и солей;
- в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ;
- в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;
- в пищевой промышленности - зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513 (эмульгатор);
- в промышленном органическом синтезе в реакциях:
- дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);
- гидратации (этанол из этилена);
- сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);
- алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.
- Для восстановления смол в фильтрах на производстве дистилированной воды.
Мировое производство серной кислоты ок. 160 млн тонн в год. Самый крупный потребитель серной кислоты - производство минеральных удобрений. На P₂O₅ фосфорных удобрений расходуется в 2,2-3,4 раза больше по массе серной кислоты, а на (NH₄)₂SO₄ серной кислоты 75% от массы расходуемого (NH₄)₂SO₄. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.
Токсическое действие
Серная кислота и олеум - очень едкие вещества. Они поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко - ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Предельно допустимая концентрация аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности II. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.
Исторические сведения
Серная кислота известна с древности, встречаясь в природе в свободном виде, например, в виде озёр вблизи вулканов. Возможно, первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса «зеленого камня», встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну.
В IX веке персидский алхимик Ар-Рази, прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO4 7H2O и CuSO4 5H2O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус, живший в XIII веке.
Схема получения серной кислоты из железного купороса - термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси
Молекула серной кислоты по Дальтону
- 2FeSO4+7H2O→Fe2O3+SO2+H2O+O2
- SO2+H2O+1/2O2 ⇆ H2SO4
В трудах алхимика Валентина (XIII в) описывается способ получения серной кислоты путем поглощения водой газа (серный ангидрид), выделяющегося при сжигании смеси порошков серы и селитры. Впоследствии этот способ лег в основу т. н. «камерного» способа, осуществляемого в небольших камерах, облицованных свинцом, который не растворяется в серной кислоте. СССР такой способ просуществовал вплоть до 1955 г.
Алхимикам XV в известен был также способ получения серной кислоты из пирита - серного колчедана, более дешевого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. Впоследствии, в связи с развитием катализа этот метод вытеснил камерный способ синтеза серной кислоты. настоящее время серную кислоту получают каталитическим окислением (на V2O5) оксида серы (IV) в оксид серы (VI), и последующим растворением оксида серы (VI) в 70 % серной кислоте с образованием олеума.
В России производство серной кислоты впервые было организовано в 1805 году под Москвой в Звенигородском уезде. 1913 году Россия по производству серной кислоты занимала 13 место в мире.
Дополнительные сведения
Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы. Получившаяся взвесь, из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата. Например, в результате извержения вулкана Ксудач (п-ов Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже. Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году, отправивший в атмосферу 3·107 тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994 .
Получение серной кислоты
Основная статья: Производство серной кислотыПервый способ
Второй способ
В тех редких случаях, когда сероводород(H2S) вытесняет сульфат(SO4-) из соли (с металлами Cu,Ag,Pb,Hg) побочным продуктом является серная кислота
Сульфиды данных металлов обладают высочайшей прочностью, а также отличительным черным окрасом.
Стандарты
- Кислота серная техническая ГОСТ 2184-77
- Кислота серная аккумуляторная. Технические условия ГОСТ 667-73
- Кислота серная особой чистоты. Технические условия ГОСТ 1422-78
- Реактивы. Кислота серная. Технические условия ГОСТ 4204-77
Примечания
- Ушакова Н. Н., Фигурновский Н. А. Василий Михайлович Севергин: (1765-1826) / Ред. И. И. Шафрановский. М.: Наука, 1981. C. 59.
- 1 2 3 Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. § 91. Химические свойства серной кислоты // Неорганическая химия: Учебник для 7-8 классов средней школы. - 18-е изд. - М.: Просвещение, 1987. - С. 209-211. - 240 с. - 1 630 000 экз.
- Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. § 92. Качественная реакция на серную кислоту и её соли // Неорганическая химия: Учебник для 7-8 классов средней школы. - 18-е изд. - М.: Просвещение, 1987. - С. 212. - 240 с. - 1 630 000 экз.
- лицо худруку балета Большого театра Сергею Филину плеснули серной кислотой
- Эпштейн, 1979, с. 40
- Эпштейн, 1979, с. 41
- см. статью «Вулканы и климат» (рус.)
- Русский архипелаг - Виновато ли человечество в глобальном изменении климата? (рус.)
Литература
- Справочник сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971
- Эпштейн Д. А. Общая химическая технология. - М.: Химия, 1979. - 312 с.
Ссылки
- Статья «Серная кислота» (Химическая энциклопедия)
- Плотность и значение pH серной кислоты при t=20 °C
| Сульфаты | |
|---|---|
|
Алюм (KAl(SO4)2 12H2O) Аммоний сульфата алюминия ((NH4)Al(SO4)2) Аммоний-железо сульфат (NH4Fe(SO4)2) Аммоний-железо(II) сульфат (22) Аммоний-железо(III) сульфат (NH4Fe(SO4)2) Аммоний-церий(IV) сульфат ((NH4)4Ce(SO4)4) Гептагидрат сульфата магния (MgSO4) Гидросульфат аммония ((NH4)HSO4) Гидросульфат калия (KHSO4) Гидросульфат натрия (NaHSO4) Дисульфат калия (K2S2O7) Дисульфат натрия (Na2S2O7) Железа(III) основный сульфат ((OH)2) Квасцы Купорос Оксид-сульфат титана (TiOSO4) Олеум (H2SO4 xSO3) Пиросерная кислота (H2S2O7) (H2SO4) Соли Туттона Сульфат актиния(III) (Ac2(SO4)3) Сульфат алюминия (Al2(SO4)3) Сульфат алюмонатрия (NaAl(SO4)2) Сульфат аммония ((NH4)2SO4) Сульфат бария (BaSO4) Сульфат бериллия (BeSO4) Сульфат ванадила (VOSO4) Сульфат ванадия(III) (V2(SO4)3) Сульфат висмута (Bi2(SO4)3) Сульфат гидроксиаммония ((NH3OH)2SO4) Сульфат железа(II) (FeSO4) Сульфат железа(III) (Fe2(SO4)3) Сульфат индия(III) (In2(SO4)3) Сульфат иридия(III) (Ir2(SO4)3) Сульфат кадмия (CdSO4) Сульфат калия (K2SO4) Сульфат кальция (CaSO4) Сульфат кобальта(II) (CoSO4) Сульфат кобальта(III) (Co2(SO4)3) Сульфат лития (Li2SO4) Сульфат магния (MgSO4) Сульфат марганца(II) (MnSO4) Сульфат марганца(III) (Mn2(SO4)3) Сульфат меди(I) (Cu2SO4) Сульфат меди(II) (CuSO4) Сульфат натрия (Na2SO4) Сульфат никеля(II) (NiSO4) Сульфат олова(II) (SnSO4) Сульфат празеодима (Pr2(SO4)3) Сульфат ртути(I) (Hg2SO4) Сульфат ртути(II) (HgSO4) Сульфат свинца(II) (PbSO4) Сульфат серебра (Ag2SO4) Сульфат стронция (SrSO4) Сульфат сурьмы (Sb2(SO4)3) Сульфат таллия(I) (Tl2SO4) Сульфат таллия(III) (Tl2(SO4)3) Сульфат тетраамминмеди(II) (Cu(NH3)4SO4) Сульфат титана(III) (Ti2(SO4)3) Сульфат титана(IV) (Ti(SO4)2) Сульфат урана (U(SO4)2) Сульфат уранила (UO2SO4) Сульфат хрома(III) (Cr2(SO4)3) Сульфат хрома(III)-калия (KCr(SO4)2) Сульфат цезия (Cs2SO4) Сульфат церия(IV) (Ce(SO4)2) Сульфат цинка (ZnSO4) Сульфат циркония (Zr(SO4)2) |
серная кислота, серная кислота википедия, серная кислота гидролиз, серная кислота ее воздействие 1, серная кислота класс опасности, серная кислота купить в украине, серная кислота применение, серная кислота разъедает, серная кислота с водой, серная кислота формула
Серная кислота Информацию О
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Безводная серная кислота представляет собой тяжелую, вязкую жидкость, которая легко смешивается с водой в любой пропорции: взаимодействие характеризуется исключительно большим экзотермическим эффектом (~880 кДж/моль при бесконечном разбавлении) и может привести к взрывному вскипанию и разбрызгиванию смеси, если воду добавлять к кислоте; поэтому так важно всегда использовать обратный порядок в приготовлении растворов и добавлять кислоту в воду, медленно и при перемешивании.
Некоторые физические свойства серной кислоты приведены в таблице.
Безводная H 2 SO 4 — замечательное соединение с необычно высокой диэлектрической проницаемостью и очень высокой электропроводностью, которая обусловлена ионной автодиссоциацией (автопротолизом) соединения, а также эстафетным механизмом проводимости с переносом протона, обеспечивающим протекание электрического тока через вязкую жидкость с большим числом водородных связей.
Таблица 1. Физические свойства серной кислоты.
Получение серной кислоты
Серная кислота — самый важный промышленный химикат и самая дешевая из производимых в большом объеме кислот влюбой стране мира.
Концентрированную серную кислоту («купоросное масло») сначала получали нагреванием «зеленого купороса» FeSO 4 ×nH 2 O и расходовали в большом количестве на получение Na 2 SO 4 и NaCl.
В современном процессе получения серной кислоты используется катализатор, состоящий из оксида ванадия(V) с добавкой сульфата калия на носителе из диоксида кремния или кизельгура. Диоксид серы SO 2 получают сжиганием чистойсеры или при обжиге сульфидной руды (прежде всего пирита или руд Си, Ni и Zn) в процессе извлечения этихметаллов.Затем SO 2 окисляют до триоксида, а потом путем растворения в воде получают серную 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).
Химические свойства серной кислоты
Серная кислота - сильная двухосновная кислота. По первой ступени в растворах невысокой концентрации она диссоциирует практически нацело:
H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 — .
Диссоциация по второй ступени
HSO 4 — ↔H + + SO 4 2-
протекает в меньшей степени. Константа диссоциации серной кислоты по второй ступени, выраженная через активности ионов, K 2 = 10 -2 .
Как кислота двухосновная, серная кислота образует два ряда солей: средние и кислые. Средние соли серной кислоты называются сульфатами, а кислые - гидросульфатами.
Серная кислота жадно поглощает пары воды и поэтому часто применяется для осушения газов. Способностью поглощать воду объясняется и обугливание многих органических веществ, особенно относящихся к классу углеводов (клетчатка, сахар и т.д.), при действии на них концентрированной серной кислоты. Серная кислота отнимает от углеводов водород и кислород, которые образуют воду, а углерод выделяется в виде угля.
Концентрированная серная кислота, особенно горячая, — энергичный окислитель. Она окисляет HI и HBr (но не HCl) до свободных галогенов, уголь - до CO 2 , серу - до SO 2 . Указанные реакции выражаются уравнениями:
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.
Взаимодействие серной кислоты с металлами протекает различно в зависимости от её концентрации. Разбавленная серная кислота окисляет своим ионом водорода. Поэтому она взаимодействует только с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений только до водорода, например:
Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .
Однако свинец не растворяется в разбавленной кислоте, поскольку образующаяся соль PbSO 4 нерастворима.
Концентрированная серная кислота является окислителем за счет серы (VI). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно. Продукты её восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла и от условий (концентрация кислоты, температура). При взаимодействии с малоактивными металлами, например с медью, кислота восстанавливается до SO 2:
Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.
При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как диоксид, так и свободная сера и сероводород. Например, при взаимодействии с цинком могут протекать реакции:
Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;
4Zn + 5H 2 SO 4 = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.
Применение серной кислоты
Применение серной кислоты меняется от страны к стране и от десятилетия к десятилетию. Так, например в США в настоящее время главная область потребления H 2 SO 4 — производство удобрений (70%), за ним следуют химическое производство, металлургия, очистка нефти (~5% в каждой области). В Великобритании распределение потребления по отраслям иное: только 30% производимой H 2 SO 4 используется в производстве удобрений, зато 18% идет на краски, пигменты и полупродукты производства красителей, 16% на химическое производство, 12% на получение мыла и моющих средств, 10% на производство натуральных и искусственных волокон и 2,5% применяется в металлургии.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определите массу серной кислоты, которую можно получить из одной тонны пирита, если выход оксида серы (IV) в реакции обжига составляет 90%, а оксида серы (VI) в реакции каталитического окисления серы (IV) - 95% от теоретического. |
| Решение | Запишем уравнение реакции обжига пирита:
4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 . Рассчитаем количество вещества пирита: 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. Поскольку в уравнении реакции коэффициент при диоксиде серы в два раза больше, чем коэффициент при FeS 2 , то теоретически возможное количество вещества оксида серы (IV) равно: n(SO 2) theor = 2 ×n(FeS 2) = 2 ×8,33 = 16,66 кмоль. А практически полученное количество моль оксида серы (IV) составляет: n(SO 2) pract = η × n(SO 2) theor = 0,9 × 16,66 = 15 кмоль. Запишем уравнение реакции окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI): 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 . Теоретически возможное количество вещества оксида серы (VI) равно: n(SO 3) theor = n(SO 2) pract = 15 кмоль. А практически полученное количество моль оксида серы (VI) составляет: n(SO 3) pract = η × n(SO 3) theor = 0,5 × 15 = 14,25 кмоль. Запишем уравнение реакции получения серной кислоты: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 . Найдем количество вещества серной кислоты: n(H 2 SO 4) = n(SO 3) pract = 14,25 кмоль. Выход реакции составляет 100%. Масса серной кислоты равна: 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. |
| Ответ | Масса серной кислоты равна 1397 кг |
