Серная кислота и реакции с ней. Применение серной кислоты

Где нет заводов для ее добывания - немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющих важное технические значение”

Д.И. Менделеев

Серная кислота применяется в разнообразных производствах химической промышленности:

• минеральных удобрений, пластмасс, красителей, искусственных волокон, минеральных кислот, моющих средств;
• в нефтяной и нефтехимической промышленности:

• в цветной металлургии:

• в черной металлургии:

• в целлюлозно-бумажной, пищевой и легкой промышленности (для получения крахмала, патоки, отбеливания тканей) и т.д.

Производство серной кислоты

Серную кислоту в промышленности производят двумя способами: контактным и нитрозным.

Контактный способ производства серной кислоты

Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах.

В настоящее время основным методом производства серной кислоты является контактный, т.к. этот метод имеет преимущества перед другими:

Получение продукта в виде чистой концентрированной кислоты, приемлемой для всех потребителей;

I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты.

Основное сырьё

сера - S

серный колчедан (пирит) - FeS 2

сульфиды цветных металлов - Cu 2 S , ZnS , PbS

сероводород – H 2 S

Вспомогательный материал

Катализатор - оксид ванадия – V 2 O 5

II. Подготовка сырья.

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS 2 .

1) Измельчение пирита. Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

2) Очистка пирита. После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.

III . Основные химические процессы:

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

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

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 + Q

IV . Технологические принципы:

Принцип непрерывности;

Принцип комплексного использования сырья, использование отходов другого производства;

Принцип безотходного производства;

Принцип теплообмена;

Принцип противотока (“кипящий слой”);

Принцип автоматизации и механизации производственных процессов.

V . Технологические процессы:

Принцип непрерывности: обжиг пирита в печи →поступление оксида серы ( IV ) и кислорода в очистительную систему →в контактный аппарат →подача оксида серы ( VI ) в поглотительную башню.

VI . Охрана окружающей среды:

1) герметичность трубопроводов и аппаратуры

2) газоочистительные фильтры

VII . Химизм производства :

ПЕРВАЯ СТАДИЯ - обжиг пирита в печи для обжига в "кипящем слое".

Для получения серной кислоты используют, в основном,флотационный колчедан - отход производства при обогащении медных руд, содержащих смеси сернистых соединений меди и железа. Процесс обогащения этих руд происходит на Норильской и Талнахской обогатительных фабриках, которые и являются основными поставщиками сырья. Это сырье является более выгодным, т.к. серный колчедан добывают, в основном, на Урале, и, естественно, доставка его может быть очень дорогостоящей. Возможно использование серы , которая также образуется при обогащении руд цветных металлов, добываемых на рудниках. Поставщиками серы являются также ТОФ и НОФ. (обогатительные фабрики).

Уравнение реакции первой стадии

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

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета. В “кипящем слое” не слеживаются даже самые мелкие частицы пирита. Поэтому процесс обжига происходит очень быстро. Если раньше для обжига пирита требовалось 5-6 часов, то теперь - всего несколько секунд. Притом, в “кипящем слое” можно поддерживать температуру 800°С.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe 2 O 3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом, выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

Из печи выходит печной газ , состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз). Для удаления мелких частиц смесь направляем в электрофильтры, где идет очищение под действием тока высокого напряжения ~ 60000 В (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.

На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO 2 и кислорода О 2 .

ВТОРАЯ СТАДИЯ – каталитическое окисление SO 2 в SO 3 кислородом в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии:

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

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO 3).

Из уравнения следует, что реакция обратимая, а, значит, на этой стадии необходимо поддерживать такие условия, чтобы равновесие смещалось в сторону выхода SO 3 , иначе нарушится весь процесс. Т.к. реакция идет с уменьшением объема (3 V ↔2 V ), то необходимо повышенное давление. Повышают давление до 7-12 атмосфер. Реакция экзотермическая, поэтому, учитывая принцип Ле-Шателье, при высокой температуре этот процесс вести нельзя, т.к. равновесие сдвинется влево. Начинается реакция при температуре = 420 градусов, но благодаря многослойности катализатора (5 слоев), мы можем ее повышать до 550 градусов, что значительно ускоряет процесс. Катализатор используют ванадиевый (V 2 O 5). Он дешевый, долго служит (5-6 лет), т.к. наиболее устойчив к действию ядовитых примесей. Кроме того, он способствует сдвигу равновесия вправо.

Смесь (SO 2 и O 2) нагревается в теплообменнике и движется по трубам, между которыми в противоположном направлении проходит холодная смесь, которую надо нагреть. В результате происходит теплообмен : исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.

ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO 3 серной кислотой в поглотительной башне.

А почему оксид серы SO 3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде: SO 3 + H 2 O →H 2 SO 4 . Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3 .

Уравнение реакции этого процесса:

NSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

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

Серная кислота (H₂­SO₄) – это одна из сильнейших двухосновных кислот.

Если говорить о физических свойствах, то серная кислота выглядит как густоватая прозрачная маслянистая жидкость без запаха. В зависимости от концентрации, серная кислота имеет множество различных свойств и сфер применений:

• обработка металлов;
• обработка руд;
• производство минеральных удобрений;
• химический синтез.

История открытия серной кислоты

Контактная серная кислота имеет концентрацию от 92 до 94 процентов:

2SO₂ + O₂ = 2SO₂;

H₂O + SO₃ = H₂­SO₄.

Физические и физико-химические свойства серной кислоты

H₂­SO₄ смешивается с водой и SO₃ во всех соотношениях.

В водных растворах Н₂­SO₄ образует гидраты типа Н₂­SO₄·nH₂O

Температура кипения серной кислоты зависит от степени концентрации раствора и достигает максимума при концентрации больше 98 процентов.

Едкое соединение олеум представляет собой раствор SO₃ в серной кислоте.

При повышении концентрации триоксида серы в олеуме температура кипения понижается.

Химические свойства серной кислоты

При нагревании концентрированная серная кислота является сильнейшим окислителем, который способен окислять многие металлы. Исключение составляют лишь некоторые металлы:

• золото (Au);
• платина (Pt);
• иридий (Ir);
• родий (Rh);
• тантал (Та).

Окисляя металлы, концентрированная серная кислота может восстанавливаться до H₂S, S и SO₂.

Активный металл:

8Al + 15H₂­SO₄(конц.) → 4Al₂(SO₄)₃ + 12H₂O + 3H₂S

Металл средней активности:

2Cr + 4 H₂­SO₄(конц.)→ Cr₂(SO₄)₃ + 4 H₂O + S

Малоактивный металл:

2Bi + 6H₂­SO₄(конц.) → Bi₂(SO₄)₃ + 6H₂O + 3SO₂

С холодной концентрированной серной кислотой железо и не реагируют, поскольку покрываются оксидной пленкой. Этот процесс называется пассивация .

Реакция серной кислоты и H₂O

При смешении H₂­SO₄ с водой происходит экзотермический процесс: выделяется такое большое количество тепла, что раствор может даже закипеть. Проводя химические опыты, нужно всегда понемногу добавлять серную кислоту в воду, а не наоборот.

Серная кислота является сильным дегидрирующим веществом. Концентрированная серная кислота вытесняет воду из различных соединений. Ее часто используют в качестве осушителя.

Реакция серной кислоты и сахара

Жадность серной кислоты к воде можно продемонстрировать в классическом опыте - смешении концентрированной H₂­SO₄ и , который является органическим соединением (углеводом). Чтобы извлекать воду из вещества, серная кислота разрушает молекулы.

Для проведения опыта в сахар добавляют несколько капель воды и перемешивают. Затем осторожно вливают серную кислоту. Через короткий промежуток времени можно наблюдать бурную реакцию с образованием угля и выделением сернистого и .

Серная кислота и кубик сахара:

Помните, что работать с серной кислотой очень опасно. Серная кислота - едкое вещество, которое моментально оставляет сильные ожоги на коже.

вы найдете безопасные эксперименты с сахаром, которые можно проводить дома.

Реакция серной кислоты и цинка

Эта реакция достаточно популярна и является одним из самых распространенных лабораторных методов получения водорода. Если в разбавленную серную кислоту добавить гранулы цинка, металл будет растворяться с выделением газа:

Zn + H₂­SO₄ → Zn­SO₄ + H₂.

Разбавленная серная кислота реагирует с металлами, которые в ряду активности стоят левее водорода:

Ме + H₂­SO₄(разб.) → соль + H₂

Реакция серной кислоты с ионами бария

Качественной реакцией на и ее соли является реакция с ионами бария. Она широко распространена в количественном анализе, в частности гравиметрии:

H₂­SO₄ + Ba­Cl₂ → Ba­SO₄ + 2HCl

Zn­SO₄ + Ba­Cl₂ → Ba­SO₄ + Zn­Cl₂

Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!

Серная кислота находит самое широкое применение в народном хозяйстве и является главнейшим продуктом основной химической промышленности. В связи с этим наблюдается непрерывный рост производства серной кислоты. Так, если в 1900 г. мировое производство серной кислоты составило 4,2 млн. г, то в 1937 г. ее было получено 18,8 млн. г, а в 1960 г. — более 47 млн. т.
В настоящее время Советский Союз по производству серной кислоты занимает второе место в мире. В 1960 г. серной кислоты в СССР было получено 5,4 млн. г. В 1965 г. производство серной кислоты по сравнению с 1958 г. будет удвоено.
Области применения серной кислоты обусловлены ее свойствами и низкой стоимостью. Серная кислота является сильной, труднолетучей и прочной кислотой, обладающей при умеренных температурах весьма слабыми окислительными и сильными водо отнимающими свойствами.

Основным потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений — суперфосфата и сульфата аммония. Например, на производство только одной тонны суперфосфата (из фторапатита), не содержащего гигроскопической воды, расходуется 600 кг 65-процентной серной кислоты. Производство минеральных удобрений потребляет около половины всей производимой кислоты.
Значительное количество серной кислоты расходуется при переработке жидкого топлива — для очистки керосина, парафина, смазочных масел от сернистых и непредельных соединений, при переработке каменноугольной смолы. Применяется она также при очистке различных минеральных масел и жиров.
Серная кислота широко применяется в различных органических синтезах, например для сульфирования органических соединений — при производстве сульфокислот, различных красителей, сахарина. Для этой цели используется как концентрированная кислота, так и дымящая, а также хлорсульфоновая кислота. Серная кислота применяется в качестве водоотнимающего средства в реакциях нитрования — при производстве нитробензола, нитроклетчатки, нитроглицерина и т. д.
Являясь нелетучей кислотой, серная кислота способна вытеснять летучие кислоты из их солей, что используется в производстве фтористого и хлористого водорода, хлорной кислоты.
Серная кислота часто применяется при переработке (разложении) некоторых руд и концентратов, например титана, циркония, ванадия и иногда ниобия, лития и некоторых других металлов. Поскольку концентрированная серная кислота кипит при довольно высокой температуре и практически не действует на чугун и сталь, указанное разложение можно проводить достаточно полно, применяя дешевую аппаратуру из этих материалов.
Разбавленная горячая серная кислота хорошо растворяет окислы металлов, и ее используют для так называемого травления металлов — очистки их< особенно железа, от окислов.
Серная кислота является хорошим осушающим веществом и с этой целью находит широкое применение в лабораториях и в промышленности. Остаточная влажность при использовании 95-процентной серной кислоты равна 0,003 мг паров воды на 1 л осушаемого газа.

Серная кислота - довольно тяжелая жидкость, ее плотность составляет 1,84 г/см³. Она обладает способностью вытягивать воду из газов и . При растворении серной кислоты в воде выделяется огромное количество теплоты, в результате чего возможно разбрызгивание кислоты. При попадании на кожу человека даже в малых количествах вызывает сильные ожоги. Чтобы этого избежать, нужно добавлять кислоту в воду, а не наоборот.

Получение серной кислоты

Метод, с помощью которого серную кислоту получают в промышленных масштабах, называется контактным. Сначала в специальной печи происходит обжиг влажного (двухвалентного сульфида железа). В результате такой реакции выделяется сернистый газ (двуокись серы), кислород и водяной пар, так как был использован влажный пирит. Выделившиеся газы поступают в сушильный отсек, где избавляются от паров воды, а также в специальную центрифугу, чтобы убрать все возможные примеси твердых частиц.

Далее из оксида серы (IV) при помощи реакции окисления получают серный газ. При этом используют пятивалентный как катализатор. Реакция может идти в обе стороны, она обратима. Чтобы она протекала только в одном направлении, в реакторе создаются определенные температура и давление. Серный газ растворяют в заранее подготовленной серной кислоте для получения олеума, который затем отправляется на склад готовой продукции.

Химические свойства серной кислоты

Серная кислота обладает способностью принимать электроны, это сильный окислитель. Концентрированная и разбавленная серная кислота обладают разными химическими свойствами.

Разбавленная серная кислота способна растворять металлы, которые стоят левее водорода в ряду напряжений. Среди них: цинк, магний, литий и другие. Концентрированная серная кислота может разлагать некоторые галогенные кислоты (кроме соляной, так как восстановить ион хлора серная кислота не способна).

Применение серной кислоты

Благодаря своей уникальной способности вытягивать воду , серная кислота часто применяется для осушения газов. С ее помощью производят красители, минеральные удобрения (фосфорные и азотные), дымообразующие вещества, различные синтетические моющие средства. Нередко ее используют в качестве электролита для , так как серная кислота не может растворить свинец.