Как из серы получить серную кислоту?

Серная кислота

Серная кислота H2SO4 — одна из сильных двухосновных кислот. В разбавленном состоянии она окисляет почти все металлы, кроме золота и платины. Интенсивно реагирует с неметаллами и органическими веществами, превращая некоторые из них в уголь. При приготовлении раствора серной кислоты всегда надо её приливать к воде, а не наоборот, во избежание разбрызгивания кислоты и вскипания воды. При 10 °С затвердевает, образуя прозрачную стекловидную массу. При нагревании 100-процентная серная кислота легко теряет серный ангидрид (триокись серы SO3) до тех пор, пока её концентрация не составит 98 %. Именно в таком состоянии её обычно и используют в лабораториях.

В концентрированном (безводном) состоянии серная кислота — бесцветная, дымящаяся на воздухе (из-за паров), маслянистая жидкость с характерным запахом (Т кипения=338 °С). Она является очень сильным окислителем. Это вещество обладает всеми свойствами кислот:

Химические свойства серной кислоты

— химическая реакция с металлами:

H2SO4 + Fe → FeSO4 + H2;

2H2SO4 + Cu → CuSO4 + SO2 +2H2O — в этом случае кислота является концентрированной.

— химическая реакция с оксидами металлов:

H2SO4 + CuO → CuSO4 + H2O

Получающийся раствор синего цвета — CuSO4 — раствор медного купороса. Серную кислоту еще называют купоросным маслом, так как при реакциях с металлами и их оксидами образуются купоросы. Например, при химической реакции с железом (Fe) — образуется светло-зелёный раствор железного купороса.

— химическая реакция с основаниями и щелочами (или реакция нейтрализации)

H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O

— химическая реакция с серой (кислота — концентрированная, реакция — при нагревании):

2H2SO4 + S → 3SO2 + 2H2O

— химическая реакция с солями (например, со стиральной содой Na2CO3):

H2SO4 + Na2CO3 → Na2SO4 + CO2 + H2O

Получение серной кислоты

Серную кислоту получают окислением серы (S) сначала до оксида серы (сернистого газа SO2), а затем окислением сернистого газа до триоксида серы (сернистого ангидрида SO3) (на рисунке слева):

S + O2 → SO2
— сернистый газ — с удушливым запахом серы.

SO2 + O2 → SO3. Эта химическая реакция производится на катализаторе (оксиде ванадия V2O5). Вещество SO3 — сернистый ангидрид — очень гигроскопичное кристаллическое прозрачное вещество, жадно поглощающее воду с образованием серной кислоты:

SO3 + H2O → H2SO4

Сернистая кислота

Сернистая кислота — или Н2SO3 — так называют водный раствор оксида серы (SO2) в воде. На самом деле такого химического вещества не существует, его используют лишь для удобства составления химических уравнений реакций.

Раствор SO2 в воде, имеет кислую среду. Такому раствору присущи все свойства кислот, в том числе реакция нейтрализации.

Сернистая кислота (или правильнее сказать — раствор сернистого газа в воде) образует два вида солей: сульфиты и гидросульфиты. Эти соли являются восстановителями.

Н2SO4 + NaOH → NaНSO3 + Н2O — такая реакция протекает при избытке сернистой кислоты

Н2SO4 + 2NaOH → Na2SO3 + 2Н2O — а эта реакция протекает при избытке едкого натра

Сернистая кислота обладает отбеливающим действием. Всем известно, что подобным действием обладает и хлорная вода. Но отличие заключается в том, что в отличии от хлора сернистый газ не разрушает красители, а образует с ними неокрашенные химические соединения!

Кроме основных свойств кислотсернистая кислота способна обесцвечивать раствор марганцовки по следующему уравнению:

5Н2SO3+2KMnO4 → 2 Н2SO4 +2MnSO4+K2SO4+Н2O

В этой реакции образуется бледно-розовый раствор, состоящий из сульфатов калия, марганца. Окраска обусловлена именно сульфатом марганца.

Сернистая кислота способна обесцветить бром

Горение — сера

Cтраница 1

Горение серы и обжиг сернистых руд — процессы экзотермические.  

Горение серы представляет собой сложный процесс в связи с тем, что сера имеет молекулы с разным числом атомов в различных аллотропных состояниях и большой зависимостью ее физико-химических свойств от температуры. Механизм реакции и выход продуктов изменяется как от температуры, так и от давления кислорода.  

Горение серы в 80 з возможно по различным причинам. Твердо установленной теории этого процесса пока не имеется. Предполагается, что частично это происходит в самой топке при высокой температуре и при достаточном избытке воздуха. Исследования в этом направлении ( рис. 66) показывают, что при малых избытках воздуха ( порядка сст 1 05 и ниже) образование 80 з в газах резко снижается.  

Горение серы в кислороде протекает при 280 С, а на воздухе — при 360 С.  

Горение серы происходит во всем объеме печи. При этом газы получаются более концентрированными и переработка их осуществляется в аппаратах меньших габаритов, а очистка газов почти исключается. Двуокись серы, получаемая при сжигании серы, кроме производства серной кислоты, применяется в ряде отраслей промышленности для очистки погонов нефти как холодильный агент, в производстве сахара и др. SCb перевозится в стальных баллонах и цистернах в жидком состоянии. Ожижение SO2 производится сжатием предварительно осушенного и охлажденного газа.  

Горение серы происходит во всем объеме печи и заканчивается в камерах, образованных перегородками 4, куда подается дополнительное количество воздуха. Из этих камер выводится горячий печной газ, содержащий сернистый ангидрид.  

Горение серы очень легко налбюдать в механических печах. На верхних этажах печей, где в горящем материале много FeS2, все пламя окрашено в синий цвет — это характерное пламя горения серы.  

Процесс горения серы описывается уравнением.  

За горением серы наблюдают через смотровое стекло в стенке печи. Температуру расплавленной серы следует поддерживать в пределах 145 — 155 С.

Если продолжать повышать температуру, вязкость серы постепенно увеличивается и при 190 С она превращается в густую темно-коричневую массу, что крайне затрудняет ее перекачивание и разбрызгивание.  

При горении серы на один атом серы приходится одна молекула кислорода.  

При горении серы в печи получают обжиговый сернистый газ с содержанием около 14 % S02 и температурой на выходе из печи около 1000 С. С этой температурой газ поступает в котел-утилизатор 7, где путем снижения его температуры до 450 С получают пар. В контактный аппарат 8 необходимо направлять сернистый газ с содержанием около 8 % SO2, поэтому после котла-утилизатора часть газа или весь обжиговый газ разбавляют до 8 % SO2 подогретым в теплообменнике 9 воздухом. В контактном аппарате окисляется 50 — 70 % сернистого ангидрида до серного ангидрида.  

Окисление SO2 в SO3 кислородом.

Протекает в контактном аппарате. Уравнение реакции этой стадии:

2SO2 + O2=== 2SO3 + 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 SO3):

а) температура: Прямая реакция является экзотермической +Q, согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO3 является температура 400-5000С. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путём установили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия(V) V2O5.

б) давление: Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO2 и 1V O2), а справа — 2V SO3. Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении.

Прежде чем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO2 и О2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате. Температура 400-5000С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO2 в SO3. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

3. Получение H2SO4.

Протекает в поглотительной башне. А почему оксид серы SO3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде: SO3 + H2O=== H2SO4.

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: H2SO4·nSO3.

Уравнение реакции этого процесса: nSO3 + H2SO4=== H2SO4·nSO3

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

контактный способ производства серной кислоты

1)4FeS2+11O2=(5000C)=2Fe2O3+8SO2+3400кДж

2)SO2+1/2O2=(kt 8000C)=SO3+96,05кДж

3)SO3+H2O=H2SO4+Q

Вредные выбросы сернокислых заводов следует оценивать не только по действию содержащегося в них оксида серы (IV) на расположенные вблизи предприятия зоны, но и учитывать другие факторы — увеличение количества случаев респираторных заболеваний человека и животных, гибель растительности и подавление ее роста, разрушение конструкций из известняка и мрамора, повышение коррозионного износа металлов. По вине “кислотных” дождей повреждаются и памятники архитектуры.
В зоне до 300 км от источника загрязнения (SO2) опасность представляет серная кислота, в зоне до 600 км — сульфаты. Серная кислота и сульфаты замедляют рост сельскохозяйственных культур. Закисление водоемов (весной при таянии снега), вызывает гибель икры и молоди рыб. Помимо экологического ущерба налицо экономический ущерб — громадные суммы каждый год теряются при раскисление почв.

Добавить комментарий

Закрыть меню