"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Серную кислоту производят главным образом контактным способом: сначала из серы или сульфидных руд получают сернистый газ SO₂, затем окисляют его до SO₃ и превращают оксид в кислоту через олеум. Последовательность стадий нужна не только для эффективного превращения сырья, но и для безопасного управления реакциями. На результат влияют чистота газа, температура, катализатор и практический выход продукта.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Контактный способ — промышленный способ получения серной кислоты через каталитическое окисление SO₂ до SO₃. Он назван по контакту газовой смеси с твёрдым катализатором и позволяет вести процесс непрерывно. По этой схеме получают основную часть серной кислоты.
Обжиг — нагревание сырья на воздухе для получения сернистого газа SO₂. Сырьём служат сера и сульфидные руды, например пирит FeS₂. Обжиг переводит серу из исходного вещества в газообразный оксид, который затем можно окислять дальше.
Каталитическое окисление — превращение SO₂ в SO₃ в присутствии катализатора V₂O₅. Катализатор ускоряет реакцию, но сам не расходуется и не входит в её суммарное уравнение. Без этой стадии дальнейшее получение кислоты было бы значительно медленнее.
Олеум — раствор SO₃ в концентрированной серной кислоте, используемый для получения H₂SO₄. Его получают поглощением SO₃ кислотой, а затем разбавляют водой. Этот промежуточный продукт позволяет избежать образования трудноулавливаемого кислотного тумана.
Для производства используют элементарную серу или серосодержащие руды, например пирит FeS₂. Сера в руде уже находится в соединении, поэтому её сначала переводят в газообразный SO₂ обжигом на воздухе. Далее оксид можно смешивать с кислородом и направлять на следующую стадию, а примеси исходного сырья удалять.
При обжиге серы её нагревают в потоке воздуха: S + O₂ → SO₂. Для пирита реакция обжига записывается так: 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂. Процесс проводят при высокой температуре, обеспечивая доступ кислорода и отвод образующегося газа. Полученная смесь содержит SO₂, остаточный кислород, пыль и возможные примеси.
Перед контактным аппаратом газовую смесь очищают и осушают. Пыль и некоторые примеси оседают на поверхности катализатора, закрывают её и уменьшают активность, поэтому очистка сохраняет эффективность установки. Влага может приводить к коррозии оборудования и нарушать работу технологической схемы; осушение снижает эти риски.
Реакция 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ обратима и экзотермична. Более низкая температура смещает равновесие в сторону SO₃, но при охлаждении скорость реакции становится слишком малой; повышенная температура ускоряет процесс, зато уменьшает равновесный выход SO₃. Поэтому выбирают компромиссные условия, а V₂O₅ ускоряет достижение равновесия, не меняя его положения. Давление может сместить равновесие вправо, поскольку число молей газа уменьшается, но чрезмерно повышать его невыгодно: это требует дополнительных затрат оборудования и энергии.
SO₃ напрямую с водой не соединяют: реакция идёт бурно, образуя мелкодисперсный кислотный туман, который трудно уловить. Вместо этого SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄, получая олеум. Затем его осторожно разбавляют рассчитанным количеством воды и получают серную кислоту требуемой концентрации.
| Стадия | Основная реакция | Условия | Получаемый продукт и назначение |
|---|---|---|---|
| Получение сернистого газа | S + O₂ → SO₂; 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂ | Обжиг на воздухе, нагревание | SO₂ для последующего окисления |
| Очистка и осушение газовой смеси | Химическое уравнение не записывают | Удаление пыли и примесей, удаление влаги | Очищенная сухая смесь, безопасная для катализатора |
| Каталитическое окисление SO₂ | 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ | Катализатор V₂O₅, компромиссная температура | SO₃ для получения кислоты |
| Поглощение SO₃ и получение серной кислоты | SO₃ поглощается H₂SO₄; олеум разбавляют водой | Поглощение концентрированной кислотой, затем контролируемое разбавление | Олеум и H₂SO₄ нужной концентрации |
Таблица показывает, что производство состоит из последовательных стадий: продукт одной стадии становится сырьём для следующей. Сравнивая графы, можно увидеть, где применяют катализатор и почему очистка предшествует его использованию. При решении расчётных задач уравнения помогают установить соотношение реагентов и продуктов.
Задача 1. Запишите уравнения получения SO₂ из серы, окисления SO₂ до SO₃ и взаимодействия SO₃ с водой. Удобно проследить за серой через всю технологическую цепочку: на каждом шаге она переходит в следующее соединение. После записи проверяют число атомов каждого элемента слева и справа.
Ответ: S + O₂ → SO₂; 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄. В реальном производстве последнюю стадию проводят через поглощение SO₃ кислотой с образованием олеума, а не прямым смешиванием с водой.
Задача 2. Из 16 т серы получили серную кислоту с выходом 92%. Найдите массу H₂SO₄. Сначала найдём теоретический продукт: по уравнениям цепочки один моль серы соответствует одному молю серной кислоты. Затем учтём, что выход меньше 100%.
Ответ: 45,08 т H₂SO₄. Такое значение получается при условии, что исходные 16 т — масса чистой серы. Доля выхода учитывает потери продукта и неполное протекание процесса.
Задача 3. Из 1200 кг пирита FeS₂ с массовой долей примесей 10% получили серную кислоту с выходом 85%. Сначала отделим массу примесей, затем используем уравнение реакции и только после этого применим выход. Такой порядок не позволяет считать примеси участвующим в реакции сырьём.
Ответ: 1499,4 кг H₂SO₄. Проверка: масса продукта рассчитана не из всех 1200 кг технического сырья, а из 1080 кг чистого пирита. Коэффициент выхода применён к теоретической массе кислоты.
Первая ошибка — считать, что SO₃ поглощают водой напрямую. Это кажется логичным по уравнению реакции, но на практике образуется кислотный туман, который трудно собрать. Проверяй технологическую схему: между SO₃ и разбавлением водой должен быть олеум.
Вторая ошибка — записывать V₂O₅ как реагент. Его указывают над стрелкой или в описании условий, поскольку катализатор ускоряет реакцию, но не расходуется. Проверь уравнение: в суммарной реакции должны остаться только вещества, которые вступают в превращение и образуются в результате.
Третья ошибка — считать окисление SO₂ необратимым или полагать, что максимальная температура всегда выгодна. Из-за обратимости и выделения теплоты высокая температура уменьшает равновесную долю SO₃, хотя и ускоряет реакцию. Проверяй одновременно два фактора: скорость и положение равновесия; катализатор не отменяет этого выбора.
Четвёртая ошибка — использовать массу технического сырья как массу чистого вещества и забывать о практическом выходе. Так обычно делают, когда сразу подставляют исходную массу в пропорцию по уравнению. Сначала вычисли массу чистого сырья с учётом примесей, найди теоретический продукт и лишь затем умножь его на долю выхода.
Для понимания производства нужны знания о типах реакций, окислительно-восстановительных процессах, катализе и химическом равновесии. Уравнения стадий связывают тему с расчётами по уравнениям реакций, а схема производства помогает понять общие принципы получения неорганических веществ. Обращение с олеумом и кислотой требует знаний о растворах, концентрации и технике безопасности. Очистка выбросов SO₂ связывает производство с экологическими проблемами и рациональным использованием сырья.
Почему серную кислоту не получают прямым растворением SO₃ в воде?
Реакция SO₃ с водой протекает очень бурно и сопровождается образованием мелких капель серной кислоты — кислотного тумана. Такой туман трудно собрать и превратить в продукт. Поэтому SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄, получая олеум, который затем разбавляют.
Зачем очищать газ перед его подачей на катализатор?
Пыль и примеси могут покрывать поверхность катализатора и снижать его активность. Влага также мешает технологическому процессу и может вызывать коррозию оборудования. Очистка и осушение помогают поддерживать эффективную и безопасную работу установки.
Почему в производстве используют именно V₂O₅?
Оксид ванадия(V) ускоряет окисление SO₂ до SO₃ и подходит для работы в условиях производства. Катализатор не расходуется в суммарной реакции, а позволяет быстрее достигать равновесия. Поэтому его не записывают как реагент в уравнении.
Как выбрать температуру для окисления SO₂?
Реакция обратимая и экзотермическая: понижение температуры выгодно для равновесного выхода SO₃. Однако при слишком низкой температуре реакция идёт медленно. Выбирают компромиссную температуру, при которой скорость процесса достаточно велика, а выход продукта остаётся высоким.
Чем олеум отличается от концентрированной серной кислоты?
Олеум — это раствор SO₃ в концентрированной серной кислоте, поэтому он содержит свободный оксид серы(VI). В обычной концентрированной кислоте основным веществом является H₂SO₄. Добавляя к олеуму рассчитанное количество воды, получают кислоту нужной концентрации.
§ 38. Производство серной кислоты
