"Химия (базовый уровень)", Журин А.А.
Серную кислоту получают промышленным контактным способом из серы, пирита или сульфидных руд. Сначала образуется сернистый газ SO₂, затем его очищают, окисляют кислородом до SO₃ и поглощают концентрированной H₂SO₄. Так получают олеум, который разбавляют водой до нужной концентрации. Главные условия процесса — чистый сухой газ, катализатор V₂O₅ и правильно выбранная температура.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Контактный способ производства серной кислоты — промышленный способ, основанный на каталитическом окислении сернистого газа до оксида серы(VI) и последующем получении кислоты. Название связано с контактом газовой смеси с твёрдым катализатором. Этот способ позволяет получать кислоту в больших количествах и с высокой концентрацией.
Обжиг пирита — окисление FeS₂ кислородом при нагревании с образованием SO₂. Пирит — минерал, содержащий дисульфид железа, поэтому при его обработке одновременно образуется сернистый газ и твёрдый оксид железа(III). Понятие нужно для описания первой стадии производства при использовании рудного сырья.
Контактное окисление — обратимое окисление SO₂ до SO₃ в присутствии катализатора V₂O₅. Катализатор ускоряет установление равновесия, но не расходуется по стехиометрическому уравнению. Эта стадия превращает исходный газ в соединение, из которого непосредственно получают серную кислоту.
Олеум — раствор SO₃ в концентрированной серной кислоте, образующийся при поглощении SO₃ кислотой. Его состав можно изменять, а затем осторожно разбавлять водой. Поэтому олеум служит промежуточным продуктом для получения H₂SO₄ нужной концентрации.
Основным сырьём служат сера, пирит и сульфидные руды, потому что при их окислении образуется SO₂. Именно этот газ является исходным веществом для следующей стадии — получения SO₃. Выбор сырья влияет на состав побочных продуктов: при работе с пиритом образуется Fe₂O₃, а рудное сырьё может давать дополнительные примеси.
SO₂ получают двумя основными способами. Серу сжигают в кислороде или воздухе: S + O₂ → SO₂, а пирит обжигают: 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂. Нагревание ускоряет окисление, а избыток воздуха помогает полнее использовать сырьё и одновременно обеспечивает кислород для следующей стадии.
Перед подачей газа к катализатору его очищают и осушают, потому что пыль и посторонние вещества могут покрыть активную поверхность катализатора. Водяной пар опасен тем, что способствует образованию коррозионного кислотного тумана и мешает дальнейшему поглощению SO₃. Поэтому газ фильтруют, удаляют примеси и влагу, получая сухую газовую смесь.
Контактное окисление описывается уравнением 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. Реакция экзотермическая и обратимая: повышение температуры ускоряет её, но чрезмерный нагрев смещает равновесие в сторону исходных веществ. Поэтому применяют V₂O₅, температуру около 400–450 °C и избыток кислорода, что обеспечивает хорошую скорость и высокий выход SO₃.
SO₃ поглощают не водой, а концентрированной H₂SO₄, поскольку при контакте с водой образуется устойчивый мелкодисперсный кислотный туман. Он плохо улавливается и создаёт опасность для оборудования и окружающей среды. При поглощении кислотой образуется олеум: SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇, который затем можно разбавить до нужной концентрации.
| Стадия | Уравнение реакции | Основные условия | Получаемый продукт |
|---|---|---|---|
| Сжигание серы или обжиг пирита | S + O₂ → SO₂; 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂ | Нагревание, избыток воздуха | Сернистый газ SO₂ |
| Очистка и осушение газа | Удаление пыли, примесей и водяного пара | Фильтрация и осушка | Очищенный сухой SO₂ |
| Контактное окисление | 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ | Катализатор V₂O₅, около 400–450 °C, избыток кислорода | Оксид серы(VI) SO₃ |
| Поглощение SO₃ | SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇ | Поглощение концентрированной серной кислотой | Олеум |
| Разбавление олеума | H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄ | Добавление воды в рассчитанном количестве | Серная кислота заданной концентрации |
Таблицу удобно читать слева направо: каждая стадия даёт вещество для следующей. По уравнениям можно установить молярные соотношения, а по условиям — понять назначение нагревания, очистки и катализатора. В расчётах сначала определяют количество вещества, затем переходят к массе продукта и учитывают выход.
Условие: из 120 кг пирита, содержащего 90% FeS₂, получили серную кислоту. Найдите теоретическую массу H₂SO₄ и массу продукта при общем выходе 85%.
Ответ: теоретически можно получить 176,4 кг H₂SO₄, фактически при выходе 85% — около 150 кг.
Условие: через установку пропустили 224 л SO₂ при н. у. Степень превращения SO₂ в SO₃ составила 95%. Найдите массу H₂SO₄ при полном поглощении образовавшегося SO₃.
Ответ: можно получить 931 г, или 0,931 кг, серной кислоты.
Некоторые записывают прямое взаимодействие SO₃ с водой как главную промышленную стадию. Так делают, потому что в школьной цепочке получения кислоты это уравнение кажется самым коротким. Проверка: вспомните образование кислотного тумана и запишите сначала поглощение SO₃ концентрированной H₂SO₄.
Катализатор V₂O₅ иногда принимают за исходное вещество реакции и включают в расчёт. Ошибка возникает из-за того, что формулу катализатора записывают рядом с уравнением. Проверьте себя: катализатор ускоряет процесс, но не входит в стехиометрическое соотношение веществ.
SO₂ и SO₃ нередко смешивают, поскольку оба соединения содержат серу и кислород. На самом деле SO₂ образуется при сжигании или обжиге, а SO₃ — при его каталитическом окислении. Полезная проверка — восстановить последовательность SO₂ → SO₃.
При расчёте выхода иногда берут всю массу сырья или забывают о его чистоте. Причина — переход сразу к последней формуле без определения массы основного вещества. Сначала умножьте массу сырья на массовую долю полезного компонента, выполните теоретический расчёт и только затем примените выход.
Для понимания процесса нужны степени окисления, правила составления окислительно-восстановительных уравнений и расчёты по количеству вещества. Эти умения позволяют объяснить переход серы в соединения с разными степенями окисления и установить соотношения между реагентами.
Тема связана с химическим равновесием, принципом Ле Шателье и катализом. Они объясняют, почему выбирают определённую температуру, избыток кислорода и V₂O₅, а также почему реакция окисления SO₂ обратима.
Знания применяются при изучении производства удобрений и обработки руд. Они помогают оценивать экологические последствия выбросов SO₂ и рассчитывать выход промышленного продукта по массе сырья или объёму газа.
Почему серную кислоту не получают прямым растворением SO3 в воде?
При прямом взаимодействии SO₃ с водой выделяется много теплоты и образуется мелкодисперсный кислотный туман. Он плохо улавливается и опасен для производства. Поэтому SO₃ сначала поглощают концентрированной серной кислотой, получая олеум.
Зачем в производстве нужен катализатор V2O5?
V₂O₅ ускоряет окисление SO₂ до SO₃ и помогает проводить процесс с приемлемой скоростью при умеренной температуре. Катализатор не расходуется в общем уравнении реакции и не является исходным веществом.
Почему реакцию окисления SO2 проводят примерно при 400–450 °C?
Реакция окисления SO₂ экзотермична: низкая температура выгодна для равновесия, но делает процесс слишком медленным. При 400–450 °C в присутствии V₂O₅ достигается разумное сочетание скорости и выхода SO₃.
Чем отличаются SO2, SO3 и олеум?
SO₂ — сернистый газ, образующийся при сжигании серы или обжиге пирита. SO₃ — продукт его каталитического окисления. Олеум — раствор SO₃ в концентрированной серной кислоте.
Как по массе пирита или объёму SO2 рассчитать массу получаемой серной кислоты?
Сначала находят количество чистого FeS₂ или SO₂, затем используют стехиометрическое соотношение: 1 моль FeS₂ даёт 2 моль H₂SO₄, а 1 моль SO₂ — 1 моль H₂SO₄. После этого учитывают выход продукта, если он указан.
• Производство серной кислоты
