"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Серную кислоту в промышленности получают контактным способом: серосодержащее сырьё сжигают или обжигают, образуя SO₂, затем каталитически окисляют его до SO₃. Газ перед этим очищают и осушают, чтобы защитить катализатор и избежать образования кислотного тумана. SO₃ поглощают концентрированной серной кислотой, получая олеум, который затем разбавляют до нужной концентрации. Условия процесса выбирают с учётом скорости реакции, равновесия и выхода продукта.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Контактный способ — промышленное получение серной кислоты, основанное на каталитическом окислении диоксида серы до триоксида серы. Слово «контактный» связано с соприкосновением газовой смеси с твёрдым катализатором. Этот способ позволяет получать SO₃, необходимый для дальнейшего производства H₂SO₄.
Обжиг — превращение серосодержащего сырья кислородом воздуха с образованием диоксида серы. Так получают исходный газ не только из серы, но и, например, из сульфидной руды. Обжиг важен, потому что именно от состава сырья и доступа воздуха зависит количество и качество образующегося SO₂.
Контактный аппарат — аппарат, в котором диоксид серы окисляется до триоксида серы на твёрдом катализаторе. Внутри поддерживают условия, при которых газ контактирует с катализатором и реакция идёт достаточно быстро. От его работы зависят производительность установки и выход SO₃.
Олеум — раствор триоксида серы в концентрированной серной кислоте. Его получают поглощением SO₃, а не смешиванием кислоты с водой. Олеум удобно дозировать и разбавлять, чтобы получить серную кислоту нужной концентрации без образования большого количества кислотного тумана.
Сначала получают диоксид серы: серу сжигают в воздухе либо обжигают сульфидное сырьё, например пирит. При сжигании серы идёт реакция S + O₂ → SO₂, а при обжиге пирита образуются SO₂ и оксид железа(III). Количество и состав газа зависят от сырья и подачи воздуха: кислород нужен для окисления, но состав потока должен подходить для последующих стадий. Избыток воздуха также влияет на концентрацию SO₂ в газе.
Перед контактным аппаратом газ очищают от пыли и примесей, а затем осушают. Это нужно не только для чистоты готового продукта: пыль и отдельные примеси могут осесть на поверхности катализатора или снизить его активность. Если в газе остаётся вода, на дальнейших стадиях может образоваться мелкий кислотный туман, который трудно отделить от газа. Поэтому очистка и осушение помогают сохранить эффективность установки и облегчить улавливание продукта.
В контактном аппарате диоксид серы реагирует с кислородом: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q. Двойная стрелка показывает, что реакция обратима, а Q — выделение тепла. Катализатор ускоряет превращение, но не смещает равновесие и не расходуется. Повышение температуры ускоряет реакцию, однако чрезмерный нагрев уменьшает равновесную долю SO₃, так как прямое направление экзотермично; поэтому выбирают компромисс между скоростью и выходом.
Полученный SO₃ поглощают концентрированной серной кислотой, в результате чего образуется олеум. Если направить SO₃ прямо в воду, выделится много тепла и возникнут мельчайшие капли кислоты — кислотный туман. Такой туман трудно уловить, поэтому прямое поглощение водой неудобно для промышленного процесса. Поглощение концентрированной кислотой позволяет получить продукт в жидкой форме и затем управлять его составом.
Олеум разбавляют водой до концентрации серной кислоты, которая нужна для конкретного применения. При разбавлении также выделяется тепло, поэтому его отводят, как и тепло, возникающее в других стадиях производства. Тепло не обязательно терять: его можно использовать в производственном цикле. В итоге стадии получения SO₂, его очистки, окисления, поглощения и разбавления связаны в единую технологическую последовательность.
| Стадия | Исходные вещества | Основное превращение | Условия и назначение |
|---|---|---|---|
| Получение SO₂ | Сера или сульфидное сырьё, кислород воздуха | Образование диоксида серы | Сжигание серы или обжиг сырья; получают газ для дальнейшего окисления |
| Очистка и осушение газа | Газовая смесь с SO₂, пылью, примесями и влагой | Удаление загрязнений и воды | Защищают катализатор и предотвращают образование кислотного тумана |
| Каталитическое окисление SO₂ до SO₃ | SO₂ и O₂ | 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q | Твёрдый катализатор, обычно V₂O₅; температуру выбирают для подходящей скорости и выхода |
| Поглощение SO₃ и получение олеума | SO₃ и концентрированная H₂SO₄ | Образование олеума | Поглощают кислотой, чтобы избежать трудноулавливаемого кислотного тумана |
| Разбавление олеума до серной кислоты | Олеум и вода | Получение H₂SO₄ нужной концентрации | Количество воды задают расчётом; выделяющееся тепло отводят |
Таблица показывает не только порядок операций, но и назначение каждой стадии: подготовить сырьё, провести превращение или выделить продукт. Для проверки понимания проследи путь атомов серы от сырья до H₂SO₄ и отметь, где меняется её соединение. При решении задач уравнения и данные о выходе соотносят с нужной строкой таблицы.
Задача 1. Запишите уравнение обжига пирита FeS₂ в избытке кислорода и расставьте коэффициенты. При обжиге железо переходит в Fe₂O₃, а сера — в SO₂. Удобно сначала уравнять железо, затем серу и в конце кислород. Проверка по каждому элементу покажет, что атомов в обеих частях стало поровну.
Ответ: 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂.
Задача 2. Какой объём кислорода потребуется для получения 4 моль SO₂ сжиганием серы? Какой объём воздуха нужен при нормальных условиях, если кислорода в воздухе 21% по объёму? Сначала используем соотношение веществ в уравнении, а затем переводим количество кислорода в газовый объём. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Ответ: требуется 89,6 л O₂ и примерно 427 л воздуха при н. у.
Задача 3. Из 160 кг серы получили SO₃ с выходом 90%. Рассчитайте массу 98%-ной серной кислоты, которую можно получить при полном превращении SO₃ в H₂SO₄. Сначала установим соотношение между количеством серы и SO₃: один атом серы в исходном веществе даёт одну молекулу SO₃. Затем учтём выход, а в конце переведём массу чистой кислоты в массу раствора.
Ответ: можно получить 450 кг 98%-ной серной кислоты.
Ошибка — считать, что на контактной стадии SO₂ сразу превращается в H₂SO₄. Её допускают, когда сокращают описание производства до одной общей фразы и пропускают промежуточное вещество. На самом деле контактная реакция образует SO₃, который затем поглощают кислотой. Проверь себя по уравнению: в контактном аппарате реагируют SO₂ и O₂, а продукт реакции — SO₃.
Ошибка — записывать поглощение SO₃ водой как основной промышленный способ. Так рассуждают, потому что в школьных уравнениях вода часто выступает реагентом для получения кислоты. Но сильное выделение тепла приводит к образованию мелких капель кислотного тумана, который трудно уловить. Проверь, какая стадия предусмотрена после получения SO₃: его поглощают концентрированной кислотой, образуя олеум.
Ошибка — считать катализатор источником кислорода или расходуемым реагентом. Её может вызвать то, что катализатор участвует в превращении, но его роль не равна роли исходного вещества. Он ускоряет установление равновесия и не входит в суммарное уравнение реакции как расходуемое вещество. Проверка проста: число атомов кислорода в уравнении обеспечивают молекулы O₂, а не катализатор.
Ошибка — полагать, что повышение температуры всегда увеличивает равновесный выход SO₃. При нагревании скорость реакции растёт, поэтому эти два эффекта легко перепутать. Однако прямая реакция экзотермична, и повышение температуры смещает равновесие в обратную сторону. Проверь себя, применив принцип Ле Шателье: система противодействует нагреванию, поглощая тепло в обратном направлении.
Для понимания получения SO₂ нужны знания о свойствах серы, сульфидов и кислорода, а также умение составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций. Выбор условий в контактном аппарате связан со скоростью реакции, катализом и химическим равновесием; смещение равновесия объясняет принцип Ле Шателье. Расчёты по уравнениям помогают находить количества реагентов и продуктов, учитывать выход и состав раствора. Эти знания пригодятся при изучении других химических производств и свойств серной кислоты.
Почему SO₃ не поглощают непосредственно водой?
Реакция SO₃ с водой сопровождается сильным выделением тепла. Вместо удобной для улавливания жидкости образуются мелкие капли серной кислоты — кислотный туман. Поэтому SO₃ поглощают концентрированной кислотой, а затем олеум разбавляют.
Зачем очищать газ перед подачей в контактный аппарат?
Пыль и некоторые примеси оседают на катализаторе или отравляют его, снижая активность. Влага способствует образованию кислотного тумана и мешает дальнейшим стадиям. Очистка и осушение помогают поддерживать эффективную и стабильную работу производства.
Какую роль выполняет катализатор в производстве серной кислоты?
Катализатор ускоряет окисление SO₂ до SO₃, помогая реакции быстрее достичь равновесия. Обычно используют оксид ванадия(V). В суммарном уравнении он не расходуется и не является источником кислорода.
Почему в контактном аппарате нельзя просто поддерживать максимально высокую температуру?
Окисление SO₂ экзотермично, то есть при нём выделяется тепло. При чрезмерном нагревании равновесие смещается в сторону исходных веществ, поэтому равновесный выход SO₃ уменьшается. Температуру выбирают так, чтобы получить достаточную скорость реакции и высокий выход продукта.
Для чего SO₃ сначала превращают в олеум?
При поглощении SO₃ концентрированной кислотой получают олеум — раствор SO₃ в серной кислоте. Так удаётся избежать образования трудноулавливаемого тумана, который возникал бы при прямом поглощении водой. Затем олеум разбавляют до требуемой концентрации.
§ 49. Производство серной кисло
