Концентрирана сярна киселина: свойства, реакции. Ефективни методи за преработка на сероводород в рафинерии (производство на сярна киселина, елементарна сяра и др.) Точка на кипене на сярна киселина

свойства на сярната киселина

Безводната сярна киселина (монохидрат) е тежка маслена течност, която се смесва с вода във всички пропорции с отделяне на голямо количество топлина. Плътността при 0 ° C е 1,85 g / cm 3. Кипи при 296°C и замръзва при -10°C. Сярна киселина се нарича не само монохидрат, но и нейните водни разтвори (), както и разтвори на серен триоксид в монохидрат (), наречен олеум. Олеумът "пуши" във въздуха поради десорбцията от него. Чистата сярна киселина е безцветна, докато търговската киселина е тъмна на цвят с примеси.

Физически свойствасярна киселина, като плътност, температура на кристализация, точка на кипене, зависят от нейния състав. На фиг. 1 показва диаграма на кристализация на системата. Максимумите в него съответстват на състава на съединенията или наличието на минимуми се обяснява с факта, че температурата на кристализация на смеси от две вещества е по-ниска от температурата на кристализация на всяко от тях.

Ориз. един

Безводната 100% сярна киселина има относително висока температуракристализация 10,7 °C. За да се намали възможността за замръзване на търговски продукт по време на транспортиране и съхранение, концентрацията на техническата сярна киселина се избира така, че да има достатъчно ниска температура на кристализация. Промишлеността произвежда три вида търговска сярна киселина.

Сярната киселина е много активна. Разтваря метални оксиди и повечето чисти метали; при повишени температури измества всички други киселини от солите. Особено лакомо сярната киселина се комбинира с вода поради способността си да дава хидрати. Той отнема вода от други киселини, от кристални соли и дори кислородни производни на въглеводороди, които съдържат не самата вода, а водород и кислород в комбинация Н: О = 2. Дървесината и другите растителни и животински тъкани, съдържащи целулоза, нишесте и захар са унищожен в концентрирана сярна киселина; водата се свързва с киселина и от тъканта остава само фино диспергиран въглерод. В разредена киселина целулозата и нишестето се разграждат, за да образуват захари. Ако влезе в контакт с човешката кожа, концентрираната сярна киселина причинява изгаряния.

Високата активност на сярната киселина, съчетана с относително ниската себестойност на производството, предопределя огромния мащаб и изключително разнообразие на нейното приложение (фиг. 2). Трудно е да се намери индустрия, която да не е консумирала сярна киселина или продукти, произведени от нея в различни количества.

Ориз. 2

Най-големият консуматор на сярна киселина е производството на минерални торове: суперфосфат, амониев сулфат и др. Много киселини (например фосфорна, оцетна, солна) и соли се произвеждат предимно с помощта на сярна киселина. Сярната киселина се използва широко в производството на цветни и редки метали. В металообработващата промишленост сярната киселина или нейните соли се използват за мариноване на стоманени продукти преди боядисване, калайдисване, никелиране, хромиране и др. Значителни количества сярна киселина се използват за рафиниране на петролни продукти. Получаването на редица багрила (за тъкани), лакове и бои (за сгради и машини), лекарствени вещества и някои пластмаси също е свързано с използването на сярна киселина. С помощта на сярна киселина, етилов и други алкохоли, някои естери, синтетични детергенти, редица пестициди за борба с селскостопанските вредители и плевели. Разредените разтвори на сярна киселина и нейните соли се използват в производството на коприна, в текстилната промишленост за обработка на влакна или тъкани преди боядисването им, както и в други отрасли на леката промишленост. В хранително-вкусовата промишленост сярната киселина се използва при производството на нишесте, меласа и редица други продукти. Транспортът използва оловни батерии със сярна киселина. Сярната киселина се използва за сушене на газове и за концентриране на киселини. И накрая, сярната киселина се използва в процесите на нитриране и при производството на повечето експлозиви.

Чиста 100% сярна киселина (монохидрат) е безцветна маслена течност, която се втвърдява в кристална маса при +10 °C. Реактивната сярна киселина обикновено има плътност от 1,84 g/cm 3 и съдържа около 95% H 2 SO 4 . Втвърдява се само под -20 °C.

Точката на топене на монохидрата е 10,37 °C с топлина на топене 10,5 kJ/mol. При нормални условия това е много вискозна течност с много висока диелектрична константа (e = 100 при 25 °C). Незначителната собствена електролитна дисоциация на монохидрата протича паралелно в две посоки: [Н 3 SO 4 + ]·[НSO 4 - ] = 2 10 -4 и [Н 3 О + ]·[НС 2 О 7 - ] = 4 10 - 5 . Неговият молекулно-йонен състав може да се характеризира приблизително със следните данни (в %):

Когато се добавят дори малки количества вода, дисоциацията става преобладаваща по схемата:

H2O + H2SO4<==>H 3 O + + HSO 4 -

Химични свойства.

H 2 SO 4 е силна двуосновна киселина.

H2SO4<-->H + + HSO 4 -<-->2H + + SO 4 2-

Първият етап (за средни концентрации) води до 100% дисоциация:

K 2 = ( ) / \u003d 1,2 10 -2

1) Взаимодействие с метали:

а) разредената сярна киселина разтваря само метали, които са в поредицата от напрежения вляво от водорода:

Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (razb) --> Zn +2 SO 4 + H 2 O

б) концентриран H 2 +6 SO 4 - силен окислител; при взаимодействие с метали (с изключение на Au, Pt) може да се намали до S +4 O 2, S 0 или H 2 S -2 (Fe, Al, Cr също не реагират без нагряване - те се пасивират):

2Ag 0 + 2H 2 +6 SO 4 --> Ag 2 +1 SO 4 + S +4 O 2 + 2H 2 O

8Na 0 + 5H 2 +6 SO 4 --> 4Na 2 +1 SO 4 + H 2 S -2 + 4H 2 O

2) концентрирана H 2 S +6 O 4 реагира при нагряване с някои неметали поради силните си окислителни свойства, превръщайки се в серни съединения с по-ниска степен на окисление (например S + 4 O 2):

С 0 + 2H 2 S +6 O 4 (конц.) --> C +4 O 2 + 2S +4 O 2 + 2H 2 O

S 0 + 2H 2 S +6 O 4 (конц.) --> 3S +4 O 2 + 2H 2 O

2P 0 + 5H 2 S +6 O 4 (конц.) --> 5S +4 O 2 + 2H 3 P +5 O 4 + 2H 2 O

3) с основни оксиди:

CuO + H2SO4 --> CuSO4 + H2O

CuO + 2H + --> Cu 2+ + H 2 O

4) с хидроксиди:

H2SO4 + 2NaOH --> Na2SO4 + 2H2O

H + + OH - --> H 2 O

H 2 SO 4 + Cu(OH) 2 --> CuSO 4 + 2H2O

2H + + Cu(OH) 2 --> Cu 2+ + 2H 2O

5) обменни реакции със соли:

BaCl 2 + H 2 SO 4 --> BaSO 4 + 2HCl

Ba 2+ + SO 4 2- --> BaSO 4

Образуването на бяла утайка от BaSO 4 (неразтворим в киселини) се използва за идентифициране на сярна киселина и разтворими сулфати.

Монохидратът (чиста, 100% сярна киселина) е йонизиращ разтворител с киселинен характер. Сулфатите на много метали са добре разтворени в него (превръщайки се в бисулфати), докато солите на други киселини обикновено се разтварят само ако е възможна тяхната солволиза (с превръщане в бисулфати). Азотната киселина се държи като слаба основа в монохидрат

HNO 3 + 2 H 2 SO 4<==>H 3 O + + NO 2 + + 2 HSO 4 -

перхлорна - като много слаба киселина

H 2 SO 4 + HClO 4 = H 3 SO 4 + + ClO 4 -

Флуоросулфоновата и хлорсулфоновата киселини са малко по-силни (HSO 3 F > HSO 3 Cl > HClO 4). Монохидратът разтваря добре много органични вещества, съдържащи атоми с несподелени електронни двойки (способни да прикрепят протон). Някои от тях след това могат да бъдат изолирани обратно непроменени чрез просто разреждане на разтвора с вода. Монохидратът има висока криоскопична константа (6,12°) и понякога се използва като среда за определяне на молекулните тегла.

Концентрираната H 2 SO 4 е доста силен окислител, особено при нагряване (обикновено се редуцира до SO 2). Например, той окислява HI и частично HBr (но не HCl) до свободни халогени. Той също така окислява много метали - Cu, Hg и др. (докато златото и платината са стабилни по отношение на H 2 SO 4). Така че взаимодействието с медта протича според уравнението:

Cu + 2 H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + SO 2 + H 2 O

Действайки като окислител, сярната киселина обикновено се редуцира до SO 2 . Въпреки това, той може да бъде редуциран до S и дори H 2 S с най-силните редуциращи агенти.Концентрираната сярна киселина реагира със сероводород по уравнението:

H 2 SO 4 + H 2 S \u003d 2H 2 O + SO 2 + S

Трябва да се отбележи, че той също е частично редуциран от газообразен водород и следователно не може да се използва за изсушаването му.

Ориз. 13. Електрическа проводимост на разтвори на сярна киселина.

Разтварянето на концентрирана сярна киселина във вода е придружено от значително отделяне на топлина (и известно намаляване на общия обем на системата). Монохидрат почти не провежда електрически ток. За разлика от тях, водните разтвори на сярна киселина са добри проводници. Както се вижда на фиг. 13, приблизително 30% киселина има максимална електрическа проводимост. Минимумът на кривата съответства на хидрат със състав H 2 SO 4 ·H 2 O.

Отделянето на топлина при разтваряне на монохидрата във вода е (в зависимост от крайната концентрация на разтвора) до 84 kJ/mol H 2 SO 4 . Напротив, чрез смесване на 66% сярна киселина, предварително охладена до 0 ° C, със сняг (1: 1 по тегло), може да се постигне намаляване на температурата до -37 ° C.

Промяната в плътността на водните разтвори на H 2 SO 4 с неговата концентрация (тегл.%) е дадена по-долу:

Както се вижда от тези данни, определянето на плътността на концентрацията на сярна киселина над 90 тегл. % става доста неточен.

Налягането на водните пари върху разтвори на H 2 SO 4 с различни концентрации при различни температури е показано на фиг. 15. Сярната киселина може да действа като изсушаващ агент само докато налягането на водните пари над нейния разтвор е по-малко от парциалното й налягане в изсушаващия се газ.

Ориз. 15. Налягане на водните пари.

Ориз. 16. Точки на кипене върху разтвори на H 2 SO 4 . H2SO4 разтвори.

Когато се вари разреден разтвор на сярна киселина, от него се отдестилира вода и точката на кипене се повишава до 337 ° C, когато 98,3% H 2 SO 4 започва да дестилира (фиг. 16). Напротив, излишъкът от серен анхидрид се изпарява от по-концентрирани разтвори. Парата от сярна киселина, кипяща при 337 ° C, частично се дисоциира на H 2 O и SO 3, които се рекомбинират при охлаждане. Високата точка на кипене на сярната киселина позволява да се използва за изолиране на летливи киселини от техните соли (например HCl от NaCl) при нагряване.

Разписка.

Монохидратът може да се получи чрез кристализация на концентрирана сярна киселина при -10°С.

Производство на сярна киселина.

1-ви етап.Пиритна пещ.

4FeS 2 + 11O 2 --> 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q

Процесът е хетерогенен:

1) пирит за смилане на желязо (пирит)

2) метод на "кипящ слой".

3) 800°С; отстраняване на излишната топлина

4) увеличаване на концентрацията на кислород във въздуха

2-ри етап.След почистване, сушене и топлообмен, серен диоксид навлиза в контактен апарат, където се окислява до серен анхидрид (450°С - 500°С; катализатор V 2 O 5):

2SO2 + O2<-->2SO3

3-ти етап.Абсорбционна кула:

nSO 3 + H 2 SO 4 (конц) --> (H 2 SO 4 nSO 3) (олеум)

Водата не може да се използва поради образуването на мъгла. Нанесете керамични дюзи и принципа на противотока.

Приложение.

Помня! Сярната киселина трябва да се излива във вода на малки порции, а не обратното. В противен случай може да възникне бурна химическа реакция, в резултат на която човек може да получи тежки изгаряния.

Сярната киселина е един от основните продукти на химическата промишленост. Той отива за производството на минерални торове (суперфосфат, амониев сулфат), различни киселини и соли, лекарства и перилни препарати, багрила, изкуствени влакна, експлозиви. Използва се в металургията (разлагане на руди, например, уран), за пречистване на петролни продукти, като десикант и др.

Практически важен е фактът, че много силната (над 75%) сярна киселина не действа върху желязото. Това ви позволява да го съхранявате и транспортирате в стоманени резервоари. Напротив, разреденият H 2 SO 4 лесно разтваря желязото с отделянето на водород. Окислителните свойства изобщо не са характерни за него.

Силната сярна киселина абсорбира енергично влагата и затова често се използва за изсушаване на газове. От много органични вещества, съдържащи водород и кислород, отнема вода, която често се използва в технологиите. Със същото (както и с окислителните свойства на силния H 2 SO 4) се свързва разрушителното му действие върху растителните и животинските тъкани. Сярната киселина, която случайно попадне върху кожата или роклята по време на работа, трябва незабавно да се измие обилно с вода, след това да се навлажни засегнатата област с разреден разтвор на амоняк и отново да се изплакне с вода.

Молекули на чиста сярна киселина.

Фиг. 1. Диаграма на водородните връзки в кристал H2SO4.

Молекулите, които образуват монохидратния кристал, (HO) 2 SO 2, са свързани помежду си чрез доста силни (25 kJ/mol) водородни връзки, както е показано схематично на фиг. 1. Самата молекула (HO) 2 SO 2 има структурата на изкривен тетраедър със серен атом близо до центъра и се характеризира със следните параметри: (d (S-OH) \u003d 154 pm, PHO-S-OH \u003d 104 °, d (S \u003d O) \u003d 143 pm, ROSO \u003d 119 °. В HOSO 3 - йон, d (S-OH) = 161 и d (SO) \u003d 145 pm, и когато отива към йона SO 4, 2-тетраедърът придобива правилната форма и параметрите се подравняват.

Хидрати на сярна киселина.

За сярната киселина са известни няколко кристални хидрата, чийто състав е показан на фиг. 14. От тях най-бедна на вода е оксониевата сол: H 3 O + HSO 4 -. Тъй като разглежданата система е много податлива на преохлаждане, действително наблюдаваните в нея температури на замръзване са много по-ниски от точките на топене.

Ориз. 14. Точки на топене в системата H 2 O·H 2 SO 4 .

Серният триоксид обикновено е безцветна течност. Може да съществува и като лед, влакнести кристали или газ. Когато серен триоксид е изложен на въздух, започва да се отделя бял дим. Той е неразделен елемент от такова реактивно вещество като концентрирана сярна киселина. Това е бистра, безцветна, мазна и силно корозивна течност. Използва се в производството на торове, експлозиви, други киселини, петролната промишленост и оловно-киселинни акумулатори в автомобилите.

Концентрирана сярна киселина: свойства

Сярната киселина се разтваря добре във вода, корозивна е за метали и тъкани и овъглява дървесината и повечето други органични вещества при контакт. Дългосрочното излагане на ниски концентрации или краткосрочното излагане на високи концентрации може да доведе до неблагоприятни последици за здравето от вдишване.

Концентрираната сярна киселина се използва за производство на торове и други химикали, в рафинирането на нефт, в производството на желязо и стомана и за много други цели. Тъй като има достатъчно висока точка на кипене, може да се използва за освобождаване на повече летливи киселини от техните соли. Концентрираната сярна киселина има силно хигроскопично свойство. Понякога се използва като изсушаващ агент за дехидратиране (отстраняване на водата чрез химически средства) на много съединения, като въглехидрати.

Реакции на сярна киселина

Концентрираната сярна киселина реагира по необичаен начин към захарта, оставяйки след себе си крехка гъбеста черна маса от въглерод. Подобна реакция се наблюдава при излагане на кожа, целулоза и други растителни и животински влакна. Когато концентрирана киселина се смеси с вода, се отделя голямо количество топлина, достатъчно, за да заври моментално. За разреждане трябва да се добавя бавно към студена вода с постоянно разбъркване, за да се ограничи натрупването на топлина. Сярната киселина реагира с течността, образувайки хидрати с изразени свойства.

физически характеристики

Безцветна течност без мирис в разреден разтвор има кисел вкус. Сярната киселина е изключително агресивна, когато е изложена на кожата и всички тъкани на тялото, при директен контакт причинява тежки изгаряния. В чиста форма H 2 SO4 не е проводник на електричество, но ситуацията се променя в обратна посока с добавянето на вода.

Някои свойства са, че молекулното тегло е 98,08. Точката на кипене е 327 градуса по Целзий, точката на топене е -2 градуса по Целзий. Сярната киселина е силна минерална киселина и един от основните продукти на химическата промишленост поради широкото си търговско приложение. Образува се естествено от окисляването на сулфидни материали като железен сулфид.

Химичните свойства на сярната киселина (H 2 SO4) се проявяват в различни химични реакции:

1. При взаимодействие с основи се образуват две серии соли, включително сулфати.
2. Реагира с карбонати и бикарбонати, за да образува соли и въглероден диоксид (CO 2).
3. Влияе на металите по различен начин, в зависимост от температурата и степента на разреждане. Студено и разредено води до водород, горещо и концентрирано води до емисии на SO 2 .
4. При кипене разтвор на H2SO4 (концентрирана сярна киселина) се разлага на серен триоксид (SO3) и вода (H2O). Химичните свойства включват и ролята на силен окислител.

опасност от пожар

Сярната киселина е силно реактивна за запалване на фини горими материали при контакт. При нагряване започват да се отделят силно токсични газове. Той е експлозивен и несъвместим с огромен брой вещества. При повишени температури и налягания могат да възникнат доста агресивни химически промени и деформации. Може да реагира бурно с вода и други течности, причинявайки пръски.

опасно за здравето

Сярната киселина разяжда всички тъкани на тялото. Вдишването на пари може да причини сериозно увреждане на белите дробове. Увреждането на лигавицата на очите може да доведе до пълна загуба на зрението. Контактът с кожата може да причини тежка некроза. Дори няколко капки могат да бъдат фатални, ако киселината получи достъп до дихателната тръба. Хроничната експозиция може да причини трахеобронхит, стоматит, конюнктивит, гастрит. Могат да се появят стомашни перфорации и перитонит, придружени от циркулаторен колапс. Сярната киселина е силно каустично вещество, с което трябва да се работи изключително внимателно. Признаците и симптомите при експозиция могат да бъдат тежки и включват слюноотделяне, силна жажда, затруднено преглъщане, болка, шок и изгаряния. Повръщането обикновено е с цвета на смляно кафе. Острата експозиция при вдишване може да доведе до кихане, дрезгав глас, задавяне, ларингит, диспнея, дразнене на дихателните пътища и болка в гърдите. Може също да се появи кървене от носа и венците, белодробен оток, хроничен бронхит и пневмония. Излагането на кожата може да доведе до тежки болезнени изгаряния и дерматит.

Първа помощ

1. Преместете пострадалите на чист въздух. Аварийният персонал трябва да избягва излагането на сярна киселина, докато го прави.
2. Оценете жизнените показатели, включително пулса и дихателната честота. Ако не се открие пулс, направете реанимация в зависимост от получените допълнителни наранявания. Ако дишането е налице и е затруднено, осигурете дихателна подкрепа.
3. Свалете замърсеното облекло възможно най-скоро.
4. В случай на контакт с очите, изплакнете с топла вода за най-малко 15 минути; за кожата измийте със сапун и вода.
5. При вдишване на токсични изпарения изплакнете устата си обилно с вода, пийте и самопредизвикването на повръщане е забранено.
6. Доставете ранените в медицинско заведение.

Сярна киселина H2SO4, моларна маса 98.082; безцветно мазно, без мирис. Много силна двукиселина, при 18°C ​​p К а 1 - 2,8, К 2 1,2 10 -2, рК а 2 1,92; дължини на връзката в S=O 0,143 nm, S-OH 0,154 nm, ъгъл HOSOH 104°, OSO 119°; кипи с разлагане, образувайки (98,3% H 2 SO 4 и 1,7% H 2 O с точка на кипене 338,8 ° C; виж също табл. 1). Сярна киселина, съответстващ на 100% съдържание на H 2 SO 4, има състав (%): H 2 SO 4 99,5%, HSO 4 - 0,18%, H 3 SO 4 + 0,14%, H 3 O + 0 09%, H 2 S 2O7 0,04%, HS2O7 0,05%. Смесва се с и SO 3 във всички пропорции. Във водни разтвори сярна киселинапочти напълно се дисоциира на H + , HSO 4 - и SO 4 2- . Образува H 2 SO 4 · н H 2 O, където н=1, 2, 3, 4 и 6.5.

разтворите на SO 3 в сярна киселина се наричат ​​олеум, те образуват две съединения H 2 SO 4 SO 3 и H 2 SO 4 2SO 3. Олеумът съдържа и пиросярна киселина, която се получава чрез реакцията: H 2 SO 4 +SO 3 =H 2 S 2 O 7 .

Получаване на сярна киселина

Суровина за получаване сярна киселинаслужат като: S, метални сулфиди, H 2 S, отпадъци от ТЕЦ, сулфати на Fe, Ca и др. Основните етапи на получаване сярна киселина: 1) суровини за получаване на SO 2 ; 2) SO 2 в SO 3 (преобразуване); 3) SO3. В индустрията се използват два метода за получаване сярна киселина, различаващи се по начина на окисление на SO 2 - контакт с помощта на твърди катализатори (контакти) и азотен - с азотни оксиди. Получавам сярна киселинаПри контактния метод съвременните инсталации използват ванадиеви катализатори, които са изместили Pt и Fe оксиди. Чистият V 2 O 5 има слаба каталитична активност, която рязко нараства в присъствието на алкални метали, като най-голям ефект имат солите К. 7 V 2 O 5 и K 2 S 2 O 7 V 2 O 5 се разлагат при 315-330°С. 365-380 и 400-405 °C, съответно). Активният компонент при катализа е в разтопено състояние.

Схемата за окисляване на SO 2 до SO 3 може да бъде представена по следния начин:

На първия етап се достига равновесие, вторият етап е бавен и определя скоростта на процеса.

Производство сярна киселинаот сяра по метода на двоен контакт и двойна абсорбция (фиг. 1) се състои от следните етапи. Въздухът след почистване от прах се подава от газов вентилатор към сушилната кула, където се изсушава 93-98% сярна киселинадо съдържание на влага 0,01 % обемни. Изсушеният въздух влиза в сярната пещ след предварително загряване в един от топлообменниците на контактния блок. Сярата се изгаря в пещта, доставяна от дюзи: S + O 2 \u003d SO 2 + 297,028 kJ. Газът, съдържащ 10-14% обемни SO 2, се охлажда в котела и след разреждане с въздух до съдържание на SO 2 9-10% обемни при 420°C постъпва в контактния апарат за първи етап на преобразуване, който протича върху три слоя катализатор (SO 2 + V 2 O 2 = SO 3 + 96,296 kJ), след което газът се охлажда в топлообменници. След това газът, съдържащ 8,5-9,5% SO 3 при 200°C, влиза в първия етап на абсорбция в абсорбера, напоява се и 98% сярна киселина: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 + 130,56 kJ. След това газът се разпръсква. сярна киселина, загрята до 420°C и влиза във втория етап на преобразуването, протичайки върху два слоя катализатор. Преди втория етап на абсорбция газът се охлажда в икономийзера и се подава в абсорбера на втория етап, напоен с 98% сярна киселина, а след това, след почистване от пръски, се изпуска в атмосферата.

1 - сярна пещ; 2 - котел за отпадъчна топлина; 3 - икономайзер; 4 - изходна пещ; 5, 6 - топлообменници на изходната пещ; 7 - контактно устройство; 8 - топлообменници; 9 - олеум абсорбер; 10 - сушилна кула; 11 и 12, съответно първия и втория монохидратни абсорбери; 13 - киселинни колектори.

1 - подаващо устройство за плоча; 2 - пещ; 3 - котел за отпадъчна топлина; 4 - циклони; 5 - електрофилтри; 6 - кули за миене; 7 - мокри електрофилтри; 8 - продухваща кула; 9 - сушилна кула; 10 - уловител за пръскане; 11 - първият монохидратен абсорбер; 12 - топлообменници; 13 - контактно устройство; 14 - олеум абсорбер; 15 - втори монохидратен абсорбер; 16 - хладилници; 17 - колекции.

1 - денитрационна кула; 2, 3 - първата и втората производствени кули; 4 - окислителна кула; 5, 6, 7 - абсорбционни кули; 8 - електрофилтри.

Производство сярна киселинаот метални сулфиди (фиг. 2) е много по-сложен и се състои от следните операции. Изпичането на FeS 2 се извършва в пещ с въздушен кипящ слой: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476 kJ. Газът за печене, съдържащ SO 2 13-14%, с температура 900°C, влиза в котела, където се охлажда до 450°C. Отстраняването на праха се извършва в циклон и електрофилтър. След това газът преминава през две миещи кули, напоени с 40% и 10% сярна киселина. В същото време газът окончателно се пречиства от прах, флуор и арсен. За почистване на газ от аерозол сярна киселинаобразувани в измивните кули са предвидени две степени на мокри електрофилтри. След изсушаване в сушилна кула, преди което газът се разрежда до съдържание от 9% SO2, той се подава към първия етап на преобразуване (3 катализаторни слоя) чрез вентилатор. В топлообменниците газът се нагрява до 420°C поради топлината на газа, идваща от първия етап на преобразуване. SO 2 , окислен до 92-95% в SO 3 , отива в първия етап на абсорбция в олеум и монохидратни абсорбери, където се освобождава от SO 3 . След това газът, съдържащ SO 2 ~ 0,5% влиза във втория етап на преобразуване, който се извършва върху един или два катализаторни слоя. Газът предварително се нагрява в друга група топлообменници до 420 °C поради топлината на газовете, идващи от втория етап на катализа. След отделяне на SO 3 във втория етап на абсорбция, газът се отделя в атмосферата.

Степента на превръщане на SO 2 в SO 3 с контактния метод е 99,7%, степента на абсорбция на SO 3 е 99,97%. Производство сярна киселинаизвършва се в един етап на катализа, докато степента на превръщане на SO 2 в SO 3 не надвишава 98,5%. Преди да бъде изпуснат в атмосферата, газът се пречиства от останалия SO 2 (виж). Производителността на съвременните инсталации е 1500-3100 тона/ден.

Същността на азотния метод (фиг. 3) е, че газът за печене, след охлаждане и почистване от прах, се обработва с т.нар. нитроза - сярна киселинав които са разтворени азотни оксиди. SO 2 се абсорбира от нитроза и след това се окислява: SO 2 + N 2 O 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 + NO. Полученият NO е слабо разтворим в нитроза и се освобождава от нея и след това частично се окислява от кислород в газовата фаза до NO 2 . Смес от NO и NO 2 се реабсорбира сярна киселинаи т.н. Азотните оксиди не се консумират в процеса на азотиране и се връщат обратно производствен цикъл, поради непълно усвояване на техните сярна киселинате са частично отнесени от изгорелите газове. Предимства на азотния метод: простота на хардуерния дизайн, по-ниска цена (10-15% по-ниска от контактната), възможност за обработка на 100% SO 2.

Инструментирането на процеса на азотен азот в кулата е просто: SO 2 се обработва в 7-8 облицовани кули с керамична опаковка, една от кулите (куха) е с регулируем окислителен обем. Кулите имат киселинни колектори, хладилници, помпи, които доставят киселина в резервоарите под налягане над кулите. Пред последните две кули е монтиран опашен вентилатор. За почистване на газ от аерозол сярна киселинаслужи като електростатичен филтър. Необходимите за процеса азотни оксиди се получават от HNO 3 . За да се намалят емисиите на азотни оксиди в атмосферата и 100% обработка на SO 2, е инсталиран цикъл на преработка без азотен SO 2 между зоните на производство и абсорбция в комбинация с водно-кисел метод за дълбоко улавяне на азотни оксиди. Недостатъкът на азотния метод е ниското качество на продукта: концентрация сярна киселина 75%, наличие на азотни оксиди, Fe и други примеси.

За намаляване на възможността за кристализация сярна киселинапо време на транспортиране и съхранение се установяват стандарти за търговски класове сярна киселина, чиято концентрация съответства на най-ниските температури на кристализация. Съдържание сярна киселинав технически степени (%): кула (азот) 75, контакт 92,5-98,0, олеум 104,5, високопроцентен олеум 114,6, батерия 92-94. сярна киселинасъхранявани в стоманени резервоари с обем до 5000 m 3, общият им капацитет в склада е предназначен за десетдневно производство. Олеум и сярна киселинатранспортирани в стоманени железопътни цистерни. Концентриран и акумулаторен сярна киселинатранспортирани в киселинноустойчиви стоманени резервоари. Резервоарите за транспортиране на олеума са покрити с топлоизолация и олеумът се нагрява преди пълнене.

Определяне на сярна киселинаколориметрично и фотометрично, под формата на суспензия от BaSO 4 - фототурбидиметрично, както и по кулометричен метод.

Използването на сярна киселина

Сярната киселина се използва в производството на минерални торове, като електролит в оловни акумулатори, за производството на различни минерални киселини и соли, химически влакна, багрила, димообразуващи вещества и експлозиви, в нефта, металообработването, текстила, кожите и други индустрии. Използва се в промишления органичен синтез в реакции на дехидратация (получаване на диетилов етер, естери), хидратация (етанол от етилен), сулфониране (и междинни продукти при производството на багрила), алкилиране (получаване на изооктан, полиетиленгликол, капролактам) и др. Най-големият потребител сярна киселина- производство на минерални торове. За 1 тон P 2 O 5 фосфатни торове се изразходват 2,2-3,4 тона сярна киселина, а за 1 t (NH 4 ) 2 SO 4 - 0,75 t сярна киселина. Поради това заводите за сярна киселина обикновено се изграждат заедно с инсталации за производство на минерални торове. Световно производство сярна киселинапрез 1987 г. достига 152 милиона тона.

Сярна киселинаи олеум – изключително агресивни вещества, които засягат дихателните пътища, кожата, лигавиците, причиняват затруднено дишане, кашлица, често – ларингит, трахеит, бронхит и др. ПДК на аерозол на сярна киселина във въздуха на работната зона е 1,0 mg/m 3 , в атмосферата 0,3 mg/m 3 (максимално еднократно) и 0,1 mg/m 3 (среднодневно). Поразителната концентрация на парите сярна киселина 0,008 mg/l (60 минути експозиция), смъртоносни 0,18 mg/l (60 минути). Клас на опасност 2. Аерозол сярна киселинамогат да се образуват в атмосферата в резултат на емисии от химическата и металургичната промишленост, съдържащи оксиди на S, и да изпадат като киселинен дъжд.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

безводен сярна киселинае тежка, вискозна течност, която лесно се смесва с вода във всякакви пропорции: взаимодействието се характеризира с изключително голям екзотермичен ефект (~880 kJ/mol при безкрайно разреждане) и може да доведе до експлозивно кипене и разпръскване на сместа, ако водата е добавен към киселината; ето защо е толкова важно винаги да използвате обратния ред при приготвянето на разтворите и добавяте киселината към водата, бавно и с разбъркване.

Някои физични свойства на сярната киселина са дадени в таблицата.

Безводният H 2 SO 4 е забележително съединение с необичайно висока диелектрична константа и много висока електрическа проводимост, което се дължи на йонната автодисоциация (автопротолиза) на съединението, както и на механизма на протонен трансфер на реле, който осигурява потока на електрически ток през вискозна течност с голям брой водородни връзки.

Таблица 1. Физични свойства на сярната киселина.

Получаване на сярна киселина

Сярната киселина е най-важният промишлен химикал и най-евтината насипна киселина, произвеждана навсякъде по света.

Концентрираната сярна киселина („масло от витриол“) първо се получава чрез нагряване на „зелен витриол“ FeSO 4 ×nH 2 O и се изразходва в големи количества за получаване на Na 2 SO 4 и NaCl.

Съвременният процес за производство на сярна киселина използва катализатор, състоящ се от ванадиев(V) оксид с добавка на калиев сулфат върху носител от силициев диоксид или диатомит. Серен диоксид SO 2 се получава чрез изгаряне на чиста сяра или чрез изпичане на сулфидна руда (предимно пирит или руди от Cu, Ni и Zn) в процеса на извличане на тези метали. След това SO 2 се окислява до триоксид и след това се получава сярна киселина чрез разтваряне във вода:

S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 - 297 kJ / mol);

SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 - 9,8 kJ / mol);

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 - 130 kJ / mol).

Химични свойства на сярната киселина

Сярната киселина е силна двуосновна киселина. На първия етап, в разтвори с ниска концентрация, той се дисоциира почти напълно:

H2SO4 ↔H + + HSO4-.

Дисоциация на втория етап

HSO 4 - ↔H + + SO 4 2-

протича в по-малка степен. Константата на дисоциация на сярната киселина във втория етап, изразена чрез йонна активност, K 2 = 10 -2.

Като двуосновна киселина, сярната киселина образува две серии соли: средна и киселинна. Средните соли на сярната киселина се наричат ​​сулфати, а киселинните соли се наричат ​​хидросулфати.

Сярната киселина алчно абсорбира водните пари и затова често се използва за изсушаване на газове. Способността да абсорбира вода обяснява и овъгляването на много органични вещества, особено тези, принадлежащи към класа въглехидрати (фибри, захар и др.), когато са изложени на концентрирана сярна киселина. Сярната киселина отстранява водорода и кислорода от въглехидратите, които образуват вода, а въглеродът се освобождава под формата на въглища.

Концентрираната сярна киселина, особено гореща, е силен окислител. Той окислява HI и HBr (но не HCl) до свободни халогени, въглища до CO 2 , сяра до SO 2 . Тези реакции се изразяват с уравненията:

8HI + H 2 SO 4 \u003d 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;

2HBr + H2SO4 \u003d Br2 + SO2 + 2H2O;

C + 2H 2 SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2O;

S + 2H 2 SO 4 \u003d 3SO 2 + 2H 2 O.

Взаимодействието на сярната киселина с металите протича различно в зависимост от нейната концентрация. Разредената сярна киселина се окислява със своя водороден йон. Следователно, той взаимодейства само с онези метали, които са в поредицата от напрежения само до водород, например:

Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2.

Оловото обаче не се разтваря в разредена киселина, тъй като получената сол на PbSO 4 е неразтворима.

Концентрираната сярна киселина е окислител поради сярата (VI). Той окислява метали в серия на напрежение до и включително сребро. Продуктите от неговата редукция могат да бъдат различни в зависимост от активността на метала и от условията (концентрация на киселина, температура). При взаимодействие с нискоактивни метали, като мед, киселината се редуцира до SO 2:

Cu + 2H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

Когато взаимодействат с по-активни метали, редукционните продукти могат да бъдат както диоксид, така и свободна сяра и сероводород. Например, при взаимодействие с цинк могат да възникнат реакции:

Zn + 2H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2O;

3Zn + 4H2SO4 = 3ZnSO4 + S↓ + 4H2O;

4Zn + 5H 2 SO 4 \u003d 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

Използването на сярна киселина

Използването на сярна киселина варира в различните страни и от десетилетие до десетилетие. Така например в САЩ основната област на потребление на H 2 SO 4 е производството на торове (70%), следвано от химическо производство, металургия, рафиниране на нефт (~5% във всяка област). В Обединеното кралство разпределението на потреблението по индустрия е различно: само 30% от произведената H 2 SO 4 се използва за производството на торове, но 18% отиват за бои, пигменти и междинни багрила, 16% за химическо производство, 12% за сапун и перилни препарати, 10 % за производство на естествени и изкуствени влакна и 2,5 % се използва в металургията.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1