Выполнил:

_______________________

Проверила:

_______________________

Алматы 2007

1.1 Свойства

1.2 Взаимодействия с Ме

1.3 Взаимодействие с неМе

1.4 Взаимодействие с основными оксидами и основаниями

1.5 Взаимодействие с солями

1.6 Взаимодействие с водой

1.7 Диссоциация кислоты

2. Получение серной кислоты

1.1 Свойства

Серная кислота представляет собой бесцветную вязкую жидкость, плотность 1,83 г/мл (20є).

Температура плавления серной кислоты составляет 10,3єС, температура кипения 269,2є.

Химические свойства серной кислоты во многом зависят от ее концентрации.

В лабораториях и промышленности применяют разбавленную и концентрированную серную кислоту, хотя это деление условно (четкую границу между ними провести нельзя).

1.2 Взаимодействие с металлами

Разбавленная серная кислота взаимодействует с некоторыми металлами, например с железом, цинком, магнием, с выделением водорода:

Fe+H2SO4 =FeSO4 +H2

Некоторые малоактивные металлы, такие как медь, серебро, золото, с разбавленной серной кислотой не реагируют.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Она окисляет многие металлы.

Продуктами восстановления кислоты обычно являются оксиды серы (IV), сероводород и сера (Н2S и S образуются в реакциях кислоты с активными металлами - магнием, кальцием, натрием, калием и др.). Примеры реакций:

Cu+2H2SO4=CuSO4+SO2+2H2O

Mg+2H2SO4=MgSO4+SO2+2H2O или

4Mg+5H2SO4=4MgSO4+H2S+4H2O

Серная кислота высокой концентрации (практически безводная) не взаимодействует с железом в результате пассивации металла.

Явление пассивации связано с образованием на поверхности металла прочной сплошной пленки, состоящей из оксидов или других соединений, которые препятствуют контакту металла с кислотой.

Благодаря пассивации можно хранить и перевозить концентрированную серную кислоту в стальной таре.

Концентрированная серная кислота пассивирует также алюминий, никель, хром, титан.

1.3 Взаимодействие с неметаллами

Концентрированная серная кислота может окислять неметаллы, например:

S+2H2SO4=3SO2+2H2O

Окислительные свойства концентрированной серной кислоты могут проявляться в реакциях с некоторыми сложными веществами - восстановителями, например:

2KBr+2H2SO4=Br2+SO2+K2SO4+2H2O

1.4 Взаимодействия с основными оксидами и основаниями

Серная кислота проявляет все типичные свойства кислот.

Так, она реагирует с основными амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей.

Как двухосновная кислота H2SO4 образует два типа солей: средние соли - сульфаты и кислые соли - гидросульфаты. Примеры реакций:

Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3Н2О

сульфат алюминия

2КОН+Н2SO4=K2SO4+2H2O

сульфат калия

КОН+Н2SO+=KHSO4+H2O

гидросульфат калия.

Гидросульфаты образуются, когда кислота берется в избытке.

Многие соли серной кислоты выделяются из растворов в виде кристаллогидратов, например: Al2(SO4)3,18Н2О, Na2SО4,10Н2О.

1.5 Взаимодействие с солями

С некоторыми солями серная кислота вступает в реакции обмена, например:

СаСО3+Н2SO4=CaSO4+СО2^+Н2О

ВаСl2+H2SO4=BaSO4v+2HCl

Последняя реакция является качественной на серную кислоту и ее соли: об их присутствии в растворе судят по образованию белого осадка ВаSO4, который практически не растворяется в концентрированной азотной кислоте.

1.6 Взаимодействие с водой

При растворении в воде серная кислота активно взаимодействует с ней, образуя гидраты:

nH2O+H2SO4=H2SO4?nH2O

Благодаря способности связывать воду, серная кислота является хорошим осушителем.

Многие органические вещества, содержащие водород и кислород (бумага, древесина, ткани, сахара), при действии серной кислоты обугливаются в результате связывания кислотой воды.

Например: процесс обугливания сахара С12Н22О11 можно описать следующим уравнением:

nC12H22O11+H2SO4=12nC

1.7 Диссоциация кислоты

В водных растворах серная кислота диссоциирует на ионы.

В водном растворе серная кислота является очень сильной- она диссоциирует практически полностью по обоим ступеням. Безводная серная кислота диссоциирует в незначительной степени, т.к. является слабой.

2. Производство серной кислоты

2.1 Контактный способ

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS2.

1) Измельчение пирита. Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

2) Очистка пирита. После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.

Первая стадия - обжиг пирита в печи для обжига в "кипящем слое".

Уравнение реакции первой стадии

t = 800°C

4FeS2 + 11O2 =2Fe2O3 + 8SO2 + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe2O3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO2 и кислорода О2.

Вторая стадия - 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 систему необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путем химики-технологи, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO3 является температура 400-500°С. Это достаточно низкая температура в химических производствах.

Для того чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путем выяснили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия 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 400-500°С 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.

Третья стадия - поглощение SO3 серной кислотой.

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.

2.2 Нитрозный способ

Нитрозный метод получения H2SO4 был впервые применён в середине XVIII века. До 20-х годов текущего века процесс получения серной кислоты нитрозным методом проводился в больших свинцовых камерах (камерный метод). Теперь он осуществляется в специальных башнях (башенный способ). Получаемая по башенному способу кислота, как правило, содержит 76 % H2SO4 и несколько загрязнена различными примесями. Основным потребителем этой кислоты является промышленность минеральных удобрений.

Башни выкладываются из кислотоупорных керамических плит с наружным кожухом из листовой стали. Внутри они неплотно заполнены насадкой из кислотоупорной керамики.

На первой стадии, одинаковой для обоих методов, получают сернистый ангидрит CO2. Исходным сырьём может быть, в принципе, любое вещество, содержащее серу: природные сульфиды железа (прежде всего, пирит FeS2), а также сульфиды меди и никеля, сульфидные полиметаллические руды, гипс CaSO4.2H2O и элементарные сера. Всё больше и больше используют газы, которые выделяются при переработке и сжигании горючих ископаемых (угля, нефти), содержащих соединения серы.

Полученный SO2 окисляют до H2SO4, используется для этого в нитрозном методе используется окислы азота. С этой стадии оба метода отличаются друг от друга.

В специальной окислительной башне 3 смешивают окись азота NO и NO2 с воздухом в таком соотношении, чтобы половина имеющихся NO и NO2.

2NO + O2 2NO2

В результате газовая смесь содержит равные NO и NO2. Она подаётся в башни 4 и 5, орошаемые 75% - ной серной кислотой; здесь смесь окислов азота поглощается с образованием нитрозиллерной кислоты:

NO + NO2 + 2H2SO4 2NO(HSO4) + H2O

Раствор нитрозиллерной кислоты в серной кислоте, называемый нитрозой, орошает башни 1 и 2, куда противотоком поступает SO2 и добавляется вода. В результате гидролиза нитрозиллерной кислоты образуется азотная кислота:

NO(HSO4) + H2OH2SO4 + HNO2

Она - то и окисляет SO2 по уравнению:

SO2 + 2HNO2H2SO4 + 2NO

В нижней части башен 1 и 2 накапливается 76% серная кислота, естественно, в большем количестве, чем её было затрачено на приготовление нитрозы (ведь добавляется «новорождённая» серная кислота). Окись азота NO возвращается снова на окисление. Поскольку некоторое количество её меряется с выхлопными газами, приходится добавлять в систему HNO3, служащую источником окислов азота.

Недостаток башенного метода состоит в том, что полученная серная кислота имеет концентрацию лишь 76% (при большей концентрации плохо идёт гидролиз нитрозиллерной кислоты). Концентрирование же серной кислоты упариванием представляет дополнительную трудность. Преимущество этого метода в том, что примеси содержащиеся в SO2, не влияют на ход процесса, так что исходный SO2 достаточно очистить от пыли, т.е. механических загрязнений. Естественно, башенная серная кислота бывает недостаточно чистой, что ограничивает её применение.