Серная кислота.

1.Свойства.

Серная кислота представляет собой бесцветную вязкую жидкость, плотность 1,83 г/мл (20º). Температура плавления серной кислоты составляет 10,3ºС, температура кипения 269,2º.

          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).

 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. Благодоря пассивации можно хранить и перевозить концентрированную серную кислоту в стальной таре. Концентрированная серная кислота пассивирует также аллюминий, никель, хром, титан.

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 – востановителями, например:

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

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

5. Взаимодействие с солями.

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

СаСО3+Н2SO4=CaSO4‌‌+СО2↑+Н2О

ВаСl2+H2SO4=BaSO4↓+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 концентрированой азотной кислоте.

6. Взаимодействие с водой.

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

nH2O+H2SO4=H2SO4·nH2O

Благодоря способности связывать воду, серная кислота является хорошим осушителем.

           Многие органические вещества, содержащие водород и кислород (бумага, древесина, ткани, сахара), при дествии серной кислоты обугливаются в результате связывания кислотой воды. Например: процесс обугливания сахара С12Н22О11 можно описать следующим уравнением:

nC12H22O11+H2SO4=12nC

 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.

Производство серной кислоты.

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 ₂ и кислорода О₂.

                           ВТОРАЯ СТАДИЯ - окисление SO₂ в SO₃ кислородом.

Протекает в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии: 2SO₂ + O_{2 3} + 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).

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 ₂SO₄. 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 + H₂SO_{4 2}SO₄·nSO₃

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.