Файл: Синтез и анализ хтс в производстве серной кислоты.docx

---

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Характеристика целевого продукта

1.1.1 Физические свойства

Серная кислота (H₂SO₄) — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (S⁺⁶). Бесцветная едкая тяжелая маслообразная жидкость без запаха, плотность 1,84г/см³, смешивается с водой в любых соотношениях. Концентрированная серная кислота очень бурно реагирует с водой. По этой причине следует всегда разбавлять серную кислоту, наливая её в воду, а не наоборот. Неразбавленная серная кислота представляет собой ковалентное соединение. Её молекулы имеют тетраэдрическое строение. Эта кислота гигроскопична, то есть способна поглощать влагу из воздуха. Поэтому её используют для осушения газов, не реагирующих с нею, пропуская их через серную кислоту. Безводная серная кислота растворяет до 70% оксида серы(VI). При обычной температуре она не летуча и не имеет запаха. Температура кипения и температура замерзания серной кислоты зависит от ее состава, т.е. от количества воды. С водой она образует три соединения, которые называются кристаллогидратами. Их можно выделить при охлаждении кислоты соответствующей концентрации. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO₃. Раствор серного ангидрида SO₃ в 100%-й серной кислоте H₂SO₄ называется олеум. Реактивная серная кислота имеет обычно плотность 1,84 г/см3 и содержит около 95 % H₂SO₄. Затвердевает она лишь ниже ̶ 20 °С. Температура плавления моногидрата равна 10,37 °С при теплоте плавления 10,5 кДж/моль. В обычных условиях он представляет собой очень вязкую жидкость с весьма высоким значением диэлектрической проницаемости (e = 100 при 25 °С). Стандартная энтальпия образования ∆H=298 кДж/моль. Стандартная энергия Гиббса образования ∆G=298 кДж/моль. Стандартная энтропия образования ∆S=298 Дж/моль·K. Стандартная мольная теплоемкость Cp =298 Дж/моль·K.

1.1.2 Химические свойства и применение

Серная кислота - сильная двухосновная кислота, диссоциация ее протекает по двум ступеням:

первая ступень: H

---

₂SO₄ = H+ + HSO⁴-

вторая ступень: HSO₄ =H+ + SO₄²-

В концентрированных растворах диссоциация серной кислоты по второй ступени незначительна.

Серная кислота ̶ сильнейшее дегидратирующее (водоотнимающее) вещество. Она поглощает влагу из воздуха (гигроскопична), отнимает воду от кристаллогидратов:

• 
  H₂SO₄конц. + CuSO₄ 5H₂O = CuSO₄ + 5H₂O
  

углеводов: обугливает дерево и бумагу

• 
  H₂SO₄конц. + C₁₂H₂₂O = 12C + 11H₂O
  

спиртов:

• 
  H₂SO_4конц. + C₂H₅OH = CH₂=CH₂ + H₂O
  

Серная кислота проявляет все свойства сильных кислот:

взаимодействует с основными оксидами, например:

• 
  CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O
  

с основаниями, например:

• 
  2NaOH + H₂SO₄ = Na₂ SO₄ + 2H₂O
  

вытесняет другие кислоты из их солей, например те, которые слабее нее:

• 
  CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + CO₂ + H₂O
  

или более летучие (обладающие температурами кипения ниже, чем у серной кислоты):

• 
  NaNO_3тв + H₂SO_4конц = NaHSO₄ + HNO₃ (при нагревании)
  

В окислительно-восстановительных реакциях разбавленная серная кислота проявляет свойства обычной кислоты (не окислитель) — при этом восстанавливаются ионы Н⁺, например:

• 
  Fe + H₂SO_4разб= FeSO₄ + H₂
  

Разбавленная H₂SO₄ не взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода. Концентрированная серная кислота ̶ кислота-окислитель, при этом восстанавливается сера (S⁺⁶). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений правее водорода:

• 
  Cu + H₂SO_4конц = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O
  

и металлы, стоящие левее водорода, при этом сера восстанавливается до степени окисления +4, 0 и -2:

• 
  Zn + 2H₂SO₄ = ZnSO₄ + SO₂ + 2H₂O
  
• 
  3Zn + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O
  
• 
  4Zn + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O
  

Железо, алюминий, хром концентрированной серной кислотой пассивируются (не реагируют), однако при сильном нагревании реакция начинается, например:

• 
  2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O.
  

Концентрированная серная кислота окисляет неметаллы, например:

---

• 
  C + 2H₂SO₄= CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O
  
• 
  S + 2H₂SO₄= 3SO₂ + 2H₂O
  

Концентрированная серная кислота окисляет также сложные вещества, например, HI и HBr:

• 
  2HBr + H₂SO₄ = Br₂ + SO₂ + 2H₂O
  
• 
  8HI + H₂SO₄ = 4I₂ + H₂S + 4H₂O
  

а также соли железа:

• 
  2FeSO₄ + 2H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O + SO₂.
  

Серную кислоту выпускают нескольких сортов. Они отличаются концентрацией и количеством примесей. Для производства медицинских препаратов, особо чистых реактивов, для заливки аккумуляторов требуется чистая кислота. При травлении металлов, в производстве суперфосфата можно воспользоваться кислотой, имеющей некоторые загрязнения. Экономически это выгодно, потому что такая кислота более дешевая.

Сернокислотная промышленность выпускает так называемый олеум, используемый при производстве некоторых органических препаратов, взрывчатых веществ. Олеум представляет собой раствор серного ангидрида в серной кислоте. Сорта олеума различаются по концентрации серного ангидрида в серной кислоте. Для некоторых особых целей выпускают олеум, содержащий серного ангидрида до 60%. Так, кислота серная техническая и олеум технический (ГОСТ 2184-77) применяются в производстве различных солей, кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, в качестве водоотнимающего и осушающего средства, в процессах нейтрализации, травления и многих других. Эти продукты не горючи и относятся к веществам 2-го класса токсичности.

---

1.1.3 Способы получения серной кислоты

Еще в XIII в. серную кислоту получали в незначительных количествах термическим разложением железного купороса FeSO₄, поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом, хотя уже давно серная кислота не производится из купороса. В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце XIX и начале XX в. В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SO₂ в SO₃, различают два основных метода получения серной кислоты. В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SO₂ в SO₃ проводят на твердых катализаторах. Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса ̶ абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

При проведении процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота. Окисление в жидкой фазе и конечным продуктом является серная кислота:

SO₂ + N₂O₃ + H₂O = H₂SO₄ + 2NO

В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью.

1.1.4 Применение серной кислоты

Серная кислота находит самое широкое применение (рис - 1.1.)

Рисунок - 1.1 Применение серной кислоты

Самый крупный потребитель серной кислоты ̶ производство минеральных удобрений. На 1 т Р₂О₅ фосфорных удобрений расходуется 2,2 ̶ 3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH₄)₂SO₄ — 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Серная кислота также используется для получения соляной, азотной, фосфорной, плавиковой и многих органических кислот методом обмена, органических сульфосоединений, для очистки различных газов, входит в состав нитрующих смесей

---