Химия · Химия элементов · 8 класс

Серная кислота и контактный способ

Как газ от плавки меди в Алмалыке превращается в серную кислоту?

Ситуация

На Алмалыкском горно-металлургическом комбинате при плавке медных руд — сульфидов — выделяется много оксида серы(IV). Если бы этот газ выбрасывали в воздух, шли бы кислотные дожди; комбинат же получает из него сотни тысяч тонн серной кислоты — для удобрений, аккумуляторов и металлургии. Как ядовитый газ превращается в кислоту и почему в контактном аппарате температуру держат именно около 400–450 °C? Почему концентрированная кислота превращает сахар в уголь и почему при разбавлении нужно лить «кислоту в воду»?

Тема

Серная кислота и её производство. Сернокислотный цех Алмалыкского ГМК: SO₂ из печей выплавки меди превращается в H₂SO₄ контактным способом; концентрированная кислота обугливает сахар

Ключевые понятия

Контактный способ (V₂O₅)
Кислоту — в воду
Сульфат-ион — BaSO₄

Формулы

2 SO_{2} + O_{2} ⇌_{\underset{}{420 - 450_{}^{}_{}^{\circ} C}}^{\overset{}{V_{2} O_{5}}} 2 SO_{3}

В контактном аппарате: экзотермическая обратимая реакция, ΔH ≈ −198 кДж (на 2 моль SO₃).

4 FeS_{2} + 11 O_{2} \overset{}{\to} 2 Fe_{2} O_{3} + 8 SO_{2}

Получение SO₂: обжиг пирита (или $S + O_{2} \overset{}{\to} SO_{2}$ , или газы плавки меди).

H_{2} SO_{4} + SO_{3} \overset{}{\to} H_{2} S_{2} O_{7}

SO₃ поглощают не водой, а 98 %-ной кислотой — образуется олеум, затем его разбавляют.

Ba^{2 +} + SO_{4}^{2 -} \overset{}{\to} BaSO_{4} ↓

Качественная реакция на сульфат-ион: белый осадок, не растворяющийся в кислотах.

c = \frac{m (BaSO_{4})}{M (BaSO_{4}) V}

Гравиметрия: по массе осадка находят концентрацию сульфата в растворе ( $M$ = 233,39 г/моль).

Теория

Серная кислота: свойства (§ 32)

Серная кислота $H_{2} SO_{4}$ — тяжёлая, маслянистая, бесцветная жидкость; концентрированная ≈ 96–98 %-ная, плотность 1,84 г/см³. Сильная двухосновная кислота, образует два вида солей: сульфаты (Na₂SO₄) и гидросульфаты (NaHSO₄). Разбавленная кислота, как и другие кислоты, реагирует с металлами, стоящими до водорода ( $Zn + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} ZnSO_{4} + H_{2}$ ), с основными оксидами, основаниями и солями. Концентрированная кислота ведёт себя иначе: (1) сильно притягивает воду — высушивает газы, обугливает сахар, бумагу и древесину: $C_{12} H_{22} O_{11} \overset{}{\to} 12 C + 11 H_{2} O$ ; (2) сильный окислитель — растворяет даже медь, но выделяется не водород, а SO₂: $Cu + 2 H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} CuSO_{4} + SO_{2} + 2 H_{2} O$ (при нагревании), с углём: $C + 2 H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} CO_{2} + 2 SO_{2} + 2 H_{2} O$ ; (3) на холоде пассивирует железо и алюминий — поэтому её перевозят в стальных цистернах.

Разбавление: «кислоту в воду»

При смешивании серной кислоты с водой выделяется очень много теплоты: при растворении 1 моль кислоты в 10 моль воды ≈ 67 кДж. Если лить воду в кислоту, лёгкая вода (1,0 г/см³) остаётся над тяжёлой кислотой (1,84 г/см³), вся теплота выделяется в тонком слое — вода мгновенно закипает и разбрызгивает кислоту. Поэтому всегда льют кислоту в воду — тонкой струёй, по стеклянной палочке, перемешивая и охлаждая. Электролит аккумулятора — раствор серной кислоты плотностью ≈ 1,27–1,28 г/см³ (≈ 37 %); и при его приготовлении кислоту медленно льют в воду, охлаждая.

Промышленное производство: контактный способ (§ 35)

1. Получение SO₂: сжигают серу ( $S + O_{2} \overset{}{\to} SO_{2}$ ), обжигают пирит ( $4 FeS_{2} + 11 O_{2} \overset{}{\to} 2 Fe_{2} O_{3} + 8 SO_{2}$ ) или используют газы цветной металлургии (Алмалык — газы медеплавильного и цинкового заводов). 2. Очистка: пыль улавливается в электрофильтре, газ промывают и сушат концентрированной H₂SO₄ — соединения мышьяка и пыль «отравляют» катализатор. 3. Контактный аппарат: $2 SO_{2} + O_{2} \overset{}{⇌} 2 SO_{3}$ , катализатор — оксид ванадия(V) V₂O₅, давление близко к атмосферному (≈ 100–200 кПа). Реакция экзотермическая: низкая температура благоприятна для выхода SO₃ (принцип Ле Шателье), но ниже ≈ 400 °C катализатор почти не работает — реакция сильно замедляется. Поэтому газ проходит через несколько слоёв катализатора, перед каждым слоем его охлаждают до ≈ 420–450 °C. 4. Поглощение: SO₃ поглощают не водой (образуется кислотный туман), а 98 %-ной кислотой: $H_{2} SO_{4} + SO_{3} \overset{}{\to} H_{2} S_{2} O_{7}$ (олеум), затем разбавляют. При промежуточном поглощении (вывод SO₃ после 3-го слоя) превращается более 99,7 % SO₂.

Сульфат-ион (лабораторная работа 8) и гравиметрия

Сульфат-ион обнаруживают ионами бария: $Ba^{2 +} + SO_{4}^{2 -} \overset{}{\to} BaSO_{4}$ — белый кристаллический осадок ( $K_{s}$ = 1,1·10⁻¹⁰). Карбонат- и сульфит-ионы тоже дают с барием белый осадок, но BaCO₃ и BaSO₃ растворяются в соляной кислоте с выделением газа, а BaSO₄ нет — поэтому раствор подкисляют HCl. Гравиметрия: осадок фильтруют, сушат и взвешивают: $n (SO_{4}^{2 -}) = m (BaSO_{4}) / 233,39$ г/моль, $c = n / V$ . Задачи практической работы 2: молярная концентрация кислоты по массовой доле и плотности, разбавление, расчёт по уравнению реакции (из 1 т серы теоретически ≈ 3,06 т H₂SO₄).

Применение и Узбекистан

Серная кислота — одно из самых производимых в мире химических веществ (в 2022 году ≈ 260 млн т). Большая её часть идёт на минеральные удобрения: фосфорные удобрения (суперфосфат, аммофос), сульфат аммония $2 NH_{3} + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} (NH_{4})_{2} SO_{4}$ . Также: металлургия (перевод руд в раствор, электролит для электролиза меди), аккумуляторы, очистка нефти, красители и моющие средства. В Узбекистане серную кислоту получают в том числе на Алмалыкском ГМК из металлургических газов (план 2025 года — ≈ 690 тыс. т) — для нужд самого комбината и заводов удобрений.

Безопасность и модель

Безопасность: концентрированная кислота обжигает кожу и глаза — защитные очки, перчатки, фартук; лейте кислоту в воду, а не наоборот; при попадании на кожу сразу промойте большим количеством воды; SO₂ и SO₃ ядовиты — работайте в вытяжном шкафу; при обугливании сахара тоже выделяется SO₂. Модель: контактный аппарат — 4 адиабатических слоя, газ с 10 % SO₂ и 11 % O₂, ≈ 120 кПа, равновесие по термодинамическим данным NIST/CRC, скорость схематична (катализатор «зажигается» примерно с 390 °C); макет без масштаба. Разбавление: интегральная теплота растворения (NBS, 25 °C), теплоёмкость раствора приблизительна, сосуд остывает по закону Ньютона (в ледяной бане быстрее); плотность — по таблице при 20 °C. В гравиметрии осадок считается полным и чистым.

Знаете ли вы?

Алмалыкский ГМК планирует в 2025 году произвести ≈ 690 тыс. тонн серной кислоты; ожидается, что после запуска нового цеха, строящегося на цинковом заводе, он будет улавливать до 79 тыс. м³ технологического газа в час, не выпуская его в атмосферу, и давать ещё до 180 тыс. тонн кислоты в год (kun.uz, июль 2025 года).
Контактный способ в 1831 году запатентовал английский торговец уксусом Перегрин Филлипс; сначала катализатором служила платина, позже её заменили оксидом ванадия(V), который дешевле и меньше «отравляется» примесями мышьяка.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Полезные ископаемые — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс
Кремний и силикаты — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс