2. Фізичні властивості
Хімічно чиста сульфатна кислота являє собою важку безбарвну
маслянисту рідину. Продається звичайно її 96,5 % - ний водний розчин
густиною 1,84 г/см3 або так званий «олеум», тобто розчин SO3 в
H2SO4. У воді H2SO4 розчиняється дуже добре (змішується з водою в
необмежених кількостях). При цьому виділяється тепло, і розчин дуже
сильно нагрівається (навіть до кипіння води). Тому при додаванні води
до концентрованої сульфатної кислоти остання розбризкується
внаслідок швидкого перетворення води в пару. Через це при розведенні
концентрованої H2SO4 треба кислоту вливати у воду (а не навпаки!)
тонким струменем при старанному розмішуванні розчину скляною
паличкою. Виділення тепла обумовлюється утворенням гідратів H2SO4 •
H2O, H2SO4 • 2H2O і ін.
Концентрована H2SO4 активно вбирає вологу, завдяки чому її часто
застосовують для висушування газів, які хімічно не взаємодіють з нею.
Концентрована сульфатна кислота руйнує рослинні і тваринні організми,
і працювати з нею слід дуже обережно. Якщо кислота попаде на шкіру , її
треба негайно змити великою кількістю води і промити уражене місце
розведеним розчином амоніаку. Сульфатна кислота руйнує також багато
органічних речовин, зокрема вуглеводи — дерево, папір, бавовняні
тканини, цукор тощо. Руйнування цих речовин обумовлюється тим, що
концентрована сульфатна кислота віднімає від них водень і кисень у
вигляді води, а вуглець залишається у вигляді пористого вугілля.
3. Хімічні властивості
Сульфатна кислота - у водних розчинах дисоціює майже повністю
та відноситься до сильних кислот:
Н2SО4 == 2Н+ + SО42-
Солі сульфатної кислоти мають назву сульфати. Наприклад: Mg
SО4 - Магній сульфат.
При дії розведеної сульфатної кислоти на метали, які у
електрохімічному ряді активності металів розташовані ліворуч
водню, виділяється водень.
Mg + Н2SО4 =Н2+ Mg SО4
4. Застосування
Застосування сульфатної кислоти дуже широке і різноманітне. Головним
споживачем її є виробництво мінеральних добрив — суперфосфату і сульфату
амонію, а також нафтова промисловість для очистки газу, мінеральних масел
та інших нафтопродуктів. У хімічній промисловості цю кислоту застосовують
при виробництві барвників, штучного волокна, залізного купоросу FeSO4•7H2O,
мідного купоросу CuSO4 • 5H2O і інших продуктів.
Сульфатна кислота є важливим продуктом хімічної промисловості. Вона у
великих кількостях застосовується у виробництві мінеральних добрив,
волокон, пластмас, барвників, вибухових речовин, у металургії в процесі
добування міді, нікелю, урану та інших металів. Використовується також як
осушувач газів.
Серед сульфатів велике практичне значення мають мідний і залізний купороси
СuS04 • 5Н20 і FeS04 • 7Н20. Вони використовуються в сільському господарстві
для боротьби із шкідниками рослин, у виробництві фарб, для просочення
деревини як антисептичний засіб.
5. Застосування
Купороси — технічна назва кристалогідратів сульфатів деяких важких
металів (міді, заліза, цинку, нікелю), тобто це солі, кристали яких містять
кристалізаційну воду.
Гіпс СаS04 • 2Н20 і сульфат кальцію СаS04 використовують у будівництві,
медицині та інших галузях.
Сульфат натрію Na2S04 застосовують у виробництві скла. Він входить до
складу природною мінералу Nа2S04 • 10Н2О глауберової солі, яка
використовується в медицині як проносний засіб.
Сульфати калію К2S04 і амонію (NН4)2S04 використовують як добрива.
Сульфат барію ВаS04 застосовують у виробництві паперу, гуми та білої
мінеральної фарби, а також у медицині для рентгеноскопії шлунку
(«Барієва каша»)
6. Добування сульфатної кислоти у
промисловості
Найбільш сучасний спосіб добування сульфатної кислоти у промисловості —
це контактний. Як сировина використовується пірит FeS2 (залізний, або
сірчаний, колчедан.
Перша стадія процесу — випалювання колчедану і добування діоксиду
сульфуру:
4FeS2 + 11О2 = 2Fe203 + 8S02↑; ΔH= -13476 кДж.
Цей процес відбувається у колчеданних печах, з яких виходить
випалювальний газ. Він містить, окрім діоксиду сульфуру S02, ще кисень, азот,
водяну пару та інші домшки. Його очищають, висушують і подають на другу
стадію виробництва у контактний апарат.
7. Добування сульфатної кислоти у
промисловості
Друга стадія — окиснення діоксиду сульфуру і добування триоксиду
сульфуру:
2S02 + 02 ⇔2SО3 ΔH = -197,9 кДж.
Окиснення відбувається в контактному апараті за наявності каталізатора і
високої температури.
Але ви можете запитати, навіщо тут висока температура, якщо реакція
екзотермічна. Адже ми знаємо, що згідно з принципом Ле Шательє зміщенню
рівноваги у бік утворення S03 сприятимуть низька температура і високий тиск.
Це справедливо, але річ у тім, що високий тиск застосувати майже неможливо,
бо S02 одразу перейде у рідкий стан. І низькі температури використати не
можна, бо швидкість реакції буде надто малою. Тому й застосовують
каталізатор V205, щоб пришвидшити процес, а каталізатор сам стає активним
лише при 450 °С. Ось чому, незважаючи на екзотермічність реакції,
використовують ще додаткове нагрівання. Теплоту, яка виділяється під час
реакції, відводять і використовують для нагрівання випалювального газу, який
встигає охолонути, проходячи складну систему очисних споруд перед
надходженням у контактний апарат (див. схему виробництва сульфатної
кислоти на вклейці).
8. Добування сульфатної кислоти у
промисловості
Отже, процес окиснення S02 в S03 здійснюється склад но, бо ця реакція
оборотна й екзотермічна. Умови її здійснення визначаються в основному
згідно з принципом Ле Шательє.
Третя стадія виробництва — поглинання триоксиду сульфуру утворення
сульфатної кислоти H2S04.
Добутий у контактному апараті триоксид сульфуру S03 надходить у
поглинальну башту — абсорбер, де поглинається концентрованою сульфатною
кислотою (масова частка H2S04 96—98 %). В абсорбері S03 взаємодіє з
водою, що міститься у концентрованому розчині сульфатної кислоти,
утворюючи безводну, 100 %-ву сульфатну кислоту, яка надається
моногідратом:
S03 + Н20 = H2S04; ΔH = -130,6 кДж
Чистою водою поглинати триоксид сульфуру S03 не можна, оскільки
утворюється дуже стійкий «туман» з дрібних крапель сульфатної кислоти, який
погано конденсується.
Кінцевий продукт виробництва — олеум (розчин S03 у моногідраті). Його
розбавляють водою до сульфатної кислоти потрібної концентрації.
9. Добування сульфатної кислоти у
промисловості
Третя стадія виробництва — поглинання триоксиду сульфуру утворення
сульфатної кислоти H2S04.
Добутий у контактному апараті триоксид сульфуру S03 надходить у
поглинальну башту — абсорбер, де поглинається концентрованою сульфатною
кислотою (масова частка H2S04 96—98 %). В абсорбері S03 взаємодіє з
водою, що міститься у концентрованому розчині сульфатної кислоти,
утворюючи безводну, 100 %-ву сульфатну кислоту, яка надається
моногідратом:
S03 + Н20 = H2S04; ΔH = -130,6 кДж
Чистою водою поглинати триоксид сульфуру S03 не можна, оскільки
утворюється дуже стійкий «туман» з дрібних крапель сульфатної кислоти, який
погано конденсується.
Кінцевий продукт виробництва — олеум (розчин S03 у моногідраті). Його
розбавляють водою до сульфатної кислоти потрібної концентрації.
10. Технічне добування сульфатної
кислоти
В основі процесу промислового добування сульфатної
кислоти лежать такі хімічні реакції:
1) реакція одержання сульфітного ангідриду SO2 спалюванням сірки або
випалюванням залізного колчедану (піриту) FeS2:
4Fe2+S1-2 + 11O0 = 2 Fe3+2О2-3 + 8S4+О2-2 ^|
2) окиснення сульфітного ангідриду в сульфатний ангідрид:
2S4+O2 + O02 = 2S6+O2-3
3) сполучення сульфатного ангідриду з водою:
SO3 + H2O = H2SO4
11. Технічне добування сульфатної
кислоти
Основну масу сульфітного ангідриду одержують при випалюванні піриту.
Випалювання FeS2 і спалювання сірки проводять у спеціальних печах. Значні
кількості SO2 одержують також як побічний продукт у кольоровій металургії
при випалюванні сульфідних руд.
Окиснення сульфітного ангідриду в сульфатний ангідрид здійснюють двома
методами: контактним і нітрозним. Назва методу «контактний» походить від
того, що окиснення SO2 в SO3 киснем відбувається при контакті (дотику) обох
газів на поверхні твердого каталізатора. Від цього і сам метод добування
сульфатної кислоти одержав назву контактного.
Каталізатором при окисненні SO2 в SO3 контактним методом раніше служила
лише роздрібнена платина. Тепер з цією метою використовують значно
дешевий ванадійовий ангідрид V2O5 та інші каталізатори.
12. Охорона праці та навколишнього середовища у
виробництві сульфатної кислоти
Захист біосфери від забруднення викидами хімічних виробництв — найважливіша
проблема сучасності. У виробництві сульфатної кислоти можуть бути втрати якоїсь
кількості діоксиду S02 і триоксиду сульфуру S03 та викидання їх в атмосферу, що
спричинює кислотні дощі. Вони сприяють підвищенню кислотності ґрунтів і зниженню
врожаїв, збільшенню кислотності водойм і загибелі його мешканців. Кислотні дощі
спричинюють корозію металів, руйнують лакофарбові покриття. Під їх згубною дією
руйнуються будівельні матеріали, пам'ятники архітектури.
Щоб запобігти утворенню кислотних дощів і забезпечити охорону здоров'я працівників,
намагаються не допускати викидання оксиду сульфуру (ІV) S02 в атмосферу і в цехи
заводу. З цією метою своєчасно ремонтують апаратуру, встановлюють фільтри,
поглиначі, вентиляцію, суворо додержують технологічного режиму, використовують
засоби індивідуального захисту працівників, удосконалюють й автоматизують
виробничі процеси, герметизують устаткуваньня та апаратуру, впроваджують принцип
безвідхідності та ефективні методи очищення відхідних газів. З них тепер вловлюють
S02 і знову повертають його у виробництво. Застосовують також методи добування
цінних побічних продуктів з промислових відходів.
Над проблемою повної утилізації та переробки відходів виробництва сульфатної
кислоти нині працюють інженери техніки. Адже реалізація принципу безвідхідності дає
змогу не тільки істотно збільшувати вихід кислоти, підвищувати ефективність
виробництва, а й охороняти здоров 'я людей зберігати чистоту навколишнього
середовища.
