Schwefelsäure H 2 SO 4 , Molmasse 98,082; farblos ölig, geruchlos. Sehr starke Disäure, bei 18°C p K a 1 – 2,8, K 2 1,2 10 –2, pK A 2 1,92; Bindungslängen in S=O 0,143 nm, S-OH 0,154 nm, Winkel HOSOH 104°, OSO 119°; siedet unter Zersetzung und bildet (98,3 % H 2 SO 4 und 1,7 % H 2 O mit einem Siedepunkt von 338,8 °C; siehe auch Tabelle 1). Schwefelsäure, entsprechend 100 % H 2 SO 4-Gehalt, hat eine Zusammensetzung (%): H 2 SO 4 99,5 %, HSO 4 - 0,18 %, H 3 SO 4 + 0,14 %, H 3 O + 0 09 %, H 2 S 2 O 7 0,04 %, HS 2 O 7 0,05 %. Mischbar mit und SO 3 in jedem Verhältnis. In wässrigen Lösungen Schwefelsäure dissoziiert fast vollständig in H + , HSO 4 - und SO 4 2- . Bildet H 2 SO 4 · N H 2 O, wo N=1, 2, 3, 4 und 6,5.
Lösungen von SO 3 in Schwefelsäure werden Oleum genannt, sie bilden zwei Verbindungen H 2 SO 4 SO 3 und H 2 SO 4 2SO 3. Oleum enthält auch Pyroschwefelsäure, die durch die Reaktion erhalten wird: H 2 SO 4 +SO 3 =H 2 S 2 O 7 .
Schwefelsäure bekommen
Rohmaterial zum Empfang Schwefelsäure dienen als: S, Metallsulfide, H 2 S, Abfälle aus Wärmekraftwerken, Sulfate von Fe, Ca usw. Die Hauptstufen der Gewinnung Schwefelsäure: 1) Rohstoffe zur Gewinnung von SO 2 ; 2) SO 2 zu SO 3 (Umwandlung); 3) SO3. In der Industrie werden zur Gewinnung zwei Methoden eingesetzt Schwefelsäure, unterschiedlich in der Art der Oxidation von SO 2 – Kontakt mit festen Katalysatoren (Kontakten) und Lachgas – mit Stickoxiden. Zum Erhalten Schwefelsäure Bei der Kontaktmethode nutzen moderne Anlagen Vanadiumkatalysatoren, die Pt- und Fe-Oxide verdrängt haben. Reines V 2 O 5 hat eine schwache katalytische Aktivität, die in Gegenwart von Alkalimetallen stark zunimmt, wobei K-Salze den größten Effekt haben. 7 V 2 O 5 und K 2 S 2 O 7 V 2 O 5 zersetzen sich bei 315–330 , 365–380 bzw. 400–405 °C). Die katalysierte aktive Komponente befindet sich in geschmolzenem Zustand.
Das Schema für die Oxidation von SO 2 zu SO 3 lässt sich wie folgt darstellen:
In der ersten Stufe wird das Gleichgewicht erreicht, die zweite Stufe ist langsam und bestimmt die Geschwindigkeit des Prozesses.
Produktion Schwefelsäure aus Schwefel nach der Methode des Doppelkontakts und der Doppelabsorption (Abb. 1) besteht aus den folgenden Stufen. Die von Staub gereinigte Luft wird über ein Gasgebläse dem Trockenturm zugeführt, wo sie zu 93–98 % getrocknet wird. Schwefelsäure auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 0,01 Vol.-%. Die getrocknete Luft gelangt nach Vorwärmung in einem der Wärmetauscher der Kontakteinheit in den Schwefelofen. Der Ofen verbrennt durch Düsen zugeführten Schwefel: S + O 2 = SO 2 + 297,028 kJ. Das Gas mit 10–14 Vol.-% SO 2 wird im Kessel abgekühlt und gelangt nach Verdünnung mit Luft auf einen SO 2-Gehalt von 9–10 Vol.-% bei 420 °C in die Kontaktapparatur für die erste Konvertierungsstufe erfolgt auf drei Katalysatorschichten (SO 2 + V 2 O 2 = SO 3 + 96,296 kJ), danach wird das Gas in Wärmetauschern abgekühlt. Dann gelangt das Gas mit 8,5-9,5 % SO 3 bei 200 °C in die erste Absorptionsstufe in den Absorber, bewässert und 98 % Schwefelsäure: SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 + 130,56 kJ. Das Gas wird dann verspritzt. Schwefelsäure, auf 420 °C erhitzt und gelangt in die zweite Stufe der Umwandlung, wobei es über zwei Katalysatorschichten fließt. Vor der zweiten Absorptionsstufe wird das Gas im Economizer abgekühlt und in den Absorber der zweiten Stufe eingespeist, bewässert mit 98 % Schwefelsäure, und dann, nach der Reinigung von Spritzern, wird es in die Atmosphäre freigesetzt.
1 - Schwefelofen; 2 - Abhitzekessel; 3 - Economizer; 4 - Startofen; 5, 6 - Wärmetauscher des Startofens; 7 - Kontaktgerät; 8 - Wärmetauscher; 9 - Oleumabsorber; 10 - Trockenturm; 11 und 12 jeweils der erste und der zweite Monohydratabsorber; 13 - Säuresammler.
1 - Plattenzuführung; 2 - Ofen; 3 - Abhitzekessel; 4 - Zyklone; 5 - Elektrofilter; 6 - Waschtürme; 7 - Nasselektrofilter; 8 - Blasturm; 9 - Trockenturm; 10 - Sprühfalle; 11 - der erste Monohydratabsorber; 12 - Wärmetauscher; 13 - Kontaktgerät; 14 – Oleumabsorber; 15 – zweiter Monohydrat-Absorber; 16 - Kühlschränke; 17 - Sammlungen.
1 - Denitrierungsturm; 2, 3 – der erste und der zweite Produktionsturm; 4 - Oxidationsturm; 5, 6, 7 - Absorptionstürme; 8 - Elektrofilter.
Produktion Schwefelsäure aus Metallsulfiden (Abb. 2) ist viel komplizierter und besteht aus den folgenden Vorgängen. Das Rösten von FeS 2 erfolgt in einem Luftwirbelschichtofen: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476 kJ. Röstgas, das 13-14 % SO 2 enthält und eine Temperatur von 900 °C hat, gelangt in den Kessel, wo es auf 450 °C abgekühlt wird. Die Staubentfernung erfolgt in einem Zyklon und einem Elektrofilter. Anschließend durchläuft das Gas zwei Waschtürme, bewässert mit 40 % und 10 % Schwefelsäure. Gleichzeitig wird das Gas endgültig von Staub, Fluor und Arsen gereinigt. Zur Reinigung von Gas aus Aerosolen Schwefelsäure In den Waschtürmen entstehen zwei Stufen von Nasselektrofiltern. Nach der Trocknung in einem Trockenturm, bevor das Gas auf einen Gehalt von 9 % SO 2 verdünnt wird, wird es über ein Gebläse der ersten Konvertierungsstufe (3 Katalysatorbetten) zugeführt. In Wärmetauschern wird das Gas aufgrund der Wärme des Gases aus der ersten Umwandlungsstufe auf 420 °C erhitzt. SO 2 wird zu 92–95 % in SO 3 oxidiert und gelangt in die erste Absorptionsstufe in Oleum- und Monohydratabsorbern, wo es aus SO 3 freigesetzt wird. Anschließend gelangt das Gas mit einem SO 2 ~ 0,5 %-Gehalt in die zweite Konvertierungsstufe, die auf einer oder zwei Katalysatorschichten erfolgt. Durch die Wärme der Gase aus der zweiten Katalysestufe wird das Gas vorab in einer weiteren Gruppe von Wärmetauschern auf bis zu 420 °C erhitzt. Nach der Abtrennung von SO 3 in der zweiten Absorptionsstufe wird das Gas in die Atmosphäre abgegeben.
Der Umwandlungsgrad von SO 2 zu SO 3 im Kontaktverfahren beträgt 99,7 %, der Absorptionsgrad von SO 3 beträgt 99,97 %. Produktion Schwefelsäure in einer Katalysestufe durchgeführt, wobei der Umwandlungsgrad von SO 2 zu SO 3 98,5 % nicht überschreitet. Vor der Freisetzung in die Atmosphäre wird das Gas vom restlichen SO 2 gereinigt (siehe). Die Produktivität moderner Anlagen beträgt 1500-3100 Tonnen/Tag.
Der Kern der Nitrose-Methode (Abb. 3) besteht darin, dass das Röstgas nach dem Abkühlen und Entstauben mit der sogenannten Nitrose behandelt wird – Schwefelsäure in dem Stickoxide gelöst sind. SO 2 wird von Nitrose absorbiert und dann oxidiert: SO 2 + N 2 O 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 + NO. Das dabei entstehende NO ist in Nitrose schwer löslich, wird aus dieser freigesetzt und dann in der Gasphase durch Sauerstoff teilweise zu NO 2 oxidiert. Dabei wird ein Gemisch aus NO und NO 2 resorbiert Schwefelsäure usw. Stickoxide werden im Lachgasprozess nicht verbraucht und fließen aufgrund unvollständiger Absorption wieder in den Produktionskreislauf zurück. Schwefelsäure sie werden teilweise durch die Abgase mitgerissen. Vorteile der Lachgasmethode: Einfachheit des Hardware-Designs, geringere Kosten (10-15 % niedriger als bei der Kontaktmethode), Möglichkeit einer 100 % SO 2 -Verarbeitung.
Die Instrumentierung des Lachgasprozesses im Turm ist einfach: SO 2 wird in 7–8 ausgekleideten Türmen mit Keramikfüllung verarbeitet, einer der Türme (hohl) ist ein einstellbares Oxidationsvolumen. Die Türme verfügen über Säuresammler, Kühlschränke und Pumpen, die Drucktanks über den Türmen mit Säure versorgen. Vor den letzten beiden Türmen ist ein Heckventilator installiert. Zur Reinigung von Gas aus Aerosolen Schwefelsäure dient als Elektrofilter. Die für den Prozess benötigten Stickoxide werden aus HNO 3 gewonnen. Um den Ausstoß von Stickoxiden in die Atmosphäre zu reduzieren und eine 100-prozentige SO 2 -Verarbeitung zu gewährleisten, ist zwischen der Produktions- und der Absorptionszone ein stickstofffreier SO 2 -Verarbeitungszyklus in Kombination mit einem Wasser-Säure-Verfahren zum tiefen Einfangen von Stickoxiden installiert. Der Nachteil der Lachgasmethode ist die geringe Qualität des Produkts: Konzentration Schwefelsäure 75 %, das Vorhandensein von Stickoxiden, Fe und anderen Verunreinigungen.
Um die Möglichkeit einer Kristallisation zu verringern Schwefelsäure Während des Transports und der Lagerung werden Standards für kommerzielle Qualitäten festgelegt Schwefelsäure, dessen Konzentration den niedrigsten Kristallisationstemperaturen entspricht. Inhalt Schwefelsäure in technischen Qualitäten (%): Turm (nitros) 75, Kontakt 92,5–98,0, Oleum 104,5, hochprozentiges Oleum 114,6, Batterie 92–94. Schwefelsäure in Stahltanks mit einem Volumen von bis zu 5000 m 3 gelagert, ist ihre Gesamtkapazität im Lager auf eine zehntägige Produktion ausgelegt. Oleum und Schwefelsäure in Stahl-Eisenbahntanks transportiert. Konzentriert und Batterie Schwefelsäure Der Transport erfolgt in säurebeständigen Stahltanks. Tanks für den Transport von Oleum werden mit einer Wärmedämmung abgedeckt und das Oleum wird vor dem Befüllen erhitzt.
Bestimmen Schwefelsäure kolorimetrisch und photometrisch, in Form einer Suspension von BaSO 4 - phototurbidimetrisch, sowie nach der coulometrischen Methode.
Die Verwendung von Schwefelsäure
Schwefelsäure wird bei der Herstellung von Mineraldüngern, als Elektrolyt in Bleibatterien, zur Gewinnung verschiedener Mineralsäuren und Salze, Chemiefasern, Farbstoffe, rauchbildende Stoffe usw. verwendet Sprengstoffe, in der Öl-, Metall-, Textil-, Leder- und anderen Industrie. Es wird in der industriellen organischen Synthese bei Dehydratisierungsreaktionen (Gewinnung von Diethylether, Estern), Hydratisierung (Ethanol aus Ethylen), Sulfonierung (und Zwischenprodukten bei der Herstellung von Farbstoffen), Alkylierung (Gewinnung von Isooctan, Polyethylenglykol, Caprolactam) usw. verwendet. Der größte Verbraucher Schwefelsäure- Herstellung von Mineraldüngern. Für 1 Tonne P 2 O 5-Phosphatdünger werden 2,2-3,4 Tonnen verbraucht Schwefelsäure und für 1 t (NH 4) 2 SO 4 - 0,75 t Schwefelsäure. Daher werden Schwefelsäureanlagen in der Regel in Verbindung mit Anlagen zur Herstellung von Mineraldüngern gebaut. Weltproduktion Schwefelsäure 1987 erreichte er 152 Millionen Tonnen.
Schwefelsäure und Oleum - extrem aggressive Substanzen, die die Atemwege, die Haut und die Schleimhäute angreifen, Atembeschwerden, Husten und häufig Kehlkopfentzündung, Tracheitis, Bronchitis usw. verursachen. MPC von Schwefelsäureaerosol in der Luft Arbeitsbereich 1,0 mg/m 3, in der Atmosphäre 0,3 mg/m 3 (maximal einmalig) und 0,1 mg/m 3 (Tagesdurchschnitt). Die auffallende Konzentration der Dämpfe Schwefelsäure 0,008 mg/l (60 Min. Exposition), tödlich 0,18 mg/l (60 Min.). Gefahrenklasse 2. Aerosol Schwefelsäure kann durch Emissionen aus der chemischen und metallurgischen Industrie, die S-Oxide enthalten, in der Atmosphäre entstehen und als saurer Regen ausfallen.
physikalische Eigenschaften.Reine 100 %ige Schwefelsäure (Monohydrat) ist eine farblose ölige Flüssigkeit, die bei +10 °C zu einer kristallinen Masse erstarrt. Reaktive Schwefelsäure hat üblicherweise eine Dichte von 1,84 g/cm 3 und enthält etwa 95 % H 2 SO 4 . Es härtet erst unter -20 °C aus.
Der Schmelzpunkt des Monohydrats beträgt 10,37 °C mit einer Schmelzwärme von 10,5 kJ/mol. Unter normalen Bedingungen ist es eine sehr viskose Flüssigkeit mit einer sehr hohen Dielektrizitätskonstante (e = 100 bei 25 °C). Die unbedeutende eigene elektrolytische Dissoziation des Monohydrats verläuft parallel in zwei Richtungen: [Н 3 SO 4 + ]·[НSO 4 - ] = 2 10 -4 und [Н 3 О + ]·[НS 2 О 7 - ] = 4 10 - 5 . Seine molekularionische Zusammensetzung lässt sich näherungsweise durch folgende Angaben (in %) charakterisieren:
|
Bereits bei der Zugabe geringer Wassermengen überwiegt die Dissoziation nach folgendem Schema:
H 2 O + H 2 SO 4<==>H 3 O + + HSO 4 -
Chemische Eigenschaften.
H 2 SO 4 ist eine starke zweibasische Säure.
H2SO4<-->H + + HSO 4 -<-->2H + + SO 4 2-
Die erste Stufe (bei mittleren Konzentrationen) führt zu 100 % Dissoziation:
K 2 \u003d ( ) / \u003d 1,2 · 10 -2
1) Wechselwirkung mit Metallen:
A) verdünnte Schwefelsäure löst nur Metalle, die in der Spannungsreihe links von Wasserstoff liegen:
Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (razb) -> Zn +2 SO 4 + H 2 O
B) konzentriertes H 2 +6 SO 4 – ein starkes Oxidationsmittel; Bei Wechselwirkung mit Metallen (außer Au, Pt) kann es zu S +4 O 2, S 0 oder H 2 S -2 reduziert werden (Fe, Al, Cr reagieren auch nicht ohne Erhitzen - sie werden passiviert):
2Ag 0 + 2H 2 +6 SO 4 --> Ag 2 +1 SO 4 + S +4 O 2 + 2H 2 O
8Na 0 + 5H 2 +6 SO 4 -> 4Na 2 +1 SO 4 + H 2 S -2 + 4H 2 O
2) konzentriertes H 2 S +6 O 4 reagiert beim Erhitzen mit einige Nichtmetalle aufgrund seiner starken oxidierenden Eigenschaften verwandelt es sich in Schwefelverbindungen einer niedrigeren Oxidationsstufe (z. B. S + 4 O 2):
C 0 + 2H 2 S +6 O 4 (konz.) -> C +4 O 2 + 2S +4 O 2 + 2H 2 O
S 0 + 2H 2 S +6 O 4 (konz.) -> 3S +4 O 2 + 2H 2 O
2P 0 + 5H 2 S +6 O 4 (konz.) -> 5S +4 O 2 + 2H 3 P +5 O 4 + 2H 2 O
3) mit basischen Oxiden:
CuO + H2SO4 -> CuSO4 + H2O
CuO + 2H + -> Cu 2+ + H 2 O
4) mit Hydroxiden:
H 2 SO 4 + 2NaOH -> Na 2 SO 4 + 2H 2 O
H + + OH - --> H 2 O
H 2 SO 4 + Cu(OH) 2 -> CuSO 4 + 2H 2 O
2H + + Cu(OH) 2 -> Cu 2+ + 2H 2 O
5) Austauschreaktionen mit Salzen:
BaCl 2 + H 2 SO 4 -> BaSO 4 + 2HCl
Ba 2+ + SO 4 2- --> BaSO 4
Die Bildung eines weißen Niederschlags von BaSO 4 (in Säuren unlöslich) wird zur Identifizierung von Schwefelsäure und löslichen Sulfaten verwendet.
Das Monohydrat (reine, 100 %ige Schwefelsäure) ist ein ionisierendes Lösungsmittel mit saurem Charakter. Sulfate vieler Metalle lösen sich darin gut (unter Umwandlung in Bisulfate), während sich Salze anderer Säuren in der Regel nur dann lösen, wenn sie solvolysiert werden können (unter Umwandlung in Bisulfate). Salpetersäure verhält sich im Monohydrat wie eine schwache Base
HNO 3 + 2 H 2 SO 4<==>H 3 O + + NO 2 + + 2 HSO 4 -
Perchlorsäure – als sehr schwache Säure
H 2 SO 4 + HClO 4 = H 3 SO 4 + + ClO 4 -
Etwas stärker sind Fluorsulfon- und Chlorsulfonsäuren (HSO 3 F > HSO 3 Cl > HClO 4). Das Monohydrat löst viele organische Substanzen gut, die Atome mit ungeteilten Elektronenpaaren (die zur Bindung eines Protons fähig sind) enthalten. Einige davon können dann durch einfaches Verdünnen der Lösung mit Wasser unverändert wieder isoliert werden. Das Monohydrat hat eine hohe kryoskopische Konstante (6,12°) und wird manchmal als Medium zur Bestimmung von Molekulargewichten verwendet.
Konzentriertes H 2 SO 4 ist ein ziemlich starkes Oxidationsmittel, insbesondere wenn es erhitzt wird (normalerweise wird es zu SO 2 reduziert). Beispielsweise oxidiert es HI und teilweise HBr (jedoch nicht HCl) zu freien Halogenen. Es oxidiert auch viele Metalle – Cu, Hg usw. (während Gold und Platin gegenüber H 2 SO 4 stabil sind). Die Wechselwirkung mit Kupfer verläuft also nach der Gleichung:
Cu + 2 H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + SO 2 + H 2 O
Als Oxidationsmittel wird Schwefelsäure üblicherweise zu SO 2 reduziert. Allerdings kann es mit den stärksten Reduktionsmitteln zu S und sogar H 2 S reduziert werden. Konzentrierte Schwefelsäure reagiert mit Schwefelwasserstoff nach der Gleichung:
H 2 SO 4 + H 2 S \u003d 2H 2 O + SO 2 + S
Es ist zu beachten, dass es auch teilweise durch gasförmigen Wasserstoff reduziert wird und daher nicht zur Trocknung verwendet werden kann.
Reis. 13. Elektrische Leitfähigkeit von Schwefelsäurelösungen.
Die Auflösung von konzentrierter Schwefelsäure in Wasser geht mit einer erheblichen Wärmefreisetzung (und einer gewissen Verringerung des Gesamtvolumens des Systems) einher. Monohydrat leitet fast keinen Strom. Im Gegensatz dazu sind wässrige Lösungen von Schwefelsäure gute Leiter. Wie in Abb. zu sehen ist. 13, etwa 30 % Säure hat die maximale elektrische Leitfähigkeit. Das Minimum der Kurve entspricht einem Hydrat mit der Zusammensetzung H 2 SO 4 ·H 2 O.
Die Wärmefreisetzung beim Auflösen des Monohydrats in Wasser beträgt (abhängig von der Endkonzentration der Lösung) bis zu 84 kJ/mol H 2 SO 4 . Im Gegenteil, durch Mischen von auf 0 °C vorgekühlter 66 %iger Schwefelsäure mit Schnee (Gewichtsverhältnis 1:1) kann eine Temperaturabsenkung bis auf -37 °C erreicht werden.
Die Änderung der Dichte wässriger Lösungen von H 2 SO 4 mit ihrer Konzentration (Gew. %) ist unten angegeben:
|
|
Wie aus diesen Daten hervorgeht, ist die Bestimmung der Dichte der Konzentration von Schwefelsäure über 90 Gew.-% erforderlich. % wird ziemlich ungenau.
Der Wasserdampfdruck über H 2 SO 4 -Lösungen unterschiedlicher Konzentration bei unterschiedlichen Temperaturen ist in Abb. dargestellt. 15. Schwefelsäure kann nur dann als Trocknungsmittel wirken, wenn der Wasserdampfdruck über ihrer Lösung geringer ist als ihr Partialdruck im zu trocknenden Gas.
Reis. 15. Wasserdampfdruck.
Reis. 16. Siedepunkte über Lösungen von H 2 SO 4 . H 2 SO 4-Lösungen.
Beim Kochen einer verdünnten Schwefelsäurelösung wird Wasser daraus abdestilliert und der Siedepunkt steigt auf 337 °C, wenn 98,3 % H 2 SO 4 zu destillieren beginnen (Abb. 16). Im Gegenteil, überschüssiges Schwefelsäureanhydrid verflüchtigt sich aus konzentrierteren Lösungen. Der bei 337 °C siedende Schwefelsäuredampf zerfällt teilweise in H 2 O und SO 3, die sich beim Abkühlen wieder verbinden. Der hohe Siedepunkt von Schwefelsäure ermöglicht die Isolierung flüchtiger Säuren aus ihren Salzen (z. B. HCl aus NaCl) beim Erhitzen.
Erhalt.
Das Monohydrat kann durch Kristallisation von konzentrierter Schwefelsäure bei -10°C gewonnen werden.
Schwefelsäureproduktion.
1. Stufe. Pyritofen.
4FeS 2 + 11O 2 -> 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q
Der Prozess ist heterogen:
1) Mahlen von Eisenpyrit (Pyrit)
2) „Fließbett“-Methode
3) 800°C; Ableitung überschüssiger Wärme
4) Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in der Luft
2. Stufe.Nach Reinigung, Trocknung und Wärmeaustausch gelangt Schwefeldioxid in die Kontaktapparatur, wo es zu Schwefelsäureanhydrid oxidiert wird (450 °C – 500 °C; Katalysator V 2 O 5):
2SO2 + O2<-->2SO3
3. Stufe. Absorptionsturm:
nSO 3 + H 2 SO 4 (konz.) -> (H 2 SO 4 nSO 3) (Oleum)
Aufgrund der Nebelbildung kann kein Wasser verwendet werden. Wenden Sie Keramikdüsen und das Gegenstromprinzip an.
Anwendung.
Erinnern! Schwefelsäure muss in kleinen Portionen ins Wasser gegossen werden und nicht umgekehrt. Andernfalls kann es zu einer heftigen chemischen Reaktion kommen, die zu schweren Verbrennungen führen kann.
Schwefelsäure ist eines der Hauptprodukte der chemischen Industrie. Es dient der Herstellung von Mineraldüngern (Superphosphat, Ammoniumsulfat), verschiedenen Säuren und Salzen, Arzneimitteln und Reinigungsmitteln, Farbstoffen, Kunstfasern und Sprengstoffen. Es wird in der Metallurgie (Zersetzung von Erzen, zum Beispiel Uran), zur Reinigung von Erdölprodukten, als Trockenmittel usw. verwendet.
Von praktischer Bedeutung ist die Tatsache, dass sehr starke (über 75 %) Schwefelsäure keine Wirkung auf Eisen hat. Dies ermöglicht die Lagerung und den Transport in Stahltanks. Im Gegensatz dazu löst verdünntes H 2 SO 4 Eisen leicht unter Freisetzung von Wasserstoff. Oxidierende Eigenschaften sind für ihn überhaupt nicht typisch.
Starke Schwefelsäure nimmt Feuchtigkeit stark auf und wird daher häufig zur Trocknung von Gasen eingesetzt. Es entzieht vielen organischen Stoffen, die Wasserstoff und Sauerstoff enthalten, Wasser, das häufig in der Technik genutzt wird. Damit (sowie mit den oxidierenden Eigenschaften von starkem H 2 SO 4) ist seine zerstörerische Wirkung auf pflanzliches und tierisches Gewebe verbunden. Schwefelsäure, die bei der Arbeit versehentlich auf die Haut oder das Kleid gelangt, sollte sofort mit viel Wasser abgewaschen werden, anschließend die betroffene Stelle mit einer verdünnten Ammoniaklösung anfeuchten und erneut mit Wasser abspülen.
Moleküle reiner Schwefelsäure.
Abb.1. Diagramm der Wasserstoffbrückenbindungen in einem H 2 SO 4-Kristall.
Die Moleküle, die den Monohydratkristall (HO) 2 SO 2 bilden, sind durch ziemlich starke (25 kJ/mol) Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden, wie in Abb. schematisch dargestellt. 1. Das (HO) 2 SO 2-Molekül selbst hat die Struktur eines verzerrten Tetraeders mit einem Schwefelatom in der Nähe des Zentrums und ist durch folgende Parameter gekennzeichnet: (d (S-OH) \u003d 154 pm, PHO-S-OH = 104 °, d (S = O) = 143 Uhr, ROSO = 119 °. Im HOSO 3 - Ion ist d (S-OH) = 161 und d (SO) = 145 Uhr und Beim Übergang zum SO 4 -Ion nimmt das 2-Tetraeder die richtige Form an und die Parameter stimmen überein.
Schwefelsäure hydratisiert.
Für Schwefelsäure sind mehrere kristalline Hydrate bekannt, deren Zusammensetzung in Abb. dargestellt ist. 14. Von diesen ist das Oxoniumsalz das wasserärmste: H 3 O + HSO 4 -. Da das betrachtete System sehr anfällig für Unterkühlung ist, sind die darin tatsächlich beobachteten Gefriertemperaturen viel niedriger als die Schmelzpunkte.
Reis. 14. Schmelzpunkte im System H 2 O·H 2 SO 4.
Jeder im Chemieunterricht beschäftigte sich mit Säuren. Eine davon heißt Schwefelsäure und wird als HSO 4 bezeichnet. Über die Eigenschaften von Schwefelsäure erfahren Sie in unserem Artikel.
Physikalische Eigenschaften von Schwefelsäure
Reine Schwefelsäure oder Monohydrat ist eine farblose ölige Flüssigkeit, die bei +10 °C zu einer kristallinen Masse erstarrt. Für Reaktionen vorgesehene Schwefelsäure enthält 95 % H 2 SO 4 und hat eine Dichte von 1,84 g/cm 3 . 1 Liter dieser Säure wiegt 2 kg. Säure härtet bei -20°C aus. Die Schmelzwärme beträgt 10,5 kJ/mol bei einer Temperatur von 10,37 °C.
Die Eigenschaften konzentrierter Schwefelsäure sind vielfältig. Beim Auflösen dieser Säure in Wasser wird beispielsweise durch die Bildung von Hydraten eine große Wärmemenge (19 kcal/mol) freigesetzt. Diese Hydrate können bei niedrigen Temperaturen in fester Form aus der Lösung isoliert werden.
Schwefelsäure ist eines der grundlegendsten Produkte der chemischen Industrie. Es ist für die Herstellung von Mineraldüngern (Ammoniumsulfat, Superphosphat), verschiedenen Salzen und Säuren, Reinigungsmitteln usw. bestimmt Medikamente, Kunstfasern, Farbstoffe, Sprengstoffe. Schwefelsäure wird auch in der Metallurgie (zum Beispiel beim Abbau von Uranerzen), zur Reinigung von Erdölprodukten, zum Trocknen von Gasen usw. verwendet.
Chemische Eigenschaften von Schwefelsäure
Die chemischen Eigenschaften von Schwefelsäure sind:
- Wechselwirkung mit Metallen:
- verdünnte Säure löst nur die Metalle auf, die sich in einer Spannungsreihe links von Wasserstoff befinden, zum Beispiel H 2 +1 SO 4 + Zn 0 = H 2 O + Zn + 2 SO 4;
- Die oxidierenden Eigenschaften von Schwefelsäure sind großartig. Bei Wechselwirkung mit verschiedenen Metallen (außer Pt, Au) kann es zu H 2 S -2, S +4 O 2 oder S 0 reduziert werden, zum Beispiel:
- 2H 2 +6 SO 4 + 2Ag 0 = S +4 O 2 + Ag 2 +1 SO 4 + 2H 2 O;
- 5H 2 +6 SO 4 + 8Na 0 = H 2 S -2 + 4Na 2 +1 SO 4 + 4H 2 O;
- Konzentrierte Säure H 2 S +6 O 4 reagiert (beim Erhitzen) auch mit einigen Nichtmetallen und wandelt sich dabei in Schwefelverbindungen mit einer niedrigeren Oxidationsstufe um, zum Beispiel:
- 2H 2 S +6 O 4 + C 0 = 2S +4 O 2 + C +4 O 2 + 2H 2 O;
- 2H 2 S +6 O 4 + S 0 = 3S +4 O 2 + 2H 2 O;
- 5H 2 S +6 O 4 + 2P 0 = 2H 3 P +5 O 4 + 5S +4 O 2 + 2H 2 O;
- Mit basischen Oxiden:
- H 2 SO 4 + CuO = CuSO 4 + H 2 O;
- Mit Hydroxiden:
- Cu(OH) 2 + H 2 SO 4 = CuSO 4 + 2H 2 O;
- 2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O;
- Wechselwirkung mit Salzen bei Austauschreaktionen:
- H 2 SO 4 + BaCl 2 \u003d 2HCl + BaSO 4;
Zur Bestimmung dieser Säure und löslicher Sulfate wird die Bildung von BaSO 4 (weißer Niederschlag, unlöslich in Säuren) herangezogen.
Ein Monohydrat ist ein ionisierendes Lösungsmittel mit saurem Charakter. Es ist sehr gut, darin Sulfate vieler Metalle aufzulösen, zum Beispiel:
- 2H 2 SO 4 + HNO 3 = NO 2 + + H 3 O + + 2HSO 4 -;
- HClO 4 + H 2 SO 4 = ClO 4 - + H 3 SO 4 +.
Eine konzentrierte Säure ist ein ziemlich starkes Oxidationsmittel, insbesondere wenn sie erhitzt wird, zum Beispiel 2H 2 SO 4 + Cu = SO 2 + CuSO 4 + H 2 O.
Als Oxidationsmittel wird Schwefelsäure üblicherweise zu SO 2 reduziert. Es kann aber auf S und sogar auf H 2 S reduziert werden, zum Beispiel H 2 S + H 2 SO 4 = SO 2 + 2H 2 O + S.
Das Monohydrat kann kaum Strom leiten. Umgekehrt sind wässrige Säurelösungen gute Leiter. Schwefelsäure absorbiert stark Feuchtigkeit und wird daher zum Trocknen verschiedener Gase verwendet. Als Trockenmittel wirkt Schwefelsäure, solange der Wasserdampfdruck über ihrer Lösung geringer ist als ihr Druck im zu trocknenden Gas.
Wenn eine verdünnte Schwefelsäurelösung zum Sieden gebracht wird, wird ihr Wasser entzogen, während der Siedepunkt beispielsweise auf 337 °C ansteigt, wenn mit der Destillation von Schwefelsäure mit einer Konzentration von 98,3 % begonnen wird. Umgekehrt verdampft aus Lösungen, die höher konzentriert sind, überschüssiges Schwefelsäureanhydrid. Dampf, der bei einer Temperatur von 337 ° C siedet, zersetzt die Säure teilweise in SO 3 und H 2 O, die sich beim Abkühlen wieder verbinden. Der hohe Siedepunkt dieser Säure eignet sich zur Trennung flüchtiger Säuren aus ihren Salzen beim Erhitzen.
Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit Säure
Beim Umgang mit Schwefelsäure ist äußerste Vorsicht geboten. Wenn diese Säure mit der Haut in Kontakt kommt, wird die Haut weiß, dann bräunlich und es treten Rötungen auf. Das umliegende Gewebe schwillt an. Wenn diese Säure mit irgendeinem Körperteil in Kontakt kommt, muss sie schnell mit Wasser abgewaschen und die verbrannte Stelle mit einer Sodalösung geschmiert werden.
Jetzt wissen Sie, dass Schwefelsäure, deren Eigenschaften gut untersucht sind, für eine Vielzahl von Produktion und Bergbau einfach unverzichtbar ist.
DEFINITION
wasserfrei Schwefelsäure ist eine schwere, viskose Flüssigkeit, die in jedem Verhältnis leicht mit Wasser mischbar ist: Die Wechselwirkung ist durch einen außergewöhnlich großen exothermen Effekt gekennzeichnet (~880 kJ/mol bei unendlicher Verdünnung) und kann bei Wasser zu explosionsartigem Sieden und Spritzen der Mischung führen der Säure zugesetzt; Deshalb ist es so wichtig, bei der Herstellung von Lösungen immer die umgekehrte Reihenfolge einzuhalten und die Säure langsam und unter Rühren in das Wasser zu geben.
Einige physikalische Eigenschaften von Schwefelsäure sind in der Tabelle aufgeführt.
Wasserfreies H 2 SO 4 ist eine bemerkenswerte Verbindung mit einer ungewöhnlich hohen Dielektrizitätskonstante und einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit, die auf die ionische Autodissoziation (Autoprotolyse) der Verbindung sowie auf den Protonentransfer-Relaisleitungsmechanismus zurückzuführen ist, der den Fluss von gewährleistet elektrischer Strom durch eine viskose Flüssigkeit mit eine große Anzahl Wasserstoffbrücken.
Tabelle 1. Physikalische Eigenschaften Schwefelsäure.
Schwefelsäure bekommen
Schwefelsäure ist die wichtigste Industriechemikalie und die kostengünstigste Massensäure, die weltweit hergestellt wird.
Konzentrierte Schwefelsäure („Vitriolöl“) wurde zunächst durch Erhitzen von „grünem Vitriol“ FeSO 4 × nH 2 O gewonnen und darin verbraucht in großen Zahlen um Na 2 SO 4 und NaCl zu erhalten.
Das moderne Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure nutzt einen Katalysator bestehend aus Vanadium(V)-oxid unter Zusatz von Kaliumsulfat auf einem Träger aus Siliziumdioxid oder Kieselgur. Schwefeldioxid SO 2 wird durch Verbrennen von reinem Schwefel oder durch Rösten von Sulfiderz (hauptsächlich Pyrit oder Erze von Cu, Ni und Zn) bei der Gewinnung dieser Metalle gewonnen. Anschließend wird SO 2 zu Trioxid oxidiert und anschließend Schwefelsäure gewonnen in Wasser auflösen:
S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 - 297 kJ / mol);
SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 - 9,8 kJ / mol);
SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 - 130 kJ/mol).
Chemische Eigenschaften von Schwefelsäure
Schwefelsäure ist eine starke zweibasige Säure. Im ersten Schritt dissoziiert es in Lösungen geringer Konzentration fast vollständig:
H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 -.
Dissoziation auf der zweiten Stufe
HSO 4 - ↔H + + SO 4 2-
verläuft in geringerem Maße. Die Dissoziationskonstante von Schwefelsäure in der zweiten Stufe, ausgedrückt als Ionenaktivität, beträgt K 2 = 10 -2.
Als zweibasische Säure bildet Schwefelsäure zwei Salzreihen: mittelsalzig und sauer. Mittlere Salze der Schwefelsäure werden Sulfate und saure Salze Hydrosulfate genannt.
Schwefelsäure nimmt Wasserdampf gierig auf und wird daher häufig zur Trocknung von Gasen eingesetzt. Die Fähigkeit, Wasser aufzunehmen, erklärt auch die Verkohlung vieler organischer Substanzen, insbesondere derjenigen, die zur Klasse der Kohlenhydrate (Ballaststoffe, Zucker usw.) gehören, wenn sie konzentrierter Schwefelsäure ausgesetzt werden. Schwefelsäure entzieht den Kohlenhydraten Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch Wasser entsteht, und Kohlenstoff wird in Form von Kohle freigesetzt.
Konzentrierte Schwefelsäure, insbesondere heiße, ist ein starkes Oxidationsmittel. Es oxidiert HI und HBr (jedoch nicht HCl) zu freien Halogenen, Kohle zu CO 2 , Schwefel zu SO 2 . Diese Reaktionen werden durch die Gleichungen ausgedrückt:
8HI + H 2 SO 4 \u003d 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;
2HBr + H 2 SO 4 \u003d Br 2 + SO 2 + 2H 2 O;
C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;
S + 2H 2 SO 4 \u003d 3SO 2 + 2H 2 O.
Die Wechselwirkung von Schwefelsäure mit Metallen verläuft je nach Konzentration unterschiedlich. Verdünnte Schwefelsäure oxidiert mit ihrem Wasserstoffion. Daher interagiert es nur mit solchen Metallen, die in der Spannungsreihe nur bis zu Wasserstoff liegen, zum Beispiel:
Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2.
Blei löst sich jedoch nicht in verdünnter Säure, da das resultierende PbSO 4 -Salz unlöslich ist.
Konzentrierte Schwefelsäure ist aufgrund von Schwefel (VI) ein Oxidationsmittel. Es oxidiert Metalle in der Spannungsreihe bis einschließlich Silber. Die Reduktionsprodukte können je nach Aktivität des Metalls und den Bedingungen (Säurekonzentration, Temperatur) unterschiedlich sein. Bei der Wechselwirkung mit niedrigaktiven Metallen wie Kupfer wird die Säure zu SO 2 reduziert:
Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.
Bei der Wechselwirkung mit aktiveren Metallen können Reduktionsprodukte sowohl Dioxid als auch freier Schwefel und Schwefelwasserstoff sein. Bei der Interaktion mit Zink können beispielsweise folgende Reaktionen auftreten:
Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;
4Zn + 5H 2 SO 4 \u003d 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.
Die Verwendung von Schwefelsäure
Die Verwendung von Schwefelsäure variiert von Land zu Land und von Jahrzehnt zu Jahrzehnt. So ist beispielsweise in den USA der Hauptbereich des H 2 SO 4-Verbrauchs die Düngemittelproduktion (70 %), gefolgt von der chemischen Produktion, Metallurgie und Ölraffinierung (~5 % in jedem Bereich). Im Vereinigten Königreich ist die Verteilung des Verbrauchs nach Industrie unterschiedlich: Nur 30 % des produzierten H 2 SO 4 werden für die Herstellung von Düngemitteln verwendet, aber 18 % gehen an Farben, Pigmente und Farbstoffzwischenprodukte, 16 % an die chemische Produktion, 12 % an zu Seife und Waschmitteln, 10 % zur Herstellung von Natur- und Kunstfasern und 2,5 % werden in der Metallurgie verwendet.
Beispiele für Problemlösungen
BEISPIEL 1
| Übung | Bestimmen Sie die Masse an Schwefelsäure, die aus einer Tonne Pyrit gewonnen werden kann, wenn die Ausbeute an Schwefeloxid (IV) bei der Röstreaktion 90 % und an Schwefeloxid (VI) bei der katalytischen Oxidation von Schwefel (IV) 95 % beträgt des Theoretischen. |
| Lösung | Schreiben wir die Reaktionsgleichung für das Pyritbrennen: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2. Berechnen Sie die Menge an Pyrit: n(FeS 2) = m(FeS 2) / M(FeS 2); M (FeS 2) = Ar (Fe) + 2 × Ar (S) = 56 + 2 × 32 = 120 g/mol; n (FeS 2) = 1000 kg / 120 = 8,33 kmol. Da in der Reaktionsgleichung der Koeffizient für Schwefeldioxid doppelt so groß ist wie der Koeffizient für FeS 2, beträgt die theoretisch mögliche Menge an Schwefeloxid (IV)-Substanz: n (SO 2) theoretisch = 2 × n (FeS 2) = 2 × 8,33 = 16,66 kmol. Und praktisch beträgt die erhaltene Molmenge Schwefeloxid (IV): n (SO 2) pract = η × n (SO 2) theor = 0,9 × 16,66 = 15 kmol. Schreiben wir die Reaktionsgleichung für die Oxidation von Schwefeloxid (IV) zu Schwefeloxid (VI): 2SO 2 + O 2 \u003d 2SO 3. Die theoretisch mögliche Menge an Schwefeloxid (VI) beträgt: n(SO 3) theoretisch = n (SO 2) praktisch = 15 kmol. Und praktisch beträgt die erhaltene Molmenge Schwefeloxid (VI): n(SO 3) pract = η × n (SO 3) theor = 0,5 × 15 = 14,25 kmol. Wir schreiben die Reaktionsgleichung für die Herstellung von Schwefelsäure: SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4. Finden Sie die Menge an Schwefelsäure: n (H 2 SO 4) = n (SO 3) prakt = 14,25 kmol. Die Reaktionsausbeute beträgt 100 %. Die Masse der Schwefelsäure beträgt: m (H 2 SO 4) \u003d n (H 2 SO 4) × M (H 2 SO 4); M(H 2 SO 4) = 2×Ar(H) + Ar(S) + 4×Ar(O) = 2×1 + 32 + 4×16 = 98 g/mol; m (H 2 SO 4) \u003d 14,25 × 98 \u003d 1397 kg. |
| Antworten | Die Masse der Schwefelsäure beträgt 1397 kg |
SCHWEFELSÄURE H 2 SO 4 , Molekulargewicht 98,082; farblos geruchlose ölige Flüssigkeit. Sehr starke zweibasige Säure, bei 18°C pK a 1 - 2,8, K 2 1,2 · 10 -2, pK a 2 l,92; Bindungslängen im Molekül S=O 0,143 nm, S-OH 0,154 nm, Winkel HOSOH 104°, OSO 119°; siedet mit verschiedenen und bildet ein azeotropes Gemisch (98,3 % H 2 SO 4 und 1,7 % H 2 O mit einem Siedepunkt von 338,8 °C; siehe auch Tabelle 1). SCHWEFELSÄURE, entsprechend 100 % H 2 SO 4-Gehalt, hat die Zusammensetzung (%): H 2 SO 4 99,5, 0,18, 0,14, H 3 O + 0,09, H 2 S 2 O 7 0,04, HS 2 O 7 0,05. Mit Wasser und SO 3 in jedem Verhältnis mischbar. In wässrigen Lösungen wird SCHWEFELSÄURE fast vollständig in H + , und dissoziiert. Bildet Hydrate H 2 SO 4 nH 2 O, wobei n = 1, 2, 3, 4 und 6,5.
SO 3-Lösungen in SCHWEFELSÄURE werden Oleum genannt, sie bilden zwei Verbindungen H 2 SO 4 SO 3 und H 2 SO 4 2SO 3. Oleum enthält auch Pyroschwefelsäure, die durch die Reaktion erhalten wird: H 2 SO 4 + + SO 3: H 2 S 2 O 7.
Der Siedepunkt wässriger Lösungen von SCHWEFELSÄURE steigt mit zunehmender Konzentration an und erreicht ein Maximum bei einem Gehalt von 98,3 % H 2 SO 4 (Tabelle 2). Der Siedepunkt von Oleum sinkt mit steigendem SO 3 -Gehalt. Mit zunehmender Konzentration wässriger Schwefelsäurelösungen nimmt der Gesamtdampfdruck über den Lösungen ab und erreicht bei einem Gehalt von 98,3 % H 2 SO 4 ein Minimum. Mit zunehmender SO 3 -Konzentration im Oleum steigt der Gesamtdampfdruck darüber. Der Dampfdruck über wässrigen Lösungen von SCHWEFELSÄURE c. und Oleum kann durch die Gleichung berechnet werden: lgp (Pa) \u003d A - B / T + 2,126, die Werte der Koeffizienten A und B hängen davon ab Konzentration von SCHWEFELSÄURE c. Dampf über wässrigen Lösungen von SCHWEFELSÄURE c. besteht aus einer Mischung von Wasserdampf, H 2 SO 4 und SO 3, wobei sich die Zusammensetzung des Dampfes bei allen Konzentrationen von SCHWEFELSÄURE von der Zusammensetzung der Flüssigkeit unterscheidet c., mit Ausnahme der entsprechenden azeotropen Mischung.
Mit steigender Temperatur nimmt die Dissoziation von H 2 SO 4 H 2 O + SO 3 - Q zu, die Gleichung für die Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstante lnК p = 14,74965 - 6,71464ln (298 / T) - 8, 10161 · 10 4 T 2 -9643,04 /T-9,4577 10 -3 T+2,19062 x 10 -6 T 2 . Bei Normaldruck beträgt der Dissoziationsgrad: 10 -5 (373 K), 2,5 (473 K), 27,1 (573 K), 69,1 (673 K). Die Dichte von 100 % SCHWEFELSÄURE kann durch die Gleichung bestimmt werden: d = 1,8517 - - 1,1 10 -3 t + 2 10 -6 t 2 g / cm 3. Mit zunehmender Konzentration von SCHWEFELSÄURE-Lösungen nimmt deren Wärmekapazität ab und erreicht bei 100 % SCHWEFELSÄURE ein Minimum, während die Wärmekapazität von Oleum mit steigendem SO 3 -Gehalt zunimmt.
Mit steigender Konzentration und sinkender Temperatur nimmt die Wärmeleitfähigkeit l ab: l = 0,518 + 0,0016t – (0,25 + + t / 1293) C / 100, wobei C die Konzentration von SCHWEFELSÄURE c. in % ist . Max. Viskosität hat Oleum H 2 SO 4 SO 3, mit steigender Temperatur h nimmt ab. Elektrisch Die Beständigkeit von SCHWEFELSÄURE gegenüber ist bei einer Konzentration von 30 und 92 % H 2 SO 4 minimal und bei einer Konzentration von 84 und 99,8 % H 2 SO 4 maximal. Für Oleum min. r bei einer Konzentration von 10 % SO 3 . Mit steigender Temperatur nimmt r SCHWEFELSÄURE zu. Dielektrikum Durchlässigkeit 100 % SCHWEFELSÄURE Raum 101 (298,15 K), 122 (281,15 K); kryoskopisch konstant 6,12, ebulioskopisch. konstant 5,33; Dampfdiffusionskoeffizient SCHWEFELSÄURE in der Luft ändert sich mit der Temperatur; D \u003d 1,67 · 10 -5 T 3/2 cm 2 / s.
SCHWEFELSÄURE ist ein ziemlich starkes Oxidationsmittel, insbesondere beim Erhitzen; oxidiert HI und teilweise HBr zu freien Halogenen, Kohlenstoff zu CO 2, S zu SO 2, oxidiert viele Metalle (Cu, Hg usw.). In diesem Fall wird SCHWEFELSÄURE zu SO 2 reduziert und die stärksten Reduktionsmittel werden zu S und H 2 S reduziert. Konz. H 2 SO 4 wird teilweise durch H 2 reduziert, weshalb es nicht zur Trocknung verwendet werden kann. Diff. H 2 SO 4 Wechselwirkung mit allen Metallen, die in der elektrochemischen Spannungsreihe links von Wasserstoff stehen, unter Freisetzung von H 2 . Oxidieren Eigenschaften für verdünntes H 2 SO 4 sind uncharakteristisch. SCHWEFELSÄURE ergibt zwei Salzreihen: mittlere Sulfate und saure Hydrosulfate (siehe Anorganische Sulfate) sowie Ether (siehe Organische Sulfate). Peroxomonoschwefelsäure (Caro-Säure) H 2 SO 5 und Peroxodischwefelsäure H 2 S 2 O 8 sind bekannt (siehe Schwefel).
Erhalt. Die Rohstoffe zur Gewinnung von SCHWEFELSÄURE sind: S, Metallsulfide, H 2 S, Abgase aus Wärmekraftwerken, Sulfate von Fe, Ca usw. Hauptsächlich. Stufen zur Gewinnung von SCHWEFELSÄURE k.: 1) Rösten der Rohstoffe zur Gewinnung von SO 2 ; 2) Oxidation von SO 2 zu SO 3 (Umwandlung); 3) SO 3 -Absorption. In der Industrie werden zwei Methoden zur Gewinnung von Schwefelsäure verwendet, die sich in der Art der Oxidation von SO 2 unterscheiden: Kontakt mit festen Katalysatoren (Kontakten) und Lachgas mit Stickoxiden. Um SCHWEFELSÄURE im Kontaktverfahren zu gewinnen, verwenden moderne Anlagen Vanadiumkatalysatoren, die Pt- und Fe-Oxide verdrängt haben. Reines V 2 O 5 hat eine schwache katalytische Aktivität, die in Gegenwart von Alkalimetallsalzen stark zunimmt, wobei K-Salze den größten Einfluss haben. 7 V 2 O 5 und K 2 S 2 O 7 V 2 O 5 , zerfallen bei 315 -330, 365-380 bzw. 400-405 °C). Die katalysierte aktive Komponente befindet sich in geschmolzenem Zustand.
Das Schema für die Oxidation von SO 2 zu SO 3 lässt sich wie folgt darstellen:
In der ersten Stufe wird das Gleichgewicht erreicht, die zweite Stufe ist langsam und bestimmt die Geschwindigkeit des Prozesses.
Die Herstellung von SCHWEFELSÄURE aus Schwefel nach der Methode des Doppelkontakts und der Doppelabsorption (Abb. 1) besteht aus den folgenden Schritten. Die von Staub gereinigte Luft wird über ein Gasgebläse dem Trockenturm zugeführt, wo sie mit 93-98 %iger SCHWEFELSÄURE auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 0,01 Vol.-% getrocknet wird. Die getrocknete Luft gelangt nach Vorwärmung in den Schwefelofen. Erwärmung in einem der Wärmetauscher der Kontakteinheit. Der Ofen verbrennt durch Düsen zugeführten Schwefel: S + O 2 : SO 2 + + 297,028 kJ. Das 10–14 Vol.-% SO 2 enthaltende Gas wird im Kessel abgekühlt und gelangt nach Verdünnung mit Luft auf einen SO 2 -Gehalt von 9–10 Vol.-% bei 420 °C in den Kontaktapparat für die erste Konvertierungsstufe , das auf drei Katalysatorschichten (SO 2 + V 2 O 2 : : SO 3 + 96,296 kJ) abläuft, wonach das Gas in Wärmetauschern abgekühlt wird. Dann gelangt das Gas mit 8,5–9,5 % SO 3 bei 200 °C in die erste Absorptionsstufe in den Absorber, bewässert mit Oleum und 98 % SCHWEFELSÄURE zu .: SO 3 + H 2 O: H 2 SO 4 + + 130,56 kJ . Anschließend wird das Gas von Schwefelsäurespritzern gereinigt, auf 420 °C erhitzt und gelangt in die zweite Konvertierungsstufe, die auf zwei Katalysatorschichten stattfindet. Vor der zweiten Absorptionsstufe wird das Gas im Economizer abgekühlt und in den Absorber der zweiten Stufe eingespeist, mit 98 %iger SCHWEFELSÄURE gespült und anschließend, von Spritzern befreit, in die Atmosphäre abgegeben. 
Reis. 1. Schema zur Herstellung von Schwefelsäure aus Schwefel: 1-Schwefelofen; 2-Wärmerückgewinnungskessel; 3 - Economizer; 4-Starter-Feuerraum; 5, 6-Wärmetauscher des Startofens; 7-poliges Gerät; 8-Wärmetauscher; 9-Oleum-Absorber; 10 Trockenturm; 11 und 12 jeweils der erste und der zweite Monohydratabsorber; 13-Säuresammler.
Abb.2. Schema zur Herstellung von Schwefelsäure aus Pyrit: 1-Schalen-Zuführung; 2-Ofen; 3-Wärmerückgewinnungskessel; 4-Zyklone; 5-Elektrofilter; 6 Waschtürme; 7-Nass-Elektrofilter; 8 Blasturm; 9-Trockenturm; 10-Spritzfalle; 11-erster Monohydrat-Absorber; 12-Wärmeaustausch-Wiki; 13 - Kontaktgerät; 14-Oleum-Absorber; 15 zweiter Monohydrat-Absorber; 16 Kühlschränke; 17 Sammlungen.
Reis. 3. Schema zur Herstellung von Schwefelsäure nach der salpetrigen Methode: 1 - Denitratz. Turm; 2, 3 – erstes und zweites Produkt. Türme; 4-oxidieren. Turm; 5, 6, 7-absorbierend. Türme; 8 - Elektrofilter.
Die Herstellung von SCHWEFELSÄURE aus Metallsulfiden (Abb. 2) ist wesentlich aufwendiger und besteht aus folgenden Arbeitsgängen. Das Rösten von FeS 2 erfolgt in einem Luftwirbelschichtofen: 4FeS 2 + 11O 2: 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476 kJ. Röstgas mit einem SO 2 -Gehalt von 13–14 % und einer Temperatur von 900 °C gelangt in den Kessel, wo es auf 450 °C abgekühlt wird. Die Staubentfernung erfolgt in einem Zyklon und einem Elektrofilter. Anschließend durchläuft das Gas zwei Waschtürme, die mit 40 %iger und 10 %iger SCHWEFELSÄURE gespült werden. Gleichzeitig wird das Gas abschließend von Staub, Fluor und Arsen gereinigt. Für die Gasreinigung aus in Waschtürmen gebildetem SCHWEFELSÄURE-Aerosol sind zwei Stufen von Nasselektrofiltern vorgesehen. Nach der Trocknung in einem Trockenturm, bevor das Gas auf einen Gehalt von 9 % SO 2 verdünnt wird, wird es über ein Gebläse der ersten Konvertierungsstufe (3 Katalysatorbetten) zugeführt. In Wärmetauschern wird das Gas aufgrund der Wärme des Gases aus der ersten Stufe der Umwandlung auf bis zu 420 °C erhitzt. SO 2 wird zu 92–95 % in SO 3 oxidiert und gelangt in die erste Absorptionsstufe in Oleum- und Monohydratabsorbern, wo es aus SO 3 freigesetzt wird. Anschließend gelangt das Gas mit einem SO 2 ~ 0,5 %-Gehalt in die zweite Konvertierungsstufe, die auf einer oder zwei Katalysatorschichten erfolgt. Durch die Wärme der Gase aus der zweiten Katalysestufe wird das Gas vorab in einer weiteren Gruppe von Wärmetauschern auf bis zu 420 °C erhitzt. Nach der Abtrennung von SO 3 in der zweiten Absorptionsstufe wird das Gas in die Atmosphäre abgegeben.
Der Umwandlungsgrad von SO 2 zu SO 3 im Kontaktverfahren beträgt 99,7 %, der Absorptionsgrad von SO 3 beträgt 99,97 %. Die Herstellung von SCHWEFELSÄURE erfolgt ebenfalls in einer Katalysestufe, wobei der Umwandlungsgrad von SO 2 zu SO 3 98,5 % nicht überschreitet. Vor der Freisetzung in die Atmosphäre wird das Gas vom restlichen SO 2 gereinigt (siehe Gasreinigung). Die Produktivität moderner Anlagen beträgt 1500-3100 Tonnen/Tag.
Der Kern der Nitrose-Methode (Abb. 3) besteht darin, dass das Röstgas nach dem Abkühlen und Entstauben mit dem sogenannten Nitrose-C behandelt wird. zu., in dem sol. Stickoxide. SO 2 wird von Nitrose absorbiert und dann oxidiert: SO 2 + N 2 O 3 + H 2 O: H 2 SO 4 + NO. Das dabei entstehende NO ist in Nitrose schwer löslich, wird aus dieser freigesetzt und dann in der Gasphase durch Sauerstoff teilweise zu NO 2 oxidiert. Das Gemisch aus NO und NO 2 wird durch SCHWEFELSÄURE resorbiert. usw. Stickoxide werden im Lachgasprozess nicht verbraucht und in die Produktion zurückgeführt. Kreislauf, aufgrund der unvollständigen Absorption ihrer SCHWEFELSÄURE. Sie werden teilweise von den Abgasen mitgerissen. Vorteile der Lachgasmethode: Einfachheit des Hardware-Designs, geringere Kosten (10-15 % niedriger als bei der Kontaktmethode), Möglichkeit einer 100 % SO 2 -Verarbeitung.
Die Instrumentierung des Lachgas-Prozesses im Turm ist einfach: SO 2 wird in 7–8 mit Keramik ausgekleideten Türmen verarbeitet. Düse, einer der Türme (hohl) ist ein einstellbares Oxidationsmittel. Volumen. Die Türme verfügen über Säuresammler, Kühlschränke und Pumpen, die Drucktanks über den Türmen mit Säure versorgen. Vor den letzten beiden Türmen ist ein Heckventilator installiert. Ein Elektrofilter dient zur Reinigung des Gases vom Aerosol der SCHWEFELSÄURE. Die für den Prozess benötigten Stickoxide werden aus HNO 3 gewonnen. Um den Ausstoß von Stickoxiden in die Atmosphäre zu reduzieren und eine 100-prozentige SO 2 -Verarbeitung zu gewährleisten, ist zwischen der Produktions- und der Absorptionszone ein stickstofffreier SO 2 -Verarbeitungszyklus in Kombination mit einem Wasser-Säure-Verfahren zum tiefen Einfangen von Stickoxiden installiert. Der Nachteil der Lachgasmethode ist die geringe Qualität der Produkte: Die Konzentration an SCHWEFELSÄURE beträgt 75 %, das Vorhandensein von Stickoxiden, Fe und anderen Verunreinigungen.
Um die Möglichkeit der Kristallisation von SCHWEFELSÄURE während des Transports und der Lagerung zu verringern, wurden Standards für handelsübliche SCHWEFELSÄURE-Qualitäten festgelegt, deren Konzentration den niedrigsten Kristallisationstemperaturen entspricht. Inhalt SCHWEFELSÄURE c. in tech. Gehalte (%): Turm (nitros) 75, Kontakt 92,5–98,0, Oleum 104,5, hochprozentiges Oleum 114,6, Batterie 92–94. Die Lagerung von SCHWEFELSÄURE erfolgt in Stahltanks mit einem Volumen von bis zu 5000 m 3, deren Gesamtkapazität im Lager auf eine Produktion von zehn Tagen ausgelegt ist. Oleum und SCHWEFELSÄURE werden in Stahltanks der Eisenbahn transportiert. Konz. und Batterie-Schwefelsäure werden in säurebeständigen Stahltanks transportiert. Tanks für den Transport von Oleum werden mit einer Wärmedämmung abgedeckt und das Oleum wird vor dem Befüllen erhitzt.
Die Bestimmung von SCHWEFELSÄURE erfolgt kolorimetrisch und photometrisch, in Form einer Suspension von BaSO 4 – sowohl phototurbidimetrisch als auch coulometrisch. Methode.
Anwendung. SCHWEFELSÄURE wird bei der Herstellung von Mineraldüngern, als Elektrolyt in Bleibatterien, zur Herstellung verschiedener Mineralsäuren und -salze, Chemiefasern, Farbstoffen, rauchbildenden Stoffen und Sprengstoffen, in der Öl-, Metall-, Textil-, Leder-, und andere Branchen. Es wird beim Abschlussball verwendet. organische Synthese in Dehydratisierungsreaktionen (Gewinnung von Diethylether, Estern), Hydratisierung (Ethanol aus Ethylen), Sulfonierung (synthetische Waschmittel und Zwischenprodukte bei der Herstellung von Farbstoffen), Alkylierung (Gewinnung von Isooctan, Polyethylenglykol, Caprolactam) usw. Die Der größte Verbraucher von SCHWEFELSÄURE ist die Herstellung von Mineraldüngern. Für 1 Tonne P 2 O 5-Phosphatdünger werden 2,2-3,4 Tonnen SCHWEFELSÄURE verbraucht, für 1 Tonne (NH 4) 2 SO 4 -0,75 Tonnen SCHWEFELSÄURE. Daher werden in der Regel Schwefelsäureanlagen eingebaut ein Komplex mit Fabriken zur Herstellung von Mineraldüngern. Die weltweite Produktion von SCHWEFELSÄURE erreichte 1987 152 Millionen Tonnen.
SCHWEFELSÄURE und Oleum sind äußerst aggressive Stoffe, die die Atemwege, die Haut, die Schleimhäute angreifen, Atembeschwerden, Husten, häufig Kehlkopfentzündung, Tracheitis, Bronchitis usw. verursachen. Aerosol MPC SCHWEFELSÄURE bis. in der Luft des Arbeitsbereichs 1, 0 mg / m 3, in atm. Luft 0,3 mg/m 3 (maximal einzeln) und 0,1 mg/m 3 (Tagesmittel). Die gesundheitsschädliche Konzentration von Schwefelsäuredämpfen beträgt 0,008 mg/l (Einwirkung 60 Minuten), tödlich 0,18 mg/l (60 Minuten). Gefahrenklasse 2. Aerosolschwefelsäure kann durch chemische und metallurgische Emissionen in der Atmosphäre entstehen. Industrien enthalten S-Oxide und fallen als saurer Regen aus.
Literatur: Handbuch der Schwefelsäure, hrsg. K. M. Malina, 2. Aufl., M., 1971; Amelin A.G., Technologie der Schwefelsäure, 2. Aufl., M., 1983; Vasiliev B.T., Otvagina M.I., Technologie der Schwefelsäure, M., 1985. Yu.V. Filatow.
Chemische Enzyklopädie. Band 4 >>