Väävelhape H2SO4, molaarmass 98,082; värvitu õline, lõhnatu. Väga tugev dihape, temperatuuril 18°C p K a 1 - 2,8, K 2 1,2 10 -2, pK a 2 1,92; sideme pikkused S=O 0,143 nm, S-OH 0,154 nm, nurk HOSOH 104°, OSO 119°; keeb koos lagunemisega, moodustades (98,3% H 2 SO 4 ja 1,7% H 2 O keemistemperatuuriga 338,8 ° C; vt ka tabel 1). Väävelhape, mis vastab 100% H 2 SO 4 sisaldusele, on koostisega (%): 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%. Seguneb kõigis vahekordades SO 3-ga. Vesilahustes väävelhape dissotsieerub peaaegu täielikult H +, HSO 4- ja SO 4 2-. Moodustab H 2 SO 4 · n H 2 O, kus n=1, 2, 3, 4 ja 6,5.
SO 3 lahuseid väävelhappes nimetatakse oleumiks, need moodustavad kaks ühendit H 2 SO 4 SO 3 ja H 2 SO 4 2SO 3. Oleum sisaldab ka püroväävelhapet, mis saadakse reaktsioonil: H 2 SO 4 + SO 3 =H 2 S 2 O 7 .
Väävelhappe saamine
Tooraine kättesaamiseks väävelhape toimivad kui: S, metallisulfiidid, H 2 S, soojuselektrijaamade jäätmed, Fe, Ca sulfaadid jne. Peamised saamise etapid väävelhape: 1) tooraine SO 2 saamiseks; 2) SO 2 SO 3-ks (muundamine); 3) SO3. Tööstuses kasutatakse saamiseks kahte meetodit väävelhape, mis erineb SO 2 oksüdeerimise viisist - kontakt tahkete katalüsaatorite (kontaktide) abil ja lämmastikoksiidiga - lämmastikoksiididega. Saamise eest väävelhape Kontaktmeetodis kasutavad kaasaegsed tehased vanaadiumkatalüsaatoreid, mis on välja tõrjunud Pt ja Fe oksiidid. Puhtal V 2 O 5 on nõrk katalüütiline aktiivsus, mis leelismetallide juuresolekul järsult suureneb, kusjuures kõige suurem mõju on K-sooladel 7 V 2 O 5 ja K 2 S 2 O 7 V 2 O 5 lagunevad temperatuuril 315-330 °C , vastavalt 365-380 ja 400-405 °C). Katalüüsitav aktiivne komponent on sulas olekus.
SO2 oksüdeerimise skeemi SO3-ks võib esitada järgmiselt:
Esimeses etapis saavutatakse tasakaal, teine etapp on aeglane ja määrab protsessi kiiruse.
Tootmine väävelhape väävlist topeltkontakti ja topeltabsorptsiooni meetodil (joon. 1) koosneb järgmistest etappidest. Õhk pärast tolmust puhastamist juhitakse gaasipuhuri abil kuivatustorni, kus see kuivatatakse 93-98%. väävelhape niiskusesisalduseni 0,01 mahuprotsenti. Kuivatatud õhk siseneb väävelahju pärast eelkuumutamist ühes kontaktseadme soojusvahetis. Ahjus põletatakse düüsidega tarnitavat väävlit: S + O 2 = SO 2 + 297,028 kJ. 10-14 mahuprotsenti SO 2 sisaldav gaas jahutatakse katlas ja pärast õhuga lahjendamist SO 2 sisalduseni 9-10 mahuprotsenti 420°C juures siseneb konversiooni esimeseks etapiks kontaktaparaati, mis kulgeb kolmel katalüsaatorikihil (SO 2 + V 2 O 2 = SO 3 + 96,296 kJ), misjärel gaas jahutatakse soojusvahetites. Seejärel siseneb gaas, mis sisaldab 8,5-9,5% SO 3 200°C juures, absorberisse esimesse neeldumisfaasi, niisutatakse ja 98% väävelhape: SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 + 130,56 kJ. Seejärel pihustatakse gaasi. väävelhape, kuumutatakse temperatuurini 420 °C ja siseneb konversiooni teise etappi, voolates kahel katalüsaatorikihil. Enne teist absorptsioonietappi jahutatakse gaas ökonomaiseris ja juhitakse teise astme absorberisse, mida niisutatakse 98% väävelhape ja seejärel, pärast pritsmetest puhastamist, lastakse see atmosfääri.
1 - väävliahi; 2 - heitsoojuskatel; 3 - ökonomaiser; 4 - käivitusahi; 5, 6 - käivitusahju soojusvahetid; 7 - kontaktseade; 8 - soojusvahetid; 9 - oleumi absorbeerija; 10 - kuivatustorn; 11 ja 12, vastavalt esimene ja teine monohüdraadi absorbeerija; 13 - happekollektorid.
1 - plaadisöötur; 2 - ahi; 3 - heitsoojuskatel; 4 - tsüklonid; 5 - elektrostaatilised filtrid; 6 - pesutornid; 7 - märjad elektrostaatilised filtrid; 8 - puhutorn; 9 - kuivatustorn; 10 - pihustuspüüdur; 11 - esimene monohüdraadi absorbeerija; 12 - soojusvahetid; 13 - kontaktseade; 14 - oleumi neelduja; 15 - teine monohüdraadi absorbeerija; 16 - külmikud; 17 - kollektsioonid.
1 - denitreerimistorn; 2, 3 - esimene ja teine tootmistorn; 4 - oksüdatsioonitorn; 5, 6, 7 - absorptsioonitornid; 8 - elektrostaatilised filtrid.
Tootmine väävelhape metallisulfiididest (joon. 2) on palju keerulisem ja koosneb järgmistest toimingutest. FeS 2 röstimine toimub õhkpuhastusega keevkihtahjus: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476 kJ. 13-14% SO 2 sisaldav röstigaas, mille temperatuur on 900°C, siseneb katlasse, kus see jahutatakse temperatuurini 450°C. Tolmu eemaldamine toimub tsüklonis ja elektrostaatilises filtris. Järgmisena läbib gaas kahte pesutorni, mida niisutatakse 40% ja 10% väävelhape. Samal ajal puhastatakse gaas lõpuks tolmust, fluorist ja arseenist. Gaasi puhastamiseks aerosoolist väävelhape moodustatud pesutornides on ette nähtud kaks märja elektrostaatilist filtrit. Pärast kuivatamist kuivatustornis, enne mida gaas lahjendatakse 9% SO 2 sisalduseni, juhitakse see puhuri abil esimesse konversioonifaasi (3 katalüsaatorikihti). Soojusvahetites soojendatakse gaas temperatuurini 420°C esimesest muundamise etapist tuleva gaasi soojuse tõttu. SO 2 , mis on oksüdeeritud SO 3-s 92-95%-ni, läheb oleumi ja monohüdraadi absorbeerijates absorptsiooni esimesse etappi, kus see vabaneb SO 3 -st. Järgmisena siseneb SO 2 ~ 0,5% sisaldav gaas teise konversioonietappi, mis toimub ühel või kahel katalüsaatorikihil. Gaas kuumutatakse eelnevalt teises soojusvahetite rühmas kuni 420 °C katalüüsi teisest etapist tuleva gaaside soojuse tõttu. Pärast SO 3 eraldamist absorptsiooni teises etapis vabaneb gaas atmosfääri.
SO 2 konversiooni määr SO 3-ks kontaktmeetodil on 99,7%, SO 3 neeldumisaste 99,97%. Tootmine väävelhape viiakse läbi ühes katalüüsi etapis, samas kui SO 2 konversiooniaste SO 3 -ks ei ületa 98,5%. Enne atmosfääri pääsemist puhastatakse gaas järelejäänud SO 2 -st (vt.). Kaasaegsete tehaste tootlikkus on 1500-3100 tonni/ööpäevas.
Lämmastikmeetodi (joonis 3) olemus seisneb selles, et röstgaas töödeldakse pärast jahutamist ja tolmust puhastamist nn nitroosiga - väävelhape milles on lahustunud lämmastikoksiidid. Nitroos absorbeerib SO 2 ja seejärel oksüdeerub: SO 2 + N 2 O 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 + NO. Saadud NO lahustub halvasti nitroosis ja eraldub sellest ning seejärel oksüdeerub osaliselt hapniku toimel gaasifaasis NO 2 -ks. NO ja NO 2 segu reabsorbeeritakse väävelhape jne. Lämmastikoksiide ei tarbita lämmastikprotsessis ja need suunatakse tagasi tootmistsüklisse nende mittetäieliku imendumise tõttu. väävelhape heitgaasid kannavad need osaliselt ära. Lämmastikmeetodi eelised: riistvara disaini lihtsus, madalam hind (10-15% madalam kui kontaktis), 100% SO 2 töötlemise võimalus.
Torni lämmastikuprotsessi mõõteriistad on lihtsad: SO 2 töödeldakse 7-8 vooderdatud keraamilise tihendiga tornis, üks tornidest (õõnes) on reguleeritava oksüdeeriva mahuga. Tornides on happekollektorid, külmikud, pumbad, mis varustavad happega tornide kohal asuvaid survepaake. Kahe viimase torni ette on paigaldatud sabaventilaator. Gaasi puhastamiseks aerosoolist väävelhape toimib elektrostaatilise filtrina. Protsessi jaoks vajalikud lämmastikoksiidid saadakse HNO 3 -st. Lämmastikoksiidide atmosfääri paiskamise ja 100% SO 2 töötlemise vähendamiseks paigaldatakse tootmis- ja absorptsioonitsoonide vahele dilämmastikuvaba SO 2 töötlemise tsükkel koos vesi-happe meetodiga lämmastikoksiidide sügavaks püüdmiseks. Lämmastikmeetodi puuduseks on toote madal kvaliteet: kontsentratsioon väävelhape 75%, lämmastikoksiidide, Fe ja muude lisandite olemasolu.
Et vähendada kristalliseerumise võimalust väävelhape transpordi ja ladustamise ajal kehtestatakse kaubanduslike klasside standardid väävelhape, mille kontsentratsioon vastab madalaimatelele. Sisu väävelhape tehnilistes klassides (%): torn (nitroos) 75, kontakt 92,5-98,0, ooleum 104,5, kõrge sisaldusega oleum 114,6, aku 92-94. väävelhape ladustatakse terasmahutites mahuga kuni 5000 m 3, nende kogumaht laos on ette nähtud kümnepäevaseks tootmiseks. Oleum ja väävelhape veetakse terasest raudteetsisternides. Kontsentreeritud ja aku väävelhape transporditakse happekindlates terasmahutites. Oleumi transportimiseks mõeldud mahutid kaetakse soojusisolatsiooniga ja ooleum kuumutatakse enne täitmist.
Määrake väävelhape kolorimeetriliselt ja fotomeetriliselt, BaSO 4 suspensiooni kujul - fototurbidimeetriliselt, samuti kulomeetrilise meetodiga.
Väävelhappe kasutamine
Väävelhapet kasutatakse mineraalväetiste tootmisel, elektrolüüdina pliiakudes, erinevate mineraalhapete ja soolade, keemiliste kiudude, värvainete, suitsu moodustavate ainete ja lõhkeained, õli-, metalli-, tekstiili-, naha- ja muudes tööstusharudes. Seda kasutatakse tööstuslikus orgaanilises sünteesis dehüdratsioonireaktsioonides (dietüüleetri, estrite saamine), hüdraatimisel (etüleenist etanool), sulfoneerimisel (ja värvainete tootmise vaheproduktid), alküülimisel (isooktaani, polüetüleenglükooli, kaprolaktaami saamine) jne. Suurim tarbija väävelhape- mineraalväetiste tootmine. 1 tonni P 2 O 5 fosfaatväetiste kohta kulub 2,2-3,4 tonni väävelhape, ja 1 t (NH 4) 2 SO 4 puhul - 0,75 t väävelhape. Seetõttu kiputakse väävelhappetehaseid ehitama koos mineraalväetiste tootmise tehastega. Maailma toodang väävelhape 1987. aastal jõudis see 152 miljoni tonnini.
Väävelhape ja oleum - äärmiselt agressiivsed ained, mis mõjutavad hingamisteid, nahka, limaskesti, põhjustavad hingamisraskusi, köha, sageli - larüngiiti, trahheiiti, bronhiiti jne. Väävelhappe aerosooli MPC õhus tööpiirkond 1,0 mg / m 3, atmosfääris 0,3 mg / m 3 (maksimaalselt ühekordne) ja 0,1 mg / m 3 (päeva keskmine). Aurude silmatorkav kontsentratsioon väävelhape 0,008 mg/l (60 min kokkupuude), surmav 0,18 mg/l (60 min). Ohuklass 2. Aerosool väävelhape võivad tekkida atmosfääris S-oksiidi sisaldavate keemia- ja metallurgiatööstuse heitkoguste tagajärjel ja langeda välja happevihmadena.
füüsikalised omadused.Puhas 100% väävelhape (monohüdraat) on värvitu õline vedelik, mis tahkub +10 °C juures kristalseks massiks. Reaktiivse väävelhappe tihedus on tavaliselt 1,84 g/cm 3 ja see sisaldab umbes 95% H2SO4. See kõveneb ainult alla -20 °C.
Monohüdraadi sulamistemperatuur on 10,37 °C sulamissoojuse juures 10,5 kJ/mol. Normaaltingimustes on see väga viskoosne vedelik, millel on väga kõrge dielektriline konstant (e = 100 temperatuuril 25 °C). Monohüdraadi ebaoluline elektrolüütiline dissotsiatsioon toimub paralleelselt kahes suunas: [Н 3 SO 4 + ]·[НSO 4 - ] = 2 10 -4 ja [Н 3 О + ]·[НS 2 О 7 - ] = 4 10 - 5 . Selle molekulaar-ioonset koostist saab ligikaudselt iseloomustada järgmiste andmetega (%):
|
Kui lisatakse isegi väike kogus vett, muutub dissotsiatsioon valdavaks vastavalt skeemile:
H2O + H2SO4<==>H 3 O + + HSO 4 -
Keemilised omadused.
H2SO4 on tugev kahealuseline hape.
H2SO4<-->H + + HSO 4-<-->2H + + SO 4 2-
Esimene etapp (keskmiste kontsentratsioonide korral) viib 100% dissotsiatsioonini:
K 2 \u003d ( ) / \u003d 1,2 10 -2
1) Koostoime metallidega:
a) lahjendatud väävelhape lahustab ainult neid metalle, mis on pingereas vesinikust vasakul:
Zn 0 + H 2 + 1 SO 4 (rasb) --> Zn + 2 SO 4 + H 2 O
b) kontsentreeritud H 2 +6 SO 4 - tugev oksüdeerija; metallidega (välja arvatud Au, Pt) suhtlemisel saab selle redutseerida kuni S +4 O 2, S 0 või H 2 S -2 (Fe, Al, Cr ei reageeri ka kuumutamata - need on passiveeritud):
2Ag 0 + 2H 2 + 6 SO 4 --> Ag 2 + 1 SO 4 + S + 4 O 2 + 2 H 2 O
8Na 0 + 5H 2 + 6 SO 4 --> 4Na 2 + 1 SO 4 + H 2 S - 2 + 4 H 2 O
2) kontsentreeritud H 2 S +6 O 4 reageerib koos kuumutamisel mõned mittemetallid tugevate oksüdeerivate omaduste tõttu muutudes madalama oksüdatsiooniastmega väävliühenditeks (näiteks S + 4 O 2):
C0 + 2H2S +6O4 (konts.) --> C +4O2 + 2S +4O2 + 2H2O
S0 + 2H2S +6O4 (konts.) --> 3S +4O2 + 2H2O
2P0 + 5H2S +6O4 (konts.) --> 5S +4O2 + 2H3P +5O4 + 2H2O
3) aluseliste oksiididega:
CuO + H2SO4 --> CuSO4 + H2O
CuO + 2H + --> Cu 2+ + H2O
4) hüdroksiididega:
H 2 SO 4 + 2 NaOH --> Na 2 SO 4 + 2 H 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+ + 2H2O
5) vahetusreaktsioonid sooladega:
BaCl 2 + H 2 SO 4 --> BaSO 4 + 2HCl
Ba 2+ + SO 4 2- --> BaSO 4
Väävelhappe ja lahustuvate sulfaatide tuvastamiseks kasutatakse valge BaSO 4 sademe moodustumist (hapetes lahustumatu).
Monohüdraat (puhas, 100% väävelhape) on ioniseeriv lahusti, millel on happeline iseloom. Paljude metallide sulfaadid lahustuvad selles hästi (muutudes vesiniksulfaatideks), samas kui teiste hapete soolad lahustuvad reeglina ainult siis, kui neid saab solvolüüsida (muutudes vesiniksulfaatideks). Lämmastikhape käitub monohüdraadis nagu nõrk alus
HNO3 + 2H2SO4<==>H 3 O + + NO 2 + + 2 HSO 4 -
perkloor - väga nõrga happena
H 2 SO 4 + HClO 4 = H 3 SO 4 + + ClO 4 -
Fluorosulfoon- ja klorosulfoonhapped on mõnevõrra tugevamad (HSO 3 F> HSO 3 Cl> HClO 4). Monohüdraat lahustab hästi paljusid orgaanilisi aineid, mis sisaldavad aatomeid, millel on jagamata elektronpaarid (võimelised siduma prootonit). Mõned neist saab seejärel muutumatul kujul tagasi eraldada, lahjendades lahust lihtsalt veega. Monohüdraadil on kõrge krüoskoopiline konstant (6,12°) ja seda kasutatakse mõnikord molekulmasside määramise keskkonnana.
Kontsentreeritud H 2 SO 4 on üsna tugev oksüdeerija, eriti kuumutamisel (tavaliselt redutseeritakse SO 2 -ks). Näiteks oksüdeerib see HI ja osaliselt HBr (kuid mitte HCl) vabadeks halogeenideks. Samuti oksüdeerib see paljusid metalle – Cu, Hg jne (kusjuures kuld ja plaatina on H 2 SO 4 suhtes stabiilsed). Nii et koostoime vasega toimub vastavalt võrrandile:
Cu + 2 H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + SO 2 + H 2 O
Oksüdeeriva ainena toimides redutseeritakse väävelhape tavaliselt SO 2 -ks. Seda saab aga redutseerida kõige tugevamate redutseerivate ainetega S-ks ja isegi H 2 S-ks Kontsentreeritud väävelhape reageerib vesiniksulfiidiga võrrandi järgi:
H 2 SO 4 + H 2 S \u003d 2H 2 O + SO 2 + S
Tuleb märkida, et seda redutseerib osaliselt ka gaasiline vesinik ja seetõttu ei saa seda kasutada kuivatamiseks.
Riis. 13. Väävelhappe lahuste elektrijuhtivus.
Kontsentreeritud väävelhappe lahustumisega vees kaasneb oluline soojuse eraldumine (ja süsteemi kogumahu mõningane vähenemine). Monohüdraat peaaegu ei juhi elektrit. Seevastu väävelhappe vesilahused on head juhid. Nagu näha joonisel fig. 13, ligikaudu 30% happel on maksimaalne elektrijuhtivus. Kõvera miinimum vastab hüdraadile koostisega H 2 SO 4 · H 2 O.
Soojuse eraldumine monohüdraadi lahustamisel vees on (olenevalt lahuse lõppkontsentratsioonist) kuni 84 kJ/mol H 2 SO 4 . Vastupidi, segades 66% väävelhapet, mis on eelnevalt jahutatud temperatuurini 0 ° C, lumega (1: 1 massi järgi), on võimalik saavutada temperatuuri langus kuni -37 ° C.
H2SO4 vesilahuste tiheduse muutus koos selle kontsentratsiooniga (massiprotsentides) on toodud allpool:
|
|
Nagu nendest andmetest näha, on väävelhappe kontsentratsiooni tiheduse määramine üle 90 massiprotsenti. % muutub üsna ebatäpseks.
Erineva kontsentratsiooniga H 2 SO 4 lahuste veeauru rõhk erinevatel temperatuuridel on näidatud joonisel fig. 15. Väävelhape võib toimida kuivatusainena ainult seni, kuni veeauru rõhk selle lahuse kohal on väiksem kui selle osarõhk kuivatatavas gaasis.
Riis. 15. Veeauru rõhk.
Riis. 16. Keemistemperatuurid võrreldes H 2 SO 4 lahustega. H 2 SO 4 lahused.
Lahjendatud väävelhappe lahuse keetmisel destilleeritakse sellest vesi välja ja keemistemperatuur tõuseb 337 °C-ni, kui 98,3% H 2 SO 4 hakkab destilleerima (joonis 16). Vastupidi, liigne väävelanhüdriid lendub kontsentreeritumatest lahustest. Temperatuuril 337 °C keev väävelhappe aur dissotsieerub osaliselt H 2 O-ks ja SO 3 -ks, mis jahtumisel taasühendavad. Väävelhappe kõrge keemistemperatuur võimaldab seda kasutada kuumutamisel lenduvate hapete isoleerimiseks nende sooladest (näiteks HCl NaCl-st).
Kviitung.
Monohüdraati võib saada kontsentreeritud väävelhappe kristallimisel temperatuuril -10 °C.
Väävelhappe tootmine.
1. etapp. Püriidi ahi.
4FeS 2 + 11O 2 --> 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q
Protsess on heterogeenne:
1) raudpüriidi (püriit) jahvatamine
2) "keevkiht" meetod
3) 800°С; liigse kuumuse eemaldamine
4) hapniku kontsentratsiooni tõus õhus
2. etapp.Pärast puhastamist, kuivatamist ja soojusvahetust siseneb vääveldioksiid kontaktaparaati, kus see oksüdeeritakse väävelanhüdriidiks (450 ° C - 500 ° C; katalüsaator V 2 O 5):
2SO2 + O2<-->2SO3
3. etapp. Absorptsioonitorn:
nSO 3 + H 2 SO 4 (konts.) --> (H 2 SO 4 nSO 3) (oleum)
Vett ei saa kasutada udu tekkimise tõttu. Kandke keraamilised pihustid ja vastuvoolu põhimõte.
Rakendus.
Pea meeles! Väävelhape tuleb vette valada väikeste portsjonitena ja mitte vastupidi. Vastasel juhul võib tekkida äge keemiline reaktsioon, mille tagajärjel võib inimene saada tõsiseid põletushaavu.
Väävelhape on keemiatööstuse üks peamisi tooteid. See läheb mineraalväetiste (superfosfaat, ammooniumsulfaat), erinevate hapete ja soolade, ravimite ja pesuvahendite, värvainete, tehiskiudude, lõhkeainete tootmiseks. Seda kasutatakse metallurgias (maakide, näiteks uraani lagundamine), naftasaaduste puhastamiseks, kuivatusainena jne.
Praktiliselt oluline on asjaolu, et väga tugev (üle 75%) väävelhape ei mõju rauale. See võimaldab hoida ja transportida seda terasmahutites. Vastupidi, lahjendatud H 2 SO 4 lahustab rauda kergesti vesiniku vabanemisega. Oksüdeerivad omadused pole sellele üldse tüüpilised.
Tugev väävelhape imab niiskust jõuliselt ja seetõttu kasutatakse seda sageli gaaside kuivatamiseks. Paljudelt vesinikku ja hapnikku sisaldavatest orgaanilistest ainetest võtab see ära vee, mida tehnikas sageli kasutatakse. Sama (nagu ka tugeva H 2 SO 4 oksüdeerivate omadustega) on seotud selle hävitav toime taimede ja loomade kudedele. Kogemata töö käigus nahale või riietuma sattunud väävelhape tuleb koheselt rohke veega maha pesta, seejärel niisutada kahjustatud piirkonda lahjendatud ammoniaagilahusega ja loputada uuesti veega.
Puhta väävelhappe molekulid.
Joonis 1. Vesiniksidemete diagramm H 2 SO 4 kristallides.
Molekulid, mis moodustavad monohüdraadi kristalli (HO) 2 SO 2, on üksteisega ühendatud üsna tugevate (25 kJ / mol) vesiniksidemetega, nagu on skemaatiliselt näidatud joonisel fig. 1. (HO) 2 SO 2 molekulil endal on moonutatud tetraeedri struktuur, mille keskpunkti lähedal on väävliaatom, ja seda iseloomustavad järgmised parameetrid: (d (S-OH) \u003d 154 pm, PHO-S-OH \u003d 104 °, d (S \u003d O) \u003d 143 pm, ROSO \u003d 119 °. HOSO 3-s - ioon, d (S-OH) \u003d 161 ja d (SO) \u003d, 15 pm SO 4 ioonile minnes omandab 2-tetraeeder õige kuju ja parameetrid joonduvad.
Väävelhappe hüdraadid.
Väävelhappe jaoks on teada mitu kristallilist hüdraati, mille koostis on näidatud joonisel fig. 14. Neist kõige veevaesem on oksooniumisool: H 3 O + HSO 4 -. Kuna vaadeldav süsteem on väga altid ülejahtumisele, on selles tegelikult täheldatud külmumistemperatuurid palju madalamad kui sulamistemperatuurid.
Riis. 14. Sulamistemperatuurid H 2 O·H 2 SO 4 süsteemis.
Keemiatunnis õppis iga inimene happeid. Ühte neist nimetatakse väävelhappeks ja seda nimetatakse HSO 4-ks. Meie artikkel räägib sellest, millised on väävelhappe omadused.
Väävelhappe füüsikalised omadused
Puhas väävelhape ehk monohüdraat on värvitu õline vedelik, mis tahkub +10°C juures kristalseks massiks. Reaktsioonideks mõeldud väävelhape sisaldab 95% H 2 SO 4 ja selle tihedus on 1,84 g/cm 3 . 1 liiter sellist hapet kaalub 2 kg. Hape kõvastub -20°C juures. Sulamissoojus on 10,5 kJ/mol temperatuuril 10,37°C.
Kontsentreeritud väävelhappe omadused on erinevad. Näiteks selle happe lahustamisel vees eraldub hüdraatide moodustumise tõttu palju soojust (19 kcal / mol). Neid hüdraate saab lahusest eraldada madalal temperatuuril tahkel kujul.
Väävelhape on keemiatööstuses üks põhilisemaid tooteid. See on ette nähtud mineraalväetiste (ammooniumsulfaat, superfosfaat), erinevate soolade ja hapete, detergentide ja ravimid, tehiskiud, värvained, lõhkeained. Väävelhapet kasutatakse ka metallurgias (näiteks uraanimaakide lagundamiseks), naftasaaduste puhastamiseks, gaaside kuivatamiseks jne.
Väävelhappe keemilised omadused
Väävelhappe keemilised omadused on järgmised:
- Koostoime metallidega:
- lahjendatud hape lahustab ainult neid metalle, mis on pingereas vesinikust vasakul, näiteks H 2 +1 SO 4 + Zn 0 \u003d H 2 O + Zn + 2 SO 4;
- väävelhappe oksüdeerivad omadused on suurepärased. Erinevate metallidega (va Pt, Au) suhtlemisel saab selle redutseerida näiteks H 2 S -2, S +4 O 2 või S 0 -ni:
- 2H2+6S04+2Ag0 = S+4O2+Ag2+1SO4+2H20;
- 5H2+6SO4+8Na0 \u003d H2S-2 + 4Na2+1SO4+4H20;
- Kontsentreeritud hape H 2 S +6 O 4 reageerib (kuumutamisel) ka mõnede mittemetallidega, muutudes samal ajal madalama oksüdatsiooniastmega väävliühenditeks, näiteks:
- 2H2S +6O4 + C0 = 2S +4O2 + C +4O2 + 2H2O;
- 2H2S +6O4 + S0 = 3S +402 + 2H20;
- 5H2S +6O4 + 2P0 = 2H3P +5O4 + 5S +402 + 2H20;
- Aluseliste oksiididega:
- H2SO4 + CuO = CuSO4 + H2O;
- Hüdroksiididega:
- Cu(OH)2 + H2SO4 = CuSO4 + 2H2O;
- 2NaOH + H2SO4 = Na2S04 + 2H2O;
- Koostoime sooladega vahetusreaktsioonides:
- H 2SO 4 + BaCl 2 \u003d 2HCl + BaSO 4;
Selle happe ja lahustuvate sulfaatide määramiseks kasutatakse BaSO 4 moodustumist (valge sade, hapetes lahustumatu).
Monohüdraat on ioniseeriv lahusti, millel on happeline iseloom. Selles on väga hea lahustada paljude metallide sulfaate, näiteks:
- 2H 2SO 4 + HNO 3 \u003d NO 2 + + H 3 O + + 2HSO 4-;
- HClO 4 + H 2 SO 4 \u003d ClO 4 - + H 3 SO 4 +.
Kontsentreeritud hape on üsna tugev oksüdeerija, eriti kuumutamisel, näiteks 2H 2 SO 4 + Cu = SO 2 + CuSO 4 + H 2 O.
Oksüdeeriva ainena toimides redutseeritakse väävelhape tavaliselt SO 2 -ks. Kuid seda saab taandada S-ks ja isegi H 2S-ks, näiteks H 2 S + H 2 SO 4 = SO 2 + 2H 2 O + S.
Monohüdraat peaaegu ei suuda elektrit juhtida. Ja vastupidi, happe vesilahused on head juhid. Väävelhape imab tugevalt niiskust, seetõttu kasutatakse seda erinevate gaaside kuivatamiseks. Kuivatusainena toimib väävelhape seni, kuni veeauru rõhk selle lahuse kohal on väiksem kui selle rõhk kuivatatavas gaasis.
Kui keedetakse lahjendatud väävelhappe lahust, eemaldatakse sellest vesi, samal ajal kui keemistemperatuur tõuseb 337 ° C-ni, näiteks kui hakatakse destilleerima 98,3% kontsentratsiooniga väävelhapet. Seevastu kontsentreeritumatest lahustest aurustub liigne väävelanhüdriid. Temperatuuril 337 °C keev aur laguneb hape osaliselt SO 3 -ks ja H 2 O-ks, mis jahutamisel uuesti ühendatakse. Selle happe kõrge keemistemperatuur sobib kasutamiseks lenduvate hapete eraldamiseks nende sooladest kuumutamisel.
Ettevaatusabinõud hapete käitlemisel
Väävelhappe käitlemisel tuleb olla äärmiselt ettevaatlik. Selle happe kokkupuutel nahaga muutub nahk valgeks, seejärel pruunikaks ja tekib punetus. Ümbritsev kude paisub üles. Kui see hape mõne kehaosaga kokku puutub, tuleb see kiiresti veega maha pesta ja põlenud piirkonda sooda lahusega määrida.
Nüüd teate, et väävelhape, mille omadusi on hästi uuritud, on mitmesuguste tootmise ja kaevandamise jaoks lihtsalt asendamatu.
MÄÄRATLUS
veevaba väävelhape on raske viskoosne vedelik, mis on kergesti segunev veega mis tahes vahekorras: interaktsiooni iseloomustab erakordselt suur eksotermiline efekt (~880 kJ / mol lõpmatu lahjenduse korral) ja see võib põhjustada plahvatusohtlikku keemist ja segu pritsimist, kui vesi lisatakse happele; Seetõttu on nii oluline kasutada lahuste valmistamisel alati vastupidist järjekorda ning lisada hape aeglaselt ja segades vette.
Mõned väävelhappe füüsikalised omadused on toodud tabelis.
Veevaba H 2 SO 4 on tähelepanuväärne ühend, millel on ebatavaliselt kõrge dielektriline konstant ja väga kõrge elektrijuhtivus, mis on tingitud ühendi ioonilisest autodissotsiatsioonist (autoprotolüüsist), samuti prootoniülekande relee juhtivusmehhanismist, mis tagab elektrivool läbi viskoosse vedeliku koos suur hulk vesiniksidemed.
Tabel 1. Füüsikalised omadused väävelhape.
Väävelhappe saamine
Väävelhape on kõige olulisem tööstuskemikaal ja odavaim kogu maailmas toodetud hape.
Kontsentreeritud väävelhape ("vitrioolõli") saadi esmakordselt "rohelise vitriooli" FeSO 4 × nH 2 O kuumutamisel ja kulutati suurel hulgal Na2SO4 ja NaCl saamiseks.
Kaasaegses väävelhappe tootmise protsessis kasutatakse katalüsaatorit, mis koosneb vanaadium(V)oksiidist, millele on lisatud ränidioksiidi või kobediatomiidmulda kandjal kaaliumsulfaati. Vääveldioksiid SO 2 saadakse puhta väävli põletamisel või sulfiidmaagi (peamiselt püriidi või Cu, Ni ja Zn maakide) röstimisel nende metallide ekstraheerimisel. Seejärel oksüdeeritakse SO 2 trioksiidiks ja seejärel saadakse väävelhape. vees lahustuv:
S + O2 → S02 (ΔH 0 - 297 kJ/mol);
SO2 + 1/2 O2 → SO3 (ΔH 0 - 9,8 kJ/mol);
SO3 + H2O → H2SO4 (ΔH 0-130 kJ/mol).
Väävelhappe keemilised omadused
Väävelhape on tugev kahealuseline hape. Esimeses etapis dissotsieerub see madala kontsentratsiooniga lahustes peaaegu täielikult:
H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 -.
Dissotsiatsioon teisel etapil
HSO 4 - ↔H + + SO 4 2-
kasu vähemal määral. Väävelhappe dissotsiatsioonikonstant teises etapis, väljendatuna ioonide aktiivsusena, K 2 = 10 -2.
Kahealuselise happena moodustab väävelhape kahte seeriat soolasid: keskmist ja happelist. Väävelhappe keskmisi sooli nimetatakse sulfaatideks ja happesooli hüdrosulfaatideks.
Väävelhape imab ahnelt veeauru ja seetõttu kasutatakse seda sageli gaaside kuivatamiseks. Vett imamisvõime seletab ka paljude, eriti süsivesikute klassi kuuluvate orgaaniliste ainete (kiudained, suhkur jne) söestumine kontsentreeritud väävelhappega kokkupuutel. Väävelhape eemaldab süsivesikutest vesiniku ja hapniku, millest moodustub vesi ning süsinik eraldub kivisöe kujul.
Kontsentreeritud väävelhape, eriti kuum, on tugev oksüdeerija. See oksüdeerib HI ja HBr (kuid mitte HCl) vabadeks halogeenideks, söe CO 2 -ks, väävli SO 2 -ks. Neid reaktsioone väljendatakse võrranditega:
8HI + H2SO4 \u003d 4I2 + H2S + 4H2O;
2HBr + H2SO4 \u003d Br2 + SO2 + 2H20;
C + 2H 2SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2O;
S + 2H 2SO 4 \u003d 3SO 2 + 2H 2 O.
Väävelhappe koostoime metallidega kulgeb sõltuvalt selle kontsentratsioonist erinevalt. Lahjendatud väävelhape oksüdeerub oma vesinikuiooniga. Seetõttu suhtleb see ainult nende metallidega, mis on pingereas ainult kuni vesinikuni, näiteks:
Zn + H2SO4 \u003d ZnSO4 + H2.
Plii ei lahustu aga lahjendatud happes, kuna tekkiv PbSO 4 sool on lahustumatu.
Kontsentreeritud väävelhape on väävli (VI) tõttu oksüdeeriv aine. See oksüdeerib metalle pingereas kuni hõbedani (kaasa arvatud). Selle redutseerimise produktid võivad olla erinevad, olenevalt metalli aktiivsusest ja tingimustest (happe kontsentratsioon, temperatuur). Suheldes madala aktiivsusega metallidega, nagu vask, redutseeritakse hape SO2-ks:
Cu + 2H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.
Aktiivsemate metallidega suheldes võivad redutseerimisproduktideks olla nii dioksiid kui ka vaba väävel ja vesiniksulfiid. Näiteks tsingiga suhtlemisel võivad tekkida reaktsioonid:
Zn + 2H 2SO 4 \u003d ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
3Zn + 4H2SO4 = 3ZnSO4 + S↓ + 4H2O;
4Zn + 5H2SO4 \u003d 4ZnSO4 + H2S + 4H2O.
Väävelhappe kasutamine
Väävelhappe kasutamine on riigiti ja kümnenditi erinev. Näiteks USA-s on H 2 SO 4 tarbimise põhivaldkond väetiste tootmine (70%), millele järgneb keemiatootmine, metallurgia, nafta rafineerimine (igas piirkonnas ~5%). Ühendkuningriigis on tarbimise jaotus tööstuste lõikes erinev: ainult 30% toodetud H 2 SO 4 -st kasutatakse väetiste tootmiseks, kuid 18% läheb värvidele, pigmentidele ja värvainete vaheainetele, 16% keemiatootmisele, 12%. seebi ja pesuvahendite puhul 10% looduslike ja tehiskiudude tootmiseks ning 2,5% kasutatakse metallurgias.
Näited probleemide lahendamisest
NÄIDE 1
| Harjutus | Määrake väävelhappe mass, mida on võimalik saada ühest tonnist püriidist, kui vääveloksiidi (IV) saagis röstimisreaktsioonis on 90% ja vääveloksiidi (VI) saagis väävli (IV) katalüütilisel oksüdatsioonil on 95%. teoreetilisest. |
| Lahendus | Kirjutame püriidi põletamise reaktsioonivõrrandi: 4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2O 3 + 8SO 2. Arvutage püriidi aine kogus: n(FeS2) = m(FeS2)/M(FeS2); M (FeS 2) \u003d Ar (Fe) + 2 × Ar (S) = 56 + 2 × 32 = 120 g / mol; n (FeS 2) \u003d 1000 kg / 120 \u003d 8,33 kmol. Kuna reaktsioonivõrrandis on vääveldioksiidi koefitsient kaks korda suurem kui FeS 2 koefitsient, on vääveloksiidi (IV) aine teoreetiliselt võimalik kogus: n (SO 2) teooria \u003d 2 × n (FeS 2) \u003d 2 × 8,33 = 16,66 kmol. Ja praktiliselt saadud vääveloksiidi (IV) mooli kogus on: n (SO 2) praktika \u003d η × n (SO 2) teooria \u003d 0,9 × 16,66 \u003d 15 kmol. Kirjutame vääveloksiidi (IV) oksüdeerumise vääveloksiidiks (VI) reaktsioonivõrrandi: 2SO 2 + O 2 \u003d 2SO 3. Vääveloksiidi aine (VI) teoreetiliselt võimalik kogus on: n(SO 3) teooria \u003d n (SO 2) praktika \u003d 15 kmol. Ja praktiliselt saadud vääveloksiidi (VI) mooli kogus on: n(SO 3) praktika = η × n(SO 3) teooria = 0,5 × 15 = 14,25 kmol. Kirjutame väävelhappe tootmise reaktsioonivõrrandi: SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4. Leidke väävelhappe aine kogus: n (H 2 SO 4) \u003d n (SO 3) praktika \u003d 14,25 kmol. Reaktsiooni saagis on 100%. Väävelhappe mass on: m (H2SO4) = n (H2SO4) × M (H2SO4); M(H2S04) = 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 = 1397 kg. |
| Vastus | Väävelhappe mass on 1397 kg |
VÄÄVELHAPE H2S04, molekulmass 98,082; värvitu lõhnatu õline vedelik. Väga tugev kahealuseline hape, 18°C juures pK a 1 - 2,8, K 2 1,2 10 -2, pK a 2 l,92; sideme pikkused molekulis S=O 0,143 nm, S-OH 0,154 nm, nurk HOSOH 104°, OSO 119°; keeb erinevatega, moodustades aseotroopse segu (98,3% H 2 SO 4 ja 1,7% H 2 O keemistemperatuuriga 338,8 ° C; vt ka tabel 1). VÄÄVELHAPE, mis vastab 100% H 2 SO 4 sisaldusele, on koostisega (%): 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. Seguneb kõigis vahekordades vee ja SO 3 -ga. Vesilahustes dissotsieerub VÄÄVVELHAPE peaaegu täielikult H + ja . Moodustab hüdraate H 2 SO 4 nH 2 O, kus n = 1, 2, 3, 4 ja 6,5.
SO 3 lahuseid väävelhappes nimetatakse ooleumiks, need moodustavad kaks ühendit H 2 SO 4 SO 3 ja H 2 SO 4 2SO 3. Oleum sisaldab ka püroväävelhapet, mis saadakse reaktsioonil: H 2 SO 4 + + SO 3: H 2 S 2 O 7.
VÄÄVELHAPE vesilahuste keemistemperatuur tõuseb selle kontsentratsiooni suurenedes ja saavutab maksimumi 98,3% H 2 SO 4 sisaldusel (tabel 2). Ooleumi keemistemperatuur langeb SO 3 sisalduse suurenemisega. VÄÄVELHAPE vesilahuste kontsentratsiooni suurenemisega väheneb aurude üldrõhk lahustes ja 98,3% H 2 SO 4 sisaldusega jõuab miinimumini. SO 3 kontsentratsiooni suurenemisega oleumis suureneb selle kohal olev auru üldrõhk. Aururõhu VÄÄVELHAPE c ja oleumi vesilahustel saab arvutada võrrandiga: lgp (Pa) \u003d A - B / T + 2,126, koefitsientide A ja B väärtused sõltuvad VÄÄVELHAPPE kontsentratsioon c. VÄÄVELHAPPE vesilahuste kohal olev aur koosneb veeauru, H 2 SO 4 ja SO 3 segust, kusjuures auru koostis erineb vedeliku koostisest kõigil väävelhappe kontsentratsioonidel c., välja arvatud vastav aseotroopne segu.
Temperatuuri tõustes suureneb H 2 SO 4 H 2 O + SO 3 - Q dissotsiatsioon, tasakaalukonstandi temperatuurisõltuvuse võrrand 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 . Normaalrõhul dissotsiatsiooniaste: 10 -5 (373 K), 2,5 (473 K), 27,1 (573 K), 69,1 (673 K). 100% VÄÄVELHAPE tihedust saab määrata võrrandiga: d = 1,8517 - - 1,1 10 -3 t + 2 10 -6 t 2 g / cm 3. VÄÄVELHAPE lahuste kontsentratsiooni suurenemisega nende soojusmahtuvus väheneb ja jõuab 100% VÄÄVELHAPE miinimumini, samas kui oleumi soojusmahtuvus suureneb SO 3 sisalduse suurenemisega.
Kontsentratsiooni suurenemisel ja temperatuuri langusel soojusjuhtivus l väheneb: l \u003d 0,518 + 0,0016t - (0,25 + + t / 1293) C / 100, kus C on VÄÄVELHAPE kontsentratsioon c., % . Max viskoossus on oleum H 2 SO 4 SO 3, temperatuuri tõustes h väheneb. Elektriline VÄÄVELHAPE resistentsus on minimaalne kontsentratsioonil 30 ja 92% H 2 SO 4 ning maksimaalne kontsentratsioonil 84 ja 99,8% H 2 SO 4 . Oleumi jaoks min. r kontsentratsioonil 10% SO3. Temperatuuri tõusuga suureneb r VÄÄVELHAPE. Dielektriline läbilaskvus 100% VÄÄVELHAPE ruum 101 (298,15 K), 122 (281,15 K); krüoskoopiline konstant 6,12, ebulioskoopiline. konstant 5,33; auru difusioonikoefitsient VÄÄVELHAPE õhus muutub temperatuuriga; D \u003d 1,67 10 -5 T 3/2 cm 2 / s.
VÄÄVELHAPE on üsna tugev oksüdeerija, eriti kuumutamisel; oksüdeerib HI ja osaliselt HBr vabadeks halogeenideks, süsiniku CO 2-ks, S SO 2-ks, oksüdeerib palju metalle (Cu, Hg jne). Sel juhul taandatakse VÄÄVELHAPE SO 2-ks ja kõige võimsamad redutseerivad ained S ja H 2 S-ks. Konts. H 2 SO 4 redutseerub osaliselt, mistõttu ei saa seda kasutada kuivatamiseks. Diff. H 2 SO 4 interaktsioon kõigi metallidega, mis on elektrokeemilises pingereas vesinikust vasakul, koos H 2 vabanemisega. Oksüdeerida lahjendatud H 2 SO 4 omadused ei ole iseloomulikud. VÄÄVELHAPE annab kaks soolade seeriat: keskmised sulfaadid ja happelised hüdrosulfaadid (vt Anorgaanilised sulfaadid), samuti eetrid (vt orgaanilised sulfaadid). Tuntud on peroksomonoväävelhape (Caro hape) H 2 SO 5 ja peroksodiväävelhape H 2 S 2 O 8 (vt Väävel).
Kviitung. VÄÄVELHAPE saamise toorained on: S, metallisulfiidid, H 2 S, soojuselektrijaamade heitgaasid, Fe, Ca jne sulfaadid. Peamine. VÄÄVELHAPE saamise etapid k.: 1) tooraine röstimine SO 2 saamiseks; 2) SO 2 oksüdeerimine SO 3-ks (muundamine); 3) SO 3 neeldumine. Tööstuses kasutatakse VÄÄVELHAPE saamiseks kahte meetodit, mis erinevad SO 2 oksüdeerimise viisi poolest, kontakti kasutades tahkeid katalüsaatoreid (kontakte) ja lämmastikhapet lämmastikoksiididega. VÄÄVELHAPE saamiseks kontaktmeetodil kasutavad kaasaegsed tehased vanaadiumkatalüsaatoreid, mis on välja tõrjunud Pt ja Fe oksiidid. Puhtal V 2 O 5 on nõrga katalüütilise aktiivsusega, mis leelismetallisoolade juuresolekul järsult suureneb, kusjuures kõige enam mõjutavad K soolad 7 V 2 O 5 ja K 2 S 2 O 7 V 2 O 5 , lagunevad 315 °C juures vastavalt -330, 365-380 ja 400-405 °C). Katalüüsitav aktiivne komponent on sulas olekus.
SO2 oksüdeerimise skeemi SO3-ks võib esitada järgmiselt:
Esimeses etapis saavutatakse tasakaal, teine etapp on aeglane ja määrab protsessi kiiruse.
VÄÄVELHAPE tootmine väävlist topeltkontakti ja topeltabsorptsiooni meetodil (joonis 1) koosneb järgmistest etappidest. Õhk peale tolmust puhastamist juhitakse gaasipuhuriga kuivatustorni, kus see kuivatatakse 93-98% VÄÄVELHAPEGA niiskusesisalduseni 0,01 mahuprotsenti. Kuivatatud õhk siseneb väävelahju pärast eelkuumutamist. küte kontaktseadme ühes soojusvahetis. Ahjus põletatakse düüsidega tarnitavat väävlit: S + O 2 : SO 2 + + + 297,028 kJ. Gaas, mis sisaldab 10-14 mahuprotsenti SO 2, jahutatakse katlas ja pärast lahjendamist õhuga SO 2 sisalduseni 9-10 mahuprotsenti 420 °C juures siseneb see konversiooni esimeseks etapiks kontaktaparatuuri. , mis kulgeb kolmel katalüsaatorikihil (SO 2 + V 2 O 2 : : SO 3 + 96,296 kJ), misjärel gaas jahutatakse soojusvahetites. Seejärel siseneb gaas, mis sisaldab 8,5–9,5% SO 3 200 ° C juures, neeldumise esimesse faasi, mida niisutatakse oleumi ja 98% VÄÄVELHAPEGA .: SO 3 + H 2 O: H 2 SO 4 + + + 130,56 kJ . Järgmisena puhastatakse gaas VÄÄVELHAPE pritsmetest, kuumutatakse temperatuurini 420 ° C ja läheb teise konversioonietappi, mis toimub kahel katalüsaatorikihil. Enne teist absorptsioonietappi jahutatakse gaas ökonomaiseris ja juhitakse teise astme absorberisse, niisutatakse 98% VÄÄVELHAPEGA ning seejärel, pärast pritsmetest puhastamist, lastakse see atmosfääri. 
Riis. 1. Väävelhappe väävlist tootmise skeem: 1-väävelahi; 2-soojustagastusega katel; 3 - ökonomaiser; 4-käivitusega kamin; 5, 6-käivitusahju soojusvahetid; 7-pin seade; 8-soojusvahetid; 9-oleumi absorbeerija; 10 kuivatustorn; 11 ja 12, vastavalt esimene ja teine monohüdraadi absorbeerija; 13-happe koguja.
Joonis 2. Püriidist väävelhappe tootmise skeem: 1-nõusöötur; 2-ahi; 3-soojustagastusega katel; 4-tsüklonid; 5-elektrostaatilised filtrid; 6 pesutorni; 7-märjad elektrostaatilised filtrid; 8 puhutorn; 9-kuivatustorn; 10-pritsmepüüdur; 11-esimene monohüdraadi absorbeerija; 12-soojusvahetus-wiki; 13 - kontaktseade; 14-oleumi absorbeerija; 15 sekundiline monohüdraadi absorbeerija; 16 külmkappi; 17 kollektsiooni.
Riis. 3. Skeem väävelhappe tootmiseks lämmastikmeetodil: 1 - denitrats. torn; 2, 3-esimene ja teine toode. tornid; 4-oksüdeerivad. torn; 5, 6, 7-imenduvad. tornid; 8 - elektrostaatilised filtrid.
VÄÄVELHAPE tootmine metallide sulfiididest (joonis 2) on palju keerulisem ja koosneb järgmistest toimingutest. FeS 2 röstimine toimub õhkpuhastusega keevkihtahjus: 4FeS 2 + 11O 2: 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476 kJ. Röstigaas SO 2 sisaldusega 13-14%, mille temperatuur on 900 °C, siseneb katlasse, kus see jahutatakse temperatuurini 450 °C. Tolmu eemaldamine toimub tsüklonis ja elektrostaatilises filtris. Edasi liigub gaas läbi kahe pesutorni, mida niisutatakse 40% ja 10% VÄÄVELHAPEGA.Samal ajal puhastatakse gaas lõplikult tolmust, fluorist ja arseenist. Gaasi puhastamiseks pesutornides moodustunud VÄÄVELHAPE aerosoolist on ette nähtud kaks märja elektrostaatilist filtrit. Pärast kuivatamist kuivatustornis, enne mida gaas lahjendatakse 9% SO 2 sisalduseni, juhitakse see puhuri abil esimesse konversioonifaasi (3 katalüsaatorikihti). Soojusvahetites soojeneb gaas temperatuurini 420 °C konversiooni esimesest etapist tuleva gaasi soojuse tõttu. SO 2 , mis on oksüdeeritud SO 3-s 92-95%-ni, läheb oleumi ja monohüdraadi absorbeerijates absorptsiooni esimesse etappi, kus see vabaneb SO 3 -st. Järgmisena siseneb SO 2 ~ 0,5% sisaldav gaas teise konversioonietappi, mis toimub ühel või kahel katalüsaatorikihil. Gaas kuumutatakse eelnevalt teises soojusvahetite rühmas kuni 420 °C katalüüsi teisest etapist tuleva gaaside soojuse tõttu. Pärast SO 3 eraldamist absorptsiooni teises etapis vabaneb gaas atmosfääri.
SO 2 konversiooni määr SO 3-ks kontaktmeetodil on 99,7%, SO 3 neeldumisaste 99,97%. VÄÄVELHAPE tootmine toimub ka katalüüsi ühes etapis, samas kui SO 2 konversiooniaste SO 3 -ks ei ületa 98,5%. Enne atmosfääri vabastamist puhastatakse gaas ülejäänud SO 2 -st (vt Gaasi puhastamine). Kaasaegsete paigaldiste tootlikkus on 1500-3100 tonni päevas.
Nitroosmeetodi (joonis 3) olemus seisneb selles, et röstimisgaasi töödeldakse pärast jahutamist ja tolmust puhastamist nn nitroos-C-ga. to., milles sol. lämmastikoksiidid. Nitroos neelab SO 2 ja seejärel oksüdeerub: SO 2 + N 2 O 3 + H 2 O: H 2 SO 4 + NO. Saadud NO lahustub halvasti nitroosis ja eraldub sellest ning seejärel oksüdeerub osaliselt hapniku toimel gaasifaasis NO 2 -ks. NO ja NO 2 segu reabsorbeerib VÄÄVELHAPE. jne. Lämmastikoksiide ei tarbita lämmastikprotsessis ja need suunatakse tagasi tootmisse. Väävelhappe mittetäieliku imendumise tõttu heitgaasid kannavad need osaliselt ära. Lämmastikmeetodi eelised: riistvara disaini lihtsus, madalam hind (10-15% madalam kui kontaktis), 100% SO 2 töötlemise võimalus.
Tornnitreerimisprotsessi mõõteriistad on lihtsad: SO 2 töödeldakse 7-8 vooderdatud tornis keraamikaga. otsik, üks tornidest (õõnes) on reguleeritav oksüdeerija. maht. Tornides on happekollektorid, külmikud, pumbad, mis varustavad happega tornide kohal asuvaid survepaake. Kahe viimase torni ette on paigaldatud sabaventilaator. Elektrifiltri eesmärk on gaasi puhastamine VÄÄVELHAPE aerosoolist. Protsessi jaoks vajalikud lämmastikoksiidid saadakse HNO 3 -st. Lämmastikoksiidide atmosfääri paiskamise ja 100% SO 2 töötlemise vähendamiseks paigaldatakse tootmis- ja absorptsioonitsoonide vahele dilämmastikuvaba SO 2 töötlemise tsükkel koos vesi-happe meetodiga lämmastikoksiidide sügavaks püüdmiseks. Lämmastikmeetodi puuduseks on toodete madal kvaliteet: VÄÄVELHAPE kontsentratsioon on 75%, lämmastikoksiidide, Fe ja muude lisandite olemasolu.
VÄÄVELHAPE kristalliseerumise võimaluse vähendamiseks transportimisel ja ladustamisel on kehtestatud standardid VÄÄVELHAPE kaubanduslikele klassidele, mille kontsentratsioon vastab madalaimatele kristallimistemperatuuridele. Sisu VÄÄVELHAPE c. in tech. klassid (%): torn (lämmastik) 75, kontakt 92,5-98,0, ooleum 104,5, kõrge sisaldusega oleum 114,6, aku 92-94. VÄÄVELHAPPET hoitakse kuni 5000 m 3 mahuga terasmahutites, nende kogumaht laos on ette nähtud kümnepäevaseks tootmiseks. Oleum ja VÄÄVELHAPE transporditakse terasest raudteetsisternides. Konts. ja aku SULFORIC ACID to.. veetakse happekindlates terasmahutites. Oleumi transportimiseks mõeldud mahutid kaetakse soojusisolatsiooniga ja ooleum kuumutatakse enne täitmist.
VÄÄVELHAPE määratakse kolorimeetriliselt ja fotomeetriliselt, BaSO 4 suspensiooni kujul - fototurbidimeetriliselt, samuti kulomeetriliselt. meetod.
Rakendus. VÄÄVELHAPPET kasutatakse mineraalväetiste tootmisel, elektrolüüdina pliiakudes, erinevate mineraalhapete ja soolade, keemiliste kiudude, värvainete, suitsu moodustavate ainete ja lõhkeainete tootmiseks, õlis, metallitöötlemisel, tekstiilis, nahas, ja muud tööstusharud. Seda kasutatakse ballis. orgaaniline süntees dehüdratsioonireaktsioonides (dietüüleetri, estrite saamine), hüdraatimisel (etüleenist etanool), sulfoneerimisel (sünteetilised detergendid ja vahesaadused värvainete tootmisel), alküülimisel (isooktaani, polüetüleenglükooli, kaprolaktaami saamine) jne. suurim VÄÄVELHAPE tarbija on mineraalväetiste tootmine. 1 tonni P 2 O 5 fosforväetiste kohta kulub 2,2-3,4 tonni VÄÄVELHAPPET ja 1 tonni (NH 4) 2 SO 4 -0,75 tonni VÄÄVELHAPPET. Seetõttu kipuvad väävelhappetehased ehitama a. kompleks mineraalväetiste tootmise tehastega. VÄÄVELHAPE toodang maailmas ulatus 1987. aastal 152 miljoni tonnini.
VÄÄVELHAPE ja oleum on äärmiselt agressiivsed ained, mis mõjutavad hingamisteid, nahka, limaskesti, põhjustavad hingamisraskusi, köha, sageli larüngiiti, trahheiiti, bronhiiti jne. Aerosool MPC VÄÄVELHAPE tööpiirkonna õhus 1, 0 mg/m3, atm. õhk 0,3 mg / m 3 (maks. ühekordne) ja 0,1 mg / m 3 (päeva keskmine). VÄÄVELHAPE aurude kahjulik kontsentratsioon on 0,008 mg / l (kokkupuude 60 minutit), surmav 0,18 mg / l (60 minutit). Ohuklass 2. Aerosool VÄÄVELHAPE võib tekkida atmosfääris keemiliste ja metallurgiliste emissioonide tagajärjel. S-oksiidi sisaldavatele tööstusharudele ja langevad välja happevihmadena.
Kirjandus: Väävelhappe käsiraamat, toim. K. M. Malina, 2. väljaanne, M., 1971; Amelin A.G., Technology of sulfuric acid, 2. väljaanne, M., 1983; Vasiliev B.T., Otvagina M.I., Väävelhappe tehnoloogia, M., 1985. Yu.V. Filatov.
Keemia entsüklopeedia. 4. köide >>