СЕ́РНАЯ КИСЛОТА́
-
Рубрика: Химия
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
СЕ́РНАЯ КИСЛОТА́, тетраоксосульфат(VI) водорода, H2SO4; сильная двухосновная неорганич. кислота; многотоннажный продукт химич. пром-сти.
Свойства
Безводная С. к. – бесцветная, очень вязкая и гигроскопичная жидкость без запаха, tпл 10,4 °С; плотность 1831 кг/м3 (20 °С); при нагревании частично разлагается с выделением серы триоксида SO3; перегоняется в виде азеотропной смеси – массовая доля H2SO4 98,3%, tкип 338,8 °C; при более высоких темп-рах полностью разлагается. Неограниченно смешивается с водой и SO3; в водных растворах практически полностью диссоциирует на Н3О+, и ; даёт два ряда солей – сульфаты и гидросульфаты; образует гидраты H2SO4·nH2O (n= 1, 2, 3, 4), твёрдые гидраты H2SO4·H2O и H2SO4·2H2O имеют ионное строение: (Н3О+)(HSO4-) и (Н3О+)2() соответственно. Безводная H2SO4 – неводный растворитель сульфатов металлов. Технич. смесь концентрир. H2SO4, SO3 и дисерной кислоты H2S2O7 (продукт взаимодействия H2SO4 и SO3) – т. н. олеум.
С. к. вытесняет др. кислоты из их солей, нейтрализуется щелочами. Концентрир. H2SO4 – сильный окислитель (восстанавливается до серы диоксида SO2, S и сероводорода H2S); при нагревании окисляет почти все металлы (кроме Au и платиновых металлов), неметаллы, HBr, HI и др.; на холоду в концентрир. H2SO4 некоторые металлы (напр., Co, Fe) пассивируются. Разбавленная H2SO4 реагирует с металлами, расположенными в электрохимич. ряду напряжений левее водорода, с выделением Н2. Известны пероксопроизводные: H2SO5 (пероксомоносерная, кислота Каро) и H2S2O8 (пероксодисерная кислота).
Получение
Получение «купоросного масла» (концентрир. С. к.) прокаливанием железного или медного купороса описано в трудах алхимиков. Старейший пром. способ получения С. к. (предложен в 1690 Н. Лемери и Н. Лефевром, Франция; реализован в 1736 Дж. Уордом, Англия) включал сжигание смеси серы и селитры и поглощение продукта водой в стеклянном баллоне. В 1746 англ. технолог Дж. Робек предложил заменить стеклянные баллоны камерами из листового свинца (камерный способ произ-ва). Нитрозный способ разработан в 1860 англ. химиком Дж. Гловером. Принцип контактного способа произ-ва С. к. открыт в 1831 англ. химиком П. Филипсом и получил распространение в нач. 20 в.
Осн. стадии совр. произ-ва С. к.: обжиг сырья с получением SO2; окисление SO2 до SO3; абсорбция SO3. В пром-сти применяют два метода получения H2SO4, отличающиеся способом окисления SO2, – контактный, с использованием твёрдых катализаторов V2О5 (до 80% мирового произ-ва), и нитрозный (башенный, устар. – камерный) – с оксидами азота. Сырьём для получения H2SO4 служат в осн. сера (ок. 65% всего SO2) и сульфидные руды, гл. обр. пирит (ок. 35%).
Технология произ-ва С. к. контактным способом из серы включает сжигание распыляемого форсунками расплава S в токе подогретого, очищенного от пыли и осушенного воздуха с получением смеси газов, содержащей 10–14% SO2, которую охлаждают и разбавляют воздухом до содержания SO2 9–10%; технология произ-ва С. к. из пирита включает обжиг FeS2 в печи кипящего слоя на возд. дутье (4FeS2+11О2= 2Fe2O3+ 8SO2), охлаждение и очистку обжигового газа (содержание SO2 13–14%) в циклоне и электрофильтре, промывку, осушку и разбавление воздухом до содержания SO2 9%. Очищенная, осушенная и подогретая до 420 °С газовая смесь, содержащая 9–10% SO2, поступает в контактный аппарат на первую стадию окисления на трёх слоях катализатора. Окисленная газовая смесь в олеумном и моногидратном абсорберах (орошаемых олеумом и концентрир. H2SO4) освобождается от SO3, нагревается до 420 °С и поступает на вторую стадию окисления на одном или двух слоях катализатора. Далее SO3 отделяется в абсорбере, орошаемом 98%-ной H2SO4, а отходящие газы выбрасываются в атмосферу. Суммарная степень превращения SO2 в SO3 при контактном способе достигает 99,7%, степень абсорбции SO3 99,97%.
В нитрозном способе обжиговый газ после охлаждения и очистки от пыли обрабатывают нитрозой – С. к., в которой растворены оксиды азота. SO2 поглощается нитрозой, а затем окисляется (SO2+N2O3+Н2О=Н2SO4+NO). Выделяющийся NO окисляется до NO2. Смесь NO и NO2 растворяют в H2SO4 и возвращают в цикл. Достоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформления, более низкая себестоимость (на 10–15% ниже контактного), возможность 100%-ной переработки SO2. Недостатки: низкая концентрация H2SO4, наличие примесей в продукте.
Мировое произ-во С. к. ок. 145 млн. т/год.
Стандарты на товарные сорта С. к. (в % по массе H2SO4): нитрозная 75%, контактная 92,5–98,0%; олеум 104,5%, высокопроцентный олеум 114,6%, аккумуляторная 92–94%, реактивная (получаемая контактным способом в аппаратуре из кварца или платины) 92–94%.
Применение
С. к. используется для произ-ва минер. удобрений, как электролит в свинцовых аккумуляторах, в гидрометаллургии для вскрытия комплексных руд, для получения кислот (фосфорной, соляной, борной, плавиковой и др.) и солей, в нефтяной пром-сти (очистка нефтепродуктов от сернистых и ненасыщенных органич. соединений), в металлообработке (удаление окалины с проволоки и листов перед лужением и оцинковкой, травление металлич. поверхностей перед нанесением гальванич. покрытий), в пром. органич. синтезе (реакции этерификации, сульфирования, алкилирования и пр.), как водоотнимающее средство (осушка газов, концентрирование азотной кислоты) и др.
С. к. и олеум – химически чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхат. пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, ларингит, трахеит, бронхит. Обращаться с С. к. в лаборатории и на произ-ве следует с осторожностью, используя средства защиты (очки, резиновые перчатки, фартуки, сапоги). При разбавлении необходимо лить H2SO4 в воду тонкой струёй при перемешивании (приливание воды к концентрир. H2SO4 вызывает разбрызгивание из-за большого тепловыделения).
Аэрозоль H2SO4 может образоваться в атмосфере в результате выбросов теплоэлектростанций, химич. и металлургич. производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.