Номер 1, страница 335 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 70. Производство серной кислоты. Глава 7. Химическая технология - номер 1, страница 335.

Условие.

1. Дайте общую характеристику процесса производства серной кислоты.

Решение.

Решение 2.

Производство серной кислоты является одним из самых крупнотоннажных в химической промышленности. Основным современным методом ее получения является контактный способ, который основан на каталитическом окислении диоксида серы в триоксид серы. Весь технологический процесс можно разделить на три основные стадии.

Стадия 1: Получение диоксида серы ($SO_2$)

На этой стадии получают диоксид серы, который является основным сырьем для дальнейшего синтеза. В качестве исходного сырья могут использоваться различные серосодержащие материалы:

• Обжиг сульфидных руд, чаще всего железного колчедана (пирита) $FeS_2$. Реакция протекает в специальных печах "кипящего слоя" при высокой температуре:
  $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2 \uparrow + Q$
• Сжигание природной серы:
  $S + O_2 \rightarrow SO_2 + Q$
• Сжигание сероводорода ($H_2S$), который является побочным продуктом при очистке природного газа и нефти.

Полученный в результате обжига газ ("обжиговый газ") содержит, помимо $SO_2$, примеси (пыль, соединения мышьяка, оксиды азота), которые могут "отравить" катализатор на следующей стадии. Поэтому газ подвергают тщательной очистке в системе циклонов, электрофильтров и промывных башен.

Ответ: На первой стадии диоксид серы ($SO_2$) получают путем сжигания или обжига серосодержащего сырья (пирита, серы). Полученный газ тщательно очищают от примесей и охлаждают для подготовки к следующему этапу.

Стадия 2: Каталитическое окисление диоксида серы ($SO_2$) в триоксид серы ($SO_3$)

Это центральная стадия всего производства. Очищенный диоксид серы смешивается с воздухом (источником кислорода) и поступает в контактный аппарат, где происходит его окисление до триоксида серы. Реакция является обратимой и экзотермической:

$2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + 198 \text{ кДж}$

Для смещения равновесия в сторону образования продукта ($SO_3$) согласно принципу Ле Шателье, необходимо:

• Понижение температуры: Однако при слишком низкой температуре скорость реакции крайне мала. Поэтому выбирают оптимальную температуру около 450–500 °C, которая является компромиссом между скоростью реакции и выходом продукта.
• Повышение давления: Реакция идет с уменьшением объема газов, поэтому повышение давления способствует смещению равновесия вправо. Однако выход продукта и так достаточно высок при атмосферном давлении, а использование высокого давления значительно удорожает оборудование. Поэтому процесс ведут при давлении, близком к атмосферному (1-2 атм).
• Использование катализатора: Для увеличения скорости реакции при оптимальной температуре используют катализатор. Наиболее распространенным является оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый носитель.

Процесс проводят в контактном аппарате, который состоит из нескольких слоев катализатора с теплообменниками между ними для поддержания оптимального температурного режима.

Ответ: Вторая стадия заключается в каталитическом окислении очищенного диоксида серы кислородом воздуха в триоксид серы в контактном аппарате. Процесс ведут при температуре 450–500 °C, атмосферном давлении и с использованием ванадиевого катализатора ($V_2O_5$) для достижения максимального выхода продукта.

Стадия 3: Поглощение триоксида серы ($SO_3$) и получение серной кислоты

На заключительной стадии триоксид серы превращают в серную кислоту. Прямое взаимодействие $SO_3$ с водой не используется в промышленности, так как при этом выделяется огромное количество тепла, что приводит к закипанию воды и образованию стойкого тумана из мельчайших капелек серной кислоты, который очень трудно сконденсировать.

$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4 + Q$

Поэтому $SO_3$ поглощают концентрированной (98%) серной кислотой в поглотительных (абсорбционных) башнях. В результате образуется раствор $SO_3$ в серной кислоте, называемый олеумом.

$SO_3 + H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow H_2S_2O_7(\text{олеум})$

Затем полученный олеум разбавляют водой до необходимой концентрации, получая товарную серную кислоту.

$H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

Ответ: На третьей стадии триоксид серы поглощают концентрированной серной кислотой в абсорбционных башнях с образованием олеума, который затем разбавляют водой для получения серной кислоты требуемой концентрации.