Номер 2, страница 335 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 70. Производство серной кислоты. Глава 7. Химическая технология - номер 2, страница 335.

Условие.

2. Опишите отдельно каждую стадию производства. Напишите уравнения реакций, укажите условия их протекания.

Решение.

Решение 2.

2. Опишите отдельно каждую стадию производства. Напишите уравнения реакций, укажите условия их протекания.

Производство серной кислоты контактным способом состоит из трех основных стадий:

• Стадия 1: Получение сернистого газа (диоксида серы $SO_2$)

  На этой стадии происходит обжиг серосодержащего сырья в избытке очищенного и осушенного воздуха. Чаще всего в качестве сырья используют пирит ($FeS_2$) или элементарную серу (S).

  Уравнение реакции при обжиге пирита:

  $4FeS_2(тв) + 11O_2(г) \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3(тв) + 8SO_2(г)$

  Условия: температура 800–900 °C, обжиг проводят в печах в "кипящем слое" для обеспечения максимального контакта реагентов и высокой скорости реакции.

  Уравнение реакции при сжигании серы:

  $S(тв) + O_2(г) \xrightarrow{t} SO_2(г)$

  Условия: сжигание в специальных печах в токе осушенного воздуха.

  Полученный в результате обжига газ ("обжиговый газ") тщательно очищают от пыли (оксид железа(III)) и примесей (например, соединений мышьяка), которые могут дезактивировать ("отравить") катализатор на следующей стадии.

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

  Это ключевая, лимитирующая стадия всего производства. Очищенный и осушенный сернистый газ смешивают с воздухом и направляют в контактный аппарат, где происходит его окисление.

  Уравнение реакции:

  $2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + Q$

  Реакция является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема газов. Для смещения равновесия в сторону продукта ($SO_3$) согласно принципу Ле Шателье и достижения оптимальной скорости реакции подбирают следующие условия:

  • Температура: 450–500 °C. Более низкие температуры смещают равновесие вправо, но сильно замедляют реакцию. Более высокие температуры увеличивают скорость, но снижают выход продукта. Поэтому используется компромиссная температура.
  • Давление: 1-2 атмосферы (близкое к атмосферному). Повышение давления благоприятствует реакции, но выход продукта и так достаточно высок (98-99%), поэтому использование высокого давления экономически нецелесообразно.
  • Катализатор: оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый носитель (например, силикагель или диатомит). Катализатор значительно увеличивает скорость реакции, позволяя проводить процесс при умеренных температурах.

• Стадия 3: Поглощение триоксида серы и получение серной кислоты ($H_2SO_4$)

  Прямое растворение $SO_3$ в воде — крайне экзотермический процесс, который приводит к вскипанию раствора и образованию стойкого тумана из мельчайших капелек серной кислоты, который очень сложно уловить.

  Поэтому на практике $SO_3$ поглощают не водой, а концентрированной (98%) серной кислотой. В результате образуется олеум — раствор триоксида серы в безводной серной кислоте.

  Уравнение реакции получения олеума:

  $SO_3(г) + H_2SO_4(конц.) \rightarrow H_2S_2O_7(ж)$

  Условия: процесс проводят в поглотительных (абсорбционных) башнях, орошаемых концентрированной серной кислотой.

  Затем полученный олеум аккуратно разбавляют мягкой водой до требуемой концентрации серной кислоты (чаще всего 98%).

  Уравнение реакции разбавления олеума:

  $H_2S_2O_7(ж) + H_2O(ж) \rightarrow 2H_2SO_4(ж)$

Ответ: Производство серной кислоты включает три стадии: 1) получение диоксида серы $SO_2$ путем обжига серосодержащего сырья (например, пирита: $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$ при t=800-900°C); 2) каталитическое окисление $SO_2$ в $SO_3$ ($2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$) при температуре 450-500°C, атмосферном давлении и в присутствии катализатора $V_2O_5$; 3) поглощение $SO_3$ концентрированной серной кислотой с образованием олеума ($SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$) и последующее разбавление олеума водой до нужной концентрации ($H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$).

3. Что служит сырьём для производства серной кислоты?

Сырьём для промышленного получения серной кислоты служат различные вещества, содержащие серу, из которых на первой стадии можно получить диоксид серы ($SO_2$). К основным видам сырья относятся:

• Пирит (серный колчедан) — минерал состава $FeS_2$. Является одним из наиболее распространенных видов сырья.
• Природная (элементарная) сера — $S$. Использование чистой серы позволяет получать более чистый $SO_2$ и упрощает стадию газоочистки.
• Сероводород ($H_2S$) — является побочным продуктом при переработке нефти, природного и коксового газов. Его утилизация для производства серной кислоты решает также важную экологическую задачу.
• Отходящие (отбросные) газы металлургических производств. При обжиге сульфидных руд цветных металлов (например, медных ($Cu_2S$), цинковых ($ZnS$), свинцовых ($PbS$)) образуется диоксид серы, который улавливается и используется для производства серной кислоты.
• Сульфаты, такие как гипс ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$) и ангидрит ($CaSO_4$). Этот метод используется реже из-за своей высокой энергоёмкости и технологической сложности.

Ответ: Сырьём для производства серной кислоты служат: пирит ($FeS_2$), природная сера (S), сероводород ($H_2S$), а также отходящие газы металлургических и нефтеперерабатывающих заводов, содержащие диоксид серы ($SO_2$) или сероводород.