Номер 10, страница 99 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Используйте дополнительную информацию. Параграф 18. Неорганические и органические кислоты. Глава III. Вещества и их свойства - номер 10, страница 99.

Условие.

10. Подготовьте сообщение о производстве и областях применения одной из неорганических или органических кислот. Аргументируйте выбор кислоты.

Решение.

Решение 2.

Аргументация выбора кислоты

Для сообщения выбрана серная кислота ($H_2SO_4$). Этот выбор аргументирован её исключительной важностью для мировой промышленности. Серную кислоту часто называют "кровью химии" или "королевой кислот", поскольку объёмы её мирового производства являются одним из ключевых индикаторов уровня развития химической промышленности и экономики страны в целом. Она используется в огромном количестве технологических процессов, от производства удобрений до нефтепереработки и металлургии, что делает её изучение и понимание её свойств и методов получения чрезвычайно актуальным.

Производство

Основным промышленным методом получения серной кислоты является контактный способ, который включает в себя несколько стадий.

1. Получение диоксида серы ($SO_2$). Сырьём может служить сера, сероводород ($H_2S$) или сульфидные руды, например, пирит ($FeS_2$). Наиболее распространённый способ — сжигание серы в избытке очищенного и осушенного воздуха:
$S(тв) + O_2(г) \rightarrow SO_2(г) + Q$
При использовании пирита происходит его обжиг в "кипящем слое":
$4FeS_2(тв) + 11O_2(г) \rightarrow 2Fe_2O_3(тв) + 8SO_2(г) + Q$
Полученный газ ($SO_2$) тщательно очищают от примесей (пыли, оксидов мышьяка и др.), так как они могут вызвать "отравление" (деактивацию) катализатора на следующей стадии.

2. Каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы ($SO_3$). Это ключевая стадия процесса, определяющая его эффективность. Очищенный диоксид серы смешивают с воздухом и пропускают через контактный аппарат с катализатором.
$2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + Q$
Реакция является обратимой и экзотермической. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия вправо (в сторону продукта) необходимо понижение температуры и повышение давления. Однако на практике процесс ведут при оптимальных, компромиссных условиях, чтобы обеспечить и высокую скорость реакции, и большой выход продукта:

• Температура: $450-500$ °C. Процесс проводят в несколько стадий с промежуточным охлаждением газовой смеси.
• Давление: близкое к атмосферному ($1-2$ атм), так как выход продукта и так достаточно высок, а использование высокого давления экономически нецелесообразно.
• Катализатор: оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесённый на пористый носитель (например, силикагель или диатомит).

В современных установках степень превращения $SO_2$ в $SO_3$ достигает $99.5-99.9\%$.

3. Поглощение триоксида серы ($SO_3$). Триоксид серы поглощают концентрированной ($98\%$) серной кислотой, а не водой. Это связано с тем, что прямая реакция $SO_3$ с водой очень экзотермична, что приводит к испарению воды и образованию стойкого тумана из мельчайших капелек серной кислоты, который трудно сконденсировать.
При поглощении $SO_3$ концентрированной серной кислотой образуется олеум — раствор $SO_3$ в безводной серной кислоте.
$SO_3(г) + H_2SO_4(конц.) \rightarrow H_2S_2O_7(ж)$ (олеум)
Затем олеум разбавляют мягкой водой до получения серной кислоты требуемой концентрации (обычно $98\%$).
$H_2S_2O_7(ж) + H_2O(ж) \rightarrow 2H_2SO_4(конц.)$

Области применения

Благодаря своим сильным кислотным, окислительным и водоотнимающим свойствам, а также относительной дешевизне, серная кислота находит применение во многих отраслях промышленности и народного хозяйства:

• Производство минеральных удобрений: Это главная область применения (более 50% всего производства). Серную кислоту используют для разложения природных фосфатов и апатитов с целью получения фосфорных удобрений (простого и двойного суперфосфата), а также для получения азотных и калийных удобрений, таких как сульфат аммония ($ (NH_4)_2SO_4 $) и сульфат калия ($K_2SO_4$).
• Химическая промышленность: Используется в синтезе других кислот (соляной, азотной, фосфорной), солей, красителей, лекарственных препаратов, синтетических моющих средств (СМС) и химических волокон (например, вискозного шёлка).
• Нефтепереработка: Для очистки (алкилирования и риформинга) нефтепродуктов, таких как бензин, керосин, смазочные масла, от сернистых соединений и непредельных углеводородов.
• Металлургия и металлообработка: Для "травления" металлов — удаления оксидной плёнки и окалины с поверхности стальных листов, проволоки, труб перед нанесением защитных покрытий (лужение, цинкование, хромирование). Также используется в гидрометаллургии для извлечения металлов (например, меди, урана, цинка, никеля) из руд.
• Производство взрывчатых веществ: Является компонентом нитрующих смесей (смесь с концентрированной азотной кислотой) для получения нитроглицерина, тринитротолуола (тротила), пироксилина и других взрывчатых материалов.
• Электротехника: В качестве электролита в свинцово-кислотных аккумуляторах, которые широко используются в автомобилях и в качестве резервных источников питания.
• Осушитель и дегидратирующий агент: Благодаря сильному водоотнимающему действию используется для осушения газов (которые с ней не реагируют, например, $O_2, N_2, CO_2$), а также в реакциях органического синтеза (например, этерификация, дегидратация спиртов).

Ответ:

Подготовлено сообщение о серной кислоте ($H_2SO_4$). Выбор данной кислоты обоснован её статусом одного из самых многотоннажных продуктов химической промышленности и её ключевой ролью в экономике. В сообщении рассмотрен основной промышленный метод её получения — контактный способ, который включает три стадии: получение $SO_2$ из серы или пирита, его каталитическое окисление до $SO_3$ на ванадиевом катализаторе и поглощение $SO_3$ концентрированной серной кислотой с образованием олеума и последующим его разбавлением. Перечислены и охарактеризованы главные области применения серной кислоты: производство минеральных удобрений, химический синтез, нефтепереработка, металлургия, использование в качестве электролита в аккумуляторах, а также в качестве осушителя и дегидратирующего агента.