Номер 5, страница 300 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 42. Оксид серы(VI). Серная кислота и её соли - номер 5, страница 300.

Условие.

5. Вспомните схему производства серной кислоты. Какие общие научные принципы производства используются при её получении?

Решение.

Решение 2.

Решение

Схема производства серной кислоты

Современное производство серной кислоты основано на контактном способе, который включает три основные стадии:

• 1. Получение сернистого газа ($SO_2$). В качестве сырья обычно используют пирит ($FeS_2$), природную серу ($\text{S}$) или сероводород ($H_2S$). Наиболее распространенный метод — обжиг колчедана (пирита) в печах "кипящего слоя":

  $4FeS_2(тв) + 11O_2(г) \rightleftharpoons 2Fe_2O_3(тв) + 8SO_2(г) + Q$

  Образующийся "обжиговый газ" содержит примеси (пыль, соединения мышьяка и др.), которые могут дезактивировать ("отравить") катализатор на следующей стадии. Поэтому газ подвергается тщательной очистке в системе циклонов, электрофильтров и промывных башен.

• 2. Каталитическое окисление сернистого газа в серный ангидрид ($SO_3$). Это центральная стадия всего процесса. Очищенный и осушенный сернистый газ смешивается с воздухом и поступает в контактный аппарат, где на полках с катализатором (обычно оксид ванадия (V), $V_2O_5$, нанесенный на пористый носитель) происходит его окисление:

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

  Реакция является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема газов. Оптимальные условия для этой стадии: температура 450–500 °C, давление, близкое к атмосферному, и наличие катализатора.

• 3. Поглощение серного ангидрида и получение кислоты. Серный ангидрид ($SO_3$) поступает в поглотительную башню, где его поглощают не водой, а концентрированной (98%) серной кислотой. Это делается во избежание образования тумана серной кислоты, который сложно сконденсировать. В результате образуется олеум — раствор $SO_3$ в безводной серной кислоте:

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

  Затем полученный олеум разбавляют водой до необходимой концентрации серной кислоты:

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

Общие научные принципы производства

При получении серной кислоты применяются следующие общие научные принципы, характерные для многих химических производств:

• Создание оптимальных условий проведения процессов. Для увеличения выхода продукта и скорости реакции подбирают оптимальные температуру, давление и концентрации реагентов. В стадии окисления $SO_2$ используется компромиссная температура (450–500 °C) для достижения высокой скорости реакции при достаточном выходе продукта (согласно принципу Ле Шателье). Используется катализатор ($V_2O_5$) для ускорения реакции.

• Принцип противотока. Этот принцип реализуется в теплообменниках (холодные реагенты движутся навстречу горячим продуктам для подогрева) и в поглотительных башнях (газ $SO_3$ подается снизу, а поглощающая жидкость $H_2SO_4$ — сверху), что обеспечивает максимальную эффективность тепло- и массообмена.

• Использование теплоты химических реакций (теплообмен). Процессы обжига пирита и окисления $SO_2$ являются экзотермическими. Выделяющееся тепло используется для подогрева поступающих в реакторы холодных газов, а также для производства водяного пара и электроэнергии, что снижает энергозатраты и себестоимость продукции.

• Принцип непрерывности. Все стадии производства работают в непрерывном режиме: сырье постоянно подается в аппараты, а продукты непрерывно отводятся. Это обеспечивает стабильность процесса, высокую производительность и возможность полной автоматизации.

• Комплексное использование сырья и защита окружающей среды. Твердый отход от обжига пирита (пиритный огарок, $Fe_2O_3$) используется в металлургии для производства чугуна. Непрореагировавшие газы после первой ступени катализа и абсорбции могут направляться на вторую ступень (принцип двойного контактирования), что повышает общую степень превращения $SO_2$ до 99,9% и минимизирует вредные выбросы в атмосферу.

• Автоматизация и механизация производства. Управление всеми технологическими процессами осуществляется автоматически с помощью контрольно-измерительных приборов и систем управления, что обеспечивает стабильность, безопасность и экономическую эффективность.

Ответ: Схема производства серной кислоты (контактный способ) состоит из трех стадий: 1) получение $SO_2$ обжигом пирита; 2) каталитическое окисление $SO_2$ в $SO_3$ на ванадиевом катализаторе; 3) поглощение $SO_3$ концентрированной серной кислотой с получением олеума и последующим его разбавлением водой. Основные научные принципы, используемые в производстве: создание оптимальных технологических условий (температура, давление, катализ) на основе химической кинетики и термодинамики; принцип противотока для эффективности тепло- и массообмена; использование теплоты экзотермических реакций; непрерывность процесса; комплексное использование сырья и утилизация отходов; автоматизация производства.