Номер 3, страница 141 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

3. Напишите уравнения химических реакций, лежащих в основе получения серной кислоты из серы. Какая из реакций является обратимой? Как в химической технологии решается вопрос максимального использования непрореагировавших исходных веществ?

Решение

Уравнения химических реакций, лежащих в основе получения серной кислоты из серы

Промышленное получение серной кислоты из серы (контактный способ) осуществляется в несколько стадий:

1. Сжигание серы (или обжиг сульфидных руд, например, пирита) в избытке очищенного и осушенного воздуха для получения диоксида серы (сернистого газа):

$S_{(тв)} + O_{2(г)} \rightarrow SO_{2(г)} + Q$

2. Каталитическое окисление диоксида серы кислородом воздуха в триоксид серы (серный ангидрид). Это ключевая стадия процесса, она является обратимой и экзотермической. В качестве катализатора используется оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый носитель, при температуре 450–500 °C.

$2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q$

3. Поглощение (абсорбция) триоксида серы. Триоксид серы поглощают не водой, а концентрированной (98%) серной кислотой, так как прямая реакция с водой очень экзотермична и приводит к образованию трудноулавливаемого тумана из капелек серной кислоты. При поглощении серной кислотой образуется олеум — раствор $SO_3$ в $H_2SO_4$.

$SO_{3(г)} + H_2SO_{4(конц.)} \rightarrow H_2S_2O_{7(ж)}$ (олеум)

Затем олеум разбавляют водой до нужной концентрации серной кислоты:

$H_2S_2O_{7(ж)} + H_2O_{(ж)} \rightarrow 2H_2SO_{4(ж)}$

Ответ: Уравнения реакций: 1) $S + O_2 \rightarrow SO_2$; 2) $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$; 3) $SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$ и $H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$.

Какая из реакций является обратимой?

Обратимой является вторая стадия производства — каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы. Обратимость реакции означает, что она протекает одновременно в прямом и обратном направлениях до установления химического равновесия.

$2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)}$

Состояние равновесия для этой реакции зависит от температуры, давления и концентрации реагентов. Чтобы сместить равновесие вправо (в сторону продукта), согласно принципу Ле Шателье, процесс ведут при повышенном давлении, умеренной температуре (компромисс между скоростью и равновесием) и с использованием катализатора.

Ответ: Обратимой является реакция окисления диоксида серы в триоксид серы: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.

Как в химической технологии решается вопрос максимального использования непрореагировавших исходных веществ?

Для максимального использования реагентов в промышленных процессах, особенно в обратимых реакциях, где превращение не достигает 100% за один цикл, применяется принцип циркуляции (или рецикла).

В производстве серной кислоты это реализуется следующим образом: газовая смесь, выходящая из контактного аппарата, содержит продукт ($SO_3$) и непрореагировавшие исходные вещества ($SO_2$ и $O_2$). Эту смесь направляют в поглотительную башню, где $SO_3$ избирательно поглощается концентрированной серной кислотой. Газы, не поглотившиеся в башне (в основном $SO_2$ и $O_2$), не выбрасываются, а возвращаются обратно в начало цикла — в контактный аппарат для повторного окисления.

Применение принципа циркуляции позволяет:

• Значительно повысить общую (сквозную) степень превращения $SO_2$ в $SO_3$, доводя её до 99,5–99,9%.
• Увеличить выход конечного продукта на единицу затраченного сырья, что повышает экономическую эффективность.
• Минимизировать выбросы вредного сернистого газа в атмосферу, что решает важную экологическую задачу.

Этот принцип является одним из ключевых в современной химической технологии для создания ресурсосберегающих и экологически чистых производств.

Ответ: Вопрос максимального использования непрореагировавших исходных веществ решается с помощью принципа циркуляции (рециркуляции), согласно которому непрореагировавшие реагенты отделяются от продуктов и возвращаются в начало процесса для повторного участия в реакции.