Страница 110 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

Часть I

1. Запишите стадии получения $H_2SO_4$ и соответствующие уравнения реакций.

1 $\rightarrow \square \square \square$

2 $\rightarrow \square \square \square$

3 $\rightarrow \square \square \square \square$

1) a)

б)

в)

2)

3)

1) а) Первая стадия производства серной кислоты — это получение диоксида серы $SO_2$ (сернистого газа). В качестве сырья чаще всего используют серный колчедан (пирит) $FeS_2$ или элементарную серу $S$.

1) б) Основной способ — обжиг пирита в печах в "кипящем слое". Уравнение реакции: $4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$.

1) в) Альтернативный, более современный способ — сжигание серы в кислороде. Уравнение реакции: $S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$.

Ответ: Первая стадия — получение диоксида серы $SO_2$ путем обжига пирита ($4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$) или сжигания серы ($S + O_2 \rightarrow SO_2$).

2) Вторая стадия — каталитическое окисление диоксида серы $SO_2$ в триоксид серы $SO_3$. Реакция является обратимой и экзотермичной, проводится при температуре 450-500°C в присутствии катализатора, например, оксида ванадия(V) $V_2O_5$. Уравнение реакции: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.

Ответ: Вторая стадия — окисление диоксида серы в триоксид серы в присутствии катализатора: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.

3) Третья стадия — получение серной кислоты из триоксида серы $SO_3$. Прямое взаимодействие $SO_3$ с водой не используется из-за образования трудноконденсируемого тумана серной кислоты. Вместо этого $SO_3$ поглощают концентрированной серной кислотой, получая олеум, который затем разбавляют водой. Уравнения реакций: $SO_3 + H_2SO_4 (\text{конц.}) \rightarrow H_2S_2O_7$ (олеум); $H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$.

Ответ: Третья стадия — поглощение $SO_3$ концентрированной серной кислотой с образованием олеума ($SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$) и его последующее разбавление водой ($H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$).

2. Последовательность аппаратуры в технологической схеме производства серной кислоты [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] способом:

1)

2)

3) Кратко опишите работу ректификационной колонны.

4)

5)

6)

7) $H_2 + SO_2$

Аппараты протекания первой [ ], второй [ ], третьей [ ] стадий.

Решение:

В пропущенное поле вписывается слово контактным. Производство серной кислоты контактным способом — это сложный многостадийный химико-технологический процесс. Он включает в себя три основные стадии, для осуществления которых используется ряд аппаратов в строгой последовательности.

Ниже представлено развернутое описание каждого аппарата в технологической цепи производства серной кислоты.

1) Печь для обжига

Это аппарат для осуществления первой стадии – получения сернистого газа (диоксида серы, $SO_2$). В качестве сырья чаще всего используют серный колчедан (пирит $FeS_2$) или элементарную серу ($S$). В печах (например, в печах кипящего слоя) сырье подвергается обжигу в потоке воздуха. В результате образуется так называемый обжиговый газ, содержащий $SO_2$, а также кислород, азот и различные примеси.
Уравнения реакций:
$4FeS_{2(тв)} + 11O_{2(г)} \rightarrow 2Fe_2O_{3(тв)} + 8SO_{2(г)}$
$S_{(тв)} + O_{2(г)} \rightarrow SO_{2(г)}$

2) Циклон

Обжиговый газ содержит большое количество твердых частиц (пыли), которые необходимо удалить. Циклон предназначен для грубой очистки газа от крупных частиц. За счет вихревого движения газа внутри аппарата частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам и оседают.

3) Электрофильтр

Для тонкой очистки газа от мелкой пыли и аэрозольных примесей (например, соединений мышьяка, которые являются ядом для катализатора) используется электрофильтр. В нем частицы примесей ионизируются в электрическом поле и осаждаются на электродах.

4) Сушильная башня

После очистки от пыли газ необходимо осушить, так как пары воды могут привести к коррозии аппаратуры и снижению активности катализатора. Осушение производят в сушильной башне, орошая газ концентрированной серной кислотой, которая жадно поглощает воду.

5) Теплообменник

Очищенный и осушенный газ перед поступлением в контактный аппарат необходимо нагреть до оптимальной температуры реакции (450–500 °C). Это делается в теплообменнике, где холодный газ нагревается за счет тепла горячего газа, выходящего из контактного аппарата. Это позволяет эффективно использовать тепло реакции и экономить энергию.

6) Контактный аппарат

Это ключевой аппарат второй стадии производства. Здесь происходит каталитическое окисление диоксида серы ($SO_2$) в триоксид серы ($SO_3$). Процесс является обратимым и экзотермическим. Внутри аппарата на нескольких полках размещен катализатор (обычно оксид ванадия(V), $V_2O_5$).
Уравнение реакции:
$2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q$

7) Поглотительная башня (абсорбер)

Это аппарат для третьей, заключительной стадии. В нем триоксид серы ($SO_3$) поглощается 98%-ной серной кислотой с образованием олеума ($H_2S_2O_7$). Поглощение ведут не водой, чтобы избежать образования тумана серной кислоты, который трудно сконденсировать.
Уравнение реакции:
$SO_{3(г)} + H_2SO_{4(конц)} \rightarrow H_2S_2O_{7(ж)}$
Далее олеум разбавляют водой для получения товарной серной кислоты необходимой концентрации.

Таким образом, аппаратами, в которых протекают три основные стадии производства, являются:

Аппараты протекания первой стадии (получение $SO_2$) — [1] Печь для обжига, второй (окисление $SO_2$ в $SO_3$) — [6] Контактный аппарат, третьей (получение $H_2SO_4$ из $SO_3$) — [7] Поглотительная башня.

Ответ:
Последовательность аппаратуры в технологической схеме производства серной кислоты контактным способом:

1) Печь для обжига
2) Циклон
3) Электрофильтр
4) Сушильная башня
5) Теплообменник
6) Контактный аппарат
7) Поглотительная башня

Аппараты протекания первой [1], второй [6], третьей [7] стадий.

3. Олеум — это ______

3. Олеум — это раствор триоксида серы(VI), $SO_3$, в безводной (100%-й) серной кислоте, $H_2SO_4$.

Более развернуто, олеум, также известный как дымящая серная кислота, представляет собой вязкую, маслянистую жидкость, обычно бесцветную, но иногда с желтоватым или коричневатым оттенком из-за примесей. Название «дымящая» связано с тем, что при контакте с влажным воздухом олеум выделяет пары триоксида серы, которые, реагируя с парами воды, образуют видимый туман из мельчайших капелек серной кислоты.

Химически олеум является смесью чистой серной кислоты и различных полисерных кислот, образующихся при растворении в ней $SO_3$. Общую формулу можно записать как $H_2SO_4 \cdot xSO_3$. Основной из полисерных кислот является дисерная (или пиросерная) кислота, $H_2S_2O_7$, которая находится в равновесии с исходными веществами:

$H_2SO_4 + SO_3 \rightleftharpoons H_2S_2O_7$

Олеум является крайне агрессивным химическим реагентом, превосходящим концентрированную серную кислоту по своим окислительным, водоотнимающим и сульфирующим свойствам. Из-за своей высокой реакционной способности он требует особой осторожности при обращении.

В промышленности олеум получают в ходе производства серной кислоты контактным методом. Газообразный триоксид серы ($SO_3$), полученный после каталитического окисления диоксида серы ($SO_2$), поглощают концентрированной серной кислотой. Этот метод позволяет избежать образования трудноуловимого аэрозоля («тумана») серной кислоты, который возник бы при прямой реакции $SO_3$ с водой. Полученный олеум затем либо используют напрямую, либо разбавляют водой для получения товарной серной кислоты нужной концентрации. Основные сферы применения олеума — это производство серной кислоты, а также использование в качестве мощного сульфирующего агента в органическом синтезе для получения красителей, лекарств, моющих средств и взрывчатых веществ (например, тринитротолуола).

Ответ: раствор триоксида серы ($SO_3$) в 100%-й серной кислоте ($H_2SO_4$).

4. Сырьё для получения аммиака:

1) ____, __________ _____ жидкого ____;

2) _____, полученный из ____ газа.

1) Для промышленного синтеза аммиака по процессу Габера-Боша необходимы два основных компонента: азот и водород. Первый компонент, азот, получают из наиболее доступного источника — атмосферного воздуха. Метод получения заключается во фракционной дистилляции (также известной как фракционная перегонка) сжиженного воздуха. Заполняя пропуски в предложении, получаем следующие слова: "Азот" (несмотря на несоответствие 4 букв 5 клеткам, это единственно верный вариант по смыслу), "фракционной" (12 букв), "дистилляцией" (11 букв) и "воздуха" (7 букв). Эти слова точно соответствуют химическому процессу и, за исключением первого слова, количеству клеток.

Ответ: Азот, полученный фракционной дистилляцией жидкого воздуха;

2) Вторым сырьем для синтеза аммиака является водород. В современной промышленности его получают различными способами, но основным является паровая конверсия (риформинг) углеводородов, главным образом природного газа, основным компонентом которого является метан ($CH_4$). Заполняя пропуски в предложении, получаем слова: "Водород" (7 букв) и "природного" (10 букв). Оба слова идеально подходят по смыслу и по количеству клеток.

Ответ: Водород, полученный из природного газа.