Серная кислота находит самое широкое применение в народном хозяйстве и является главнейшим продуктом основной химической промышленности. В связи с этим наблюдается непрерывный рост производства серной кислоты. Так, если в 1900 г. мировое производство серной кислоты составило 4,2 млн. г, то в 1937 г. ее было получено 18,8 млн. г, а в 1960 г. — более 47 млн. т.
В настоящее время Советский Союз по производству серной кислоты занимает второе место в мире. В 1960 г. серной кислоты в СССР было получено 5,4 млн. г. В 1965 г. производство серной кислоты по сравнению с 1958 г. будет удвоено.
Области применения серной кислоты обусловлены ее свойствами и низкой стоимостью. Серная кислота является сильной, труднолетучей и прочной кислотой, обладающей при умеренных температурах весьма слабыми окислительными и сильными водо отнимающими свойствами.

Основным потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений — суперфосфата и сульфата аммония. Например, на производство только одной тонны суперфосфата (из фторапатита), не содержащего гигроскопической воды, расходуется 600 кг 65-процентной серной кислоты. Производство минеральных удобрений потребляет около половины всей производимой кислоты.
Значительное количество серной кислоты расходуется при переработке жидкого топлива — для очистки керосина, парафина, смазочных масел от сернистых и непредельных соединений, при переработке каменноугольной смолы. Применяется она также при очистке различных минеральных масел и жиров.
Серная кислота широко применяется в различных органических синтезах, например для сульфирования органических соединений — при производстве сульфокислот, различных красителей, сахарина. Для этой цели используется как концентрированная кислота, так и дымящая, а также хлорсульфоновая кислота. Серная кислота применяется в качестве водоотнимающего средства в реакциях нитрования — при производстве нитробензола, нитроклетчатки, нитроглицерина и т. д.
Являясь нелетучей кислотой, серная кислота способна вытеснять летучие кислоты из их солей, что используется в производстве фтористого и хлористого водорода, хлорной кислоты.
Серная кислота часто применяется при переработке (разложении) некоторых руд и концентратов, например титана, циркония, ванадия и иногда ниобия, лития и некоторых других металлов. Поскольку концентрированная серная кислота кипит при довольно высокой температуре и практически не действует на чугун и сталь, указанное разложение можно проводить достаточно полно, применяя дешевую аппаратуру из этих материалов.
Разбавленная горячая серная кислота хорошо растворяет окислы металлов, и ее используют для так называемого травления металлов — очистки их< особенно железа, от окислов.
Серная кислота является хорошим осушающим веществом и с этой целью находит широкое применение в лабораториях и в промышленности. Остаточная влажность при использовании 95-процентной серной кислоты равна 0,003 мг паров воды на 1 л осушаемого газа.

Серная кислота , H2SO4, сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях - тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серную кислоту называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом. Если молярное отношение SO3: Н2О меньше 1, то это водный раствор серной кислоты, если больше 1, - раствор SO3 в серной кислоте.

Природные залежи самородной серы сравнительно невелики. Общее содержание серы в земной коре составляет 0,1%. Сера содержится в нефти, каменном угле, горючих и топочных газах. Чаще сера встречается в природе в виде соединений с цинком, медью и другими металлами. Следует отметить, что доля колчедана и серы в общем балансе сернокислотного сырья постепенно уменьшается, а доля серы, извлекаемой из различных отходов, постепенно возрастает. Возможности получения серной кислоты из отходов весьма значительны. Использование отходящих газов цветной металлургии позволяет получать, без специальных затрат в сернокислотных системах на обжиг серосодержащего сырья.

Физические и химические свойства серной кислоты

Стопроцентная H2SO4 (SO3 х H2O) называется моногидратом. Соединение не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, являясь при этом одной из самых сильных кислот;

• вещество пагубным образом действует на растительные и животные ткани, отнимая и них воду, вследствие чего они обугливаются.
• кристаллизуется при 10,45 "С;
• tkип 296,2 "С;
• плотность 1,9203 г/см3;
• теплоёмкость 1,62 дж/г.

Серная кислота смешивается с Н2О и SO3 в любых соотношениях, образуя соединения:

• H2SO4 х 4 H2O (tпл - 28,36 "С),
• H2SO4 х 3 H2O (tпл - 36,31 "С),
• H2SO4 х 2 H2O (tпл - 39,60 "С),
• H2SO4 х H2O (tпл - 8,48 "С),
• H2SO4 х SO3 (H2S2O7 - двусерная или пиросерная кислота, tпл 35,15 "С) - олеум,
• H2SO х 2 SO3 (H2S3O10 - трисерная кислота, tпл 1,20 "C).

При нагревании и кипении водных растворов серной кислоты, содержащих до 70% H2SO4, в паровую фазу выделяются только пары воды. Над более концентрированными растворами появляются и пары серной кислоты. Раствор 98,3% H2SO4 (азеотропная смесь) при кипении (336,5 "С) перегоняется полностью. Серная кислота, содержащая свыше 98,3% H2SO4, при нагревании выделяет пары SO3.
Концентрированная серная кислота - сильный окислитель. Она окисляет HI и НВг до свободных галогенов. При нагревании окисляет все металлы, кроме Au и платиновых металлов (за исключением Pd). На холоде концентрированная серная кислота пассивирует многие металлы, в том числе РЬ, Cr, Ni, сталь, чугун. Разбавленная серная кислота реагирует со всеми металлами (кроме РЬ), предшествующими водороду в ряду напряжении, например: Zn + H2SO4 = ZnSO4 + Н2.

Как сильная кислота H2SO4 вытесняет более слабые кислоты из их солей, например борную кислоту из буры:

Na2B4O7 + H2SO4 + 5 H2O = Na2SO4 + 4 H2BO3,

а при нагревании вытесняет более летучие кислоты, например:

NaNO3 + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3.

Серная кислота отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы - ОН. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной серной кислоты приводит к получению этилена или диэтилового эфира. Обугливание сахара, целлюлозы, крахмала и других углеводов при контакте с серной кислотой объясняется также их обезвоживанием. Как двухосновная, серная кислота образует два типа солей: сульфаты и гидросульфаты.

Сырьё для получения серной кислоты

Сырьём для получения серной кислоты могут служить: сера, серный колчедан FeS2, отходящие газы печей окислительного обжига сульфидных руд Zn, Сu, РЬ и других металлов, содержащие SO2. В России основное количество серной кислоты получают из серного колчедана. Сжигают FeS2 в печах, где он находится в состоянии кипящего слоя. Это достигается быстрым продуванием воздуха через слой тонко измельченного колчедана. Получаемая газовая смесь содержит SO2, O2, N2, примеси SO3, паров Н2О, As2O3, SiO2 и другие, и несёт много огарковой пыли, от которой газы очищаются в электрофильтрах.

Способы получения серной кислоты

Серную кислоту получают из SO2 двумя способами: нитрозным (башенным) и контактным.

Нитрозный способ

Переработка SO2 в серную кислоту по нитрозному способу осуществляется в продукционных башнях - цилиндрических резервуарах (высотой 15 м и более), заполненных насадкой из керамических колец. Сверху, навстречу газовому потоку разбрызгивается "нитроза" - разбавленная серная кислота, содержащая нитрозилсерную кислоту NOOSO3H, получаемую по реакции:

N2O3 + 2 H2SO4 = 2 NOOSO3H + H2O .

Окисление SO2 окислами азота происходит в растворе после его абсорбции нитрозой. Водою нитроза гидролизуется:

NOOSO3H + H2O = H2SO4 + HNO2.

Сернистый газ, поступивший в башни, с водой образует сернистую кислоту:

SO2 + H2O = H2SO3.

Взаимодействие HNO2 и H2SO3 приводит к получению серной кислоты:

2 HNO2 + H2SO3 = H2SO4 + 2 NO + H2O.

Выделяющаяся NO превращается в окислительной башне в N2O3 (точнее в смесь NO + NO2). Оттуда газы поступают в поглотительные башни, где навстречу им сверху подаётся серная кислота. Образуется нитроза, которую перекачивают в продукционные башни. Таким образом осуществляется непрерывность производства и круговорот окислов азота. Неизбежные потери их с выхлопными газами восполняются добавлением HNO3.

Серная кислота, получаемая нитрозным способом, имеет недостаточно высокую концентрацию и содержит вредные примеси (например, As). Её производство сопровождается выбросом в атмосферу окислов азота ("лисий хвост", названный так по цвету NO2).

Контактный способ

Принцип контактного способа производства серной кислоты был открыт в 1831 П. Филипсом (Великобритания). Первым катализатором была платина. В конце 19 - начале 20 вв. было открыто ускорение окисления SO2 в SO3 ванадиевым ангидридом V2O5. Особенно большую роль в изучении действия ванадиевых катализаторов и их подборе сыграли исследования советских учёных А. Е. Ададурова, Г. К. Борескова, Ф. Н. Юшкевича.

Современные сернокислотные заводы строят для работы по контактному методу. В качестве основы катализатора применяются окислы ванадия с добавками SiO2, Al2O3, K2O, CaO, BaO в различных соотношениях. Все ванадиевые контактные массы проявляют свою активность только при температуре не ниже ~420 "С. В контактном аппарате газ проходит обычно 4 или 5 слоев контактной массы. В производстве серной кислоты контактным способом обжиговый газ предварительно очищают от примесей, отравляющих катализатор. As, Se и остатки пыли удаляют в промывных башнях, орошаемых серной кислотой. От тумана серную кислоту (образующейся из присутствующих в газовой смеси SO3 и H2O) освобождают в мокрых электрофильтрах. Пары H2O поглощаются концентрированной серной кислотой в сушильных башнях. Затем смесь SO2 с воздухом проходит через катализатор (контактную массу) и окисляется до SO3:

SO2 + 1/2 O2 = SO3.

SO3 + H2O = H2SO4.

В зависимости от количества воды, поступившей в процесс, получается раствор серной кислоты в воде или олеум.
Посредством данного метода сейчас вырабатывается порядка 80% H2SO4 в мире.

Применение серной кислоты

Серная кислота может служить для очистки нефтепродуктов от сернистых, непредельных органических соединений.

В металлургии серная кислота применяется для удаления окалины с проволоки, а также листов перед лужением и оцинкованием (разбавленная), для травления разичных металлических поверхностей перед покрытием их хромом, медью, никелем и др. Также с помощью серной кислоты разлагают комплексные руды (в частности, урановые).

В органическом синтезе серная кислота концентрированная является необходимым компонентом нитрующих смесей, а также сульфирующим средством при получении многих красителей и лекарственных веществ.

Широко применяется серная кислота для производства удобрений, этилового спирта, искусственного волокна, капролактама, двуокиси титана, анилиновых красителей и целого ряда других химических соединений.

Серная кислота отработанная (отход) применяется в химической, металлургической, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности Серная кислота аккумуляторная применяется в производстве свинцово-кислотных источников тока.

Сегодня получение серной кислоты производится в основном двумя промышленными способами: контактным и нитрозным. Контактный способ более прогрессивен и в России он применяется более широко, чем нитрозный, то есть башенный.

Получение серной кислоты начинается с обжига сернистого сырья, например, В специальных колчеданных печах получается так называемый обжиговый газ, в котором содержится около 9 % сернистого ангидрида. Эта стадия одинакова как для контактного, так и для нитрозного способа.

Далее необходимо окислить полученный сернистый ангидрид в серный. Однако предварительно его нужно очистить от ряда примесей, которые мешают дальнейшему процессу. Обжиговый газ очищают от пыли в электрофильтрах или в циклон-аппаратах, а затем подают его в устройство, содержащее твердые контактные массы, где диоксид серы SO 2 окисляется в серный ангидрид SO 3 .

Эта экзотермическая реакция обратима - повышение температуры приводит к разложению образовавшегося серного ангидрида. С другой стороны, при понижении температуры скорость прямой реакции очень мала. Поэтому температуру в контактном аппарате поддерживают в пределах 480 о С, регулируя ее скоростью прохождения газовой смеси.

В дальнейшем при контактном способе образуется при соединении серного ангидрида с водой.

Нитрозный способ характеризуется тем, что окисляется Получение серной кислоты по этому методу запускается образованием сернистой кислоты при взаимодействии из обжигового газа с водой. В дальнейшем полученная сернистая кислота окисляется азотной кислотой, что приводит к образованию монооксида азота и серной кислоты.

Эта реакционная смесь подается в специальную башню. При этом, регулируя поток газа, добиваются, чтобы в газовой смеси, попадающей в поглотительную башню, диоксид и монооксид азота содержался в соотношении 1:1, что необходимо для получения азотистого ангидрида.

Наконец, при взаимодействии серной кислоты и азотистого ангидрида образуется NOHSO 4 - нитрозилсерная кислота.

Образовавшаяся нитрозилсерная кислота подается в продукционную башню, где она, разлагаясь водой, выделяет азотистый ангидрид:

2NOHSO 4 + Н 2 O = N 2 O 3 + 2Н 2 SO 4,

который и окисляет сернистую кислоту, образовавшуюся в башне.

Окись азота, выделившаяся в результате реакции, вновь возвращается в окислительную башню и вступает в новый цикл.

В настоящее время в России получение серной кислоты производится в основном контактным способом. Нитрозный метод используется редко.

Применение серной кислоты весьма широко и разнообразно.

Большая ее часть идет на производство химических волокон и минеральных удобрений, она необходима в производстве лекарственных веществ и красителей. С помощью серной кислоты получают этиловый и другие спирты, моющие средства и ядохимикаты.

Ее растворы применяются в текстильной, пищевой промышленности, в процессах нитрования и для производства Кислота серная аккумуляторная служит электролитом для заливки в свинцовые аккумуляторы, которые широко используются в транспорте.

Является одним из самых известных и распространённых химических соединений. Объясняется это в первую очередь её ярко выраженными свойствами. Её формула - H2SO4. Это двухосновная кислота, обладающая высшей серы +6.

При обычных условиях серная кислота представляет собой жидкость без запаха и цвета, обладающую маслянистыми свойствами. Она получила достаточно широкое распространение в технике и различных отраслях производства.

На данный момент это вещество является одним из важнейших и наиболее распространённых продуктов химической промышленности. В природе залежи самородной серы попадаются не так часто, как правило, она встречается только в соединениях с другими веществами. Сейчас развивается добыча серы из различных соединений, в том числе из разнообразных промышленных отходов. В некоторых случаях даже газы могут быть приспособлены для получения серы и различных соединений с ней.

Свойства

Серная кислота пагубным образом влияет на любые Она забирает из них воду очень быстро, так что ткани и различные соединения начинают обугливаться. 100%-ная кислота является одной из самых сильных, при этом соединение не дымит и не разрушает

Реагирует с любыми металлами кроме свинца. В концентрированном виде начинает окислять многие элементы.

Использование серной кислоты

Главным образом серная кислота применяется в химической промышленности, где на её основе производят азотные и в том числе и суперфосфат, который на данный момент считается одним из наиболее распространённых удобрений. Ежегодно производят до нескольких миллионов тонн этого вещества.

В металлругии H2SO4 применяется для проверки качества получаемых изделий. При прокате стали могут возникать микротрещины, для того чтобы их обнаружить, деталь помещают в свинцовую ванну и травят 25%-м раствором кислоты. После этого даже мельчайшие трещины можно увидеть невооружённым взглядом.

Перед нанесением гальванопокрытий на металл необходимо его предварительно подготовить - зачистить и обезжирить. Так как серная кислота реагирует с металлами, она растворяет тончайший слой, а вместе с ним удаляются любые следы загрязнения. Кроме того, поверхность металла становится более шершавой, что лучше подходит для нанесения никелевого, хромового или медного покрытия.

Серная кислота применяется при обработке некоторых руд, также значительное её количество требуется в нефтяной промышленности, где её применяют главным образом для очистки различных продуктов. Она часто используется в химической промышленности, которая постоянно развивается. В результате обнаруживаются дополнительные возможности и способы применения. Это вещество может использоваться для производства свинцово-кислотных - различных аккумуляторов.

Получение серной кислоты

Главным сырьём для получения кислоты служат сера и различные соединения на её основе. Кроме того, как уже было сказано, сейчас развивается использование промышленных отходов для получения серы. При окислительном обжиге сульфидных руд отходящие газы содержат SO2. Его приспосабливают для получения серной кислоты. Хотя в России по-прежнему лидирующие позиции занимают производства на основе переработки серного колчедана, который сжигают в печах. При продувании воздуха через горящий колчедан образуются пары с высоким содержанием SO2. Для очистки от других примесей и опасных паров применяют электрофильтры. Сейчас в производстве активно используются разные способы получения кислоты, и многие из них связаны с переработкой отходов, хотя высока доля традиционных производств.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Безводная серная кислота представляет собой тяжелую, вязкую жидкость, которая легко смешивается с водой в любой пропорции: взаимодействие характеризуется исключительно большим экзотермическим эффектом (~880 кДж/моль при бесконечном разбавлении) и может привести к взрывному вскипанию и разбрызгиванию смеси, если воду добавлять к кислоте; поэтому так важно всегда использовать обратный порядок в приготовлении растворов и добавлять кислоту в воду, медленно и при перемешивании.

Некоторые физические свойства серной кислоты приведены в таблице.

Безводная H 2 SO 4 — замечательное соединение с необычно высокой диэлектрической проницаемостью и очень высокой электропроводностью, которая обусловлена ионной автодиссоциацией (автопротолизом) соединения, а также эстафетным механизмом проводимости с переносом протона, обеспечивающим протекание электрического тока через вязкую жидкость с большим числом водородных связей.

Таблица 1. Физические свойства серной кислоты.

Получение серной кислоты

Серная кислота — самый важный промышленный химикат и самая дешевая из производимых в большом объеме кислот влюбой стране мира.

Концентрированную серную кислоту («купоросное масло») сначала получали нагреванием «зеленого купороса» FeSO 4 ×nH 2 O и расходовали в большом количестве на получение Na 2 SO 4 и NaCl.

В современном процессе получения серной кислоты используется катализатор, состоящий из оксида ванадия(V) с добавкой сульфата калия на носителе из диоксида кремния или кизельгура. Диоксид серы SO 2 получают сжиганием чистойсеры или при обжиге сульфидной руды (прежде всего пирита или руд Си, Ni и Zn) в процессе извлечения этихметаллов.Затем SO 2 окисляют до триоксида, а потом путем растворения в воде получают серную кислоту:

S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 — 297 кДж/моль);

SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 — 9,8 кДж/моль);

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 — 130 кДж/моль).

Химические свойства серной кислоты

Серная кислота - сильная двухосновная кислота. По первой ступени в растворах невысокой концентрации она диссоциирует практически нацело:

H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 — .

Диссоциация по второй ступени

HSO 4 — ↔H + + SO 4 2-

протекает в меньшей степени. Константа диссоциации серной кислоты по второй ступени, выраженная через активности ионов, K 2 = 10 -2 .

Как кислота двухосновная, серная кислота образует два ряда солей: средние и кислые. Средние соли серной кислоты называются сульфатами, а кислые - гидросульфатами.

Серная кислота жадно поглощает пары воды и поэтому часто применяется для осушения газов. Способностью поглощать воду объясняется и обугливание многих органических веществ, особенно относящихся к классу углеводов (клетчатка, сахар и т.д.), при действии на них концентрированной серной кислоты. Серная кислота отнимает от углеводов водород и кислород, которые образуют воду, а углерод выделяется в виде угля.

Концентрированная серная кислота, особенно горячая, — энергичный окислитель. Она окисляет HI и HBr (но не HCl) до свободных галогенов, уголь - до CO 2 , серу - до SO 2 . Указанные реакции выражаются уравнениями:

8HI + H 2 SO 4 = 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;

2HBr + H 2 SO 4 = Br 2 + SO 2 + 2H 2 O;

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O.

Взаимодействие серной кислоты с металлами протекает различно в зависимости от её концентрации. Разбавленная серная кислота окисляет своим ионом водорода. Поэтому она взаимодействует только с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений только до водорода, например:

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

Однако свинец не растворяется в разбавленной кислоте, поскольку образующаяся соль PbSO 4 нерастворима.

Концентрированная серная кислота является окислителем за счет серы (VI). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно. Продукты её восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла и от условий (концентрация кислоты, температура). При взаимодействии с малоактивными металлами, например с медью, кислота восстанавливается до SO 2:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как диоксид, так и свободная сера и сероводород. Например, при взаимодействии с цинком могут протекать реакции:

Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;

3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;

4Zn + 5H 2 SO 4 = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

Применение серной кислоты

Применение серной кислоты меняется от страны к стране и от десятилетия к десятилетию. Так, например в США в настоящее время главная область потребления H 2 SO 4 — производство удобрений (70%), за ним следуют химическое производство, металлургия, очистка нефти (~5% в каждой области). В Великобритании распределение потребления по отраслям иное: только 30% производимой H 2 SO 4 используется в производстве удобрений, зато 18% идет на краски, пигменты и полупродукты производства красителей, 16% на химическое производство, 12% на получение мыла и моющих средств, 10% на производство натуральных и искусственных волокон и 2,5% применяется в металлургии.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1