Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
Окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI) — 2-я стадия
производства
Уравнение реакции, лежащей в основе данного процесса,
записываем так:
2SO
+ O2 2SO3 + Q.
2
Таблица 14
Характеристика
прямой реакции обратной реакции
— обратимая — обратимая
— каталитическая — каталитическая
— экзотермическая — эндотермическая
— гетерогенная (с учётом катализа-
тора)
— с уменьшением числа молей —
(с уменьшением числа молекул)
2SO
3
— гетерогенная (с учётом катализатора)
— с увеличением числа молей —
2SO2 + O2 (с увеличением числа молекул)
Оксид серы (IV) (сернистый газ), полученный в первой стадии производства серной кислоты, входит в состав печного
газа, выходящего из печи обжига серного колчедана. Наряду
с сернистым газом в состав печного газа входят: азот, кислород, пары воды, пыль, содержащая соединения мышьяка и
селена, которые являются ядами катализатора. Поскольку
данная реакция является каталитической, то разумеется
необходимо произвести тщательную очистку смеси газов,
выходящих из печи обжига серного колчедана.
Следовательно, печной газ перед тем как попасть в контактный аппарат, в котором осуществляется окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI), в контакте с катализатором (отсюда и название аппарата — контактный) проходит через систему очистительных аппаратов: циклон, электрофильтр и
сушильная башня. Первый аппарат — циклон, который состоит из двух цилиндров разных диаметров, вставленных
один в другой. Печной газ поступает в наружный большего
диаметра цилиндр и движется в пространстве между поверхностями двух цилиндров по спирали сверху вниз, в котором
под действием центробежных сил достаточно крупные частицы, ударяясь о внутреннюю стенку наружного цилиндра, падают вниз в приёмник и удаляются из системы. Очищенный
печной газ направляется снизу вверх по цилиндру, имеющему меньший диаметр, и переходит в следующий аппарат —
электрофильтр, который служит для удаления более мелких
и более лёгких частичек пыли; мелкие частицы пыли в результате воздействия на них электрического поля тока высо-
151
кого напряжения, проходящего по тонкой проволоке внутри
аппарата, приобретают отрицательный заряд; сетки внутри
аппарата заряжены положительно, а поэтому мелкие частицы притягиваются к сеткам, теряют свой заряд и осаждаются
на сетках, которые периодически встряхивают и пыль падает
в специальный бункер и удаляется из системы. Последним
аппаратом в очистительной системе является сушильная баш-
ня. Уже по названию аппарата можно предвидеть её функцию — её используют для удаления водяных паров, которые
всегда присутствуют в воздухе, подаваемом в печь обжига серного колчедана. Водяные пары удаляются с помощью концентрированной серной кислоты, которая жадно поглощает их
из печного газа. Процесс поглощения водяных паров концентрированной серной кислотой — гетерогенный процесс
(водяные пары — газообразное состояние воды, а концентрированная серная кислота — жидкость), а поэтому для увеличения величины поверхности соприкосновения веществ башню заполняют керамическими кольцами и полыми цилиндрами, которые смачиваются кислотой, поступающей сверху,
а газовая смесь поступает снизу (используют противоток).
Итак, очищенный печной газ (смесь газов, состоящая из
азота, кислорода и сернистого газа SO
) направляют в кон-
2
тактный аппарат, в котором и протекает реакция по указанному выше уравнению окисления оксида серы (IV) SO
оксид серы (VI) SO
. Для проведения данной реакции подходят
3
в
2
следующие катализаторы: платина, оксиды железа и оксиды
ванадия. С точки зрения активности платина — наиболее
подходящий катализатор, но с экономической точки
зрения — очень дорогой. При подборе катализатора учитывают срок службы катализатора и ряд других факторов.
В большинстве случаев эту реакцию проводят на оксиде
ванадия(V). Любой катализатор становится активным только
при определённой температуре. Смесь газов, пройдя через
систему очистки, охлаждается, а поэтому её необходимо
нагреть перед контактом с катализатором. Нагревание газовой
смеси осуществляют в теплообменниках, в которых по трубам
проходят горячие газы (продукты реакции) из контактного
аппарата, а между трубами в противоположном направлении
пропускают газовую смесь (исходные вещества), направляемую в контактный аппарат.
Реакция соединения оксида серы(IV) с кислородом
(прямая) — обратимая и экзотермическая, в то время как
реакция разложения оксида серы(VI) на оксид серы(IV) и
152
кислород — обратимая и эндотермическая. Повышение
температуры будет смещать химическое равновесие в сторону
разложения оксида серы(VI), так как эта реакция
эндотермическая, а задача производства состоит в получении
оксида серы(VI); понижение же температуры смещает
химическое равновесие в сторону образования оксида серы(VI),
так как эта реакция экзотермическая, но, как уже указывалось
выше, катализатор должен быть нагрет до определённой
температуры, а поэтому и в этом случае подбирают оптимальную
температуру, при которой и катализатор был бы активным, и
чтобы уменьшилась возможность разложения оксида серы(VI).
Для этого в контактном аппарате проходят трубы теплообменников, которые позволяют начинать реакцию при температуре 600 °С, а затем снижать температуру до 400–450 °С по
мере повышения концентрации оксида серы(VI).
Так как реакция получения оксида серы(VI) идёт с
уменьшением образования числа молей (с уменьшением числа
молекул), то смещение химического равновесия в сторону
образования оксида серы(VI) достигается при проведении
реакции под некоторым заданным давлением.
В современных контактных аппаратах достигают 99%-ного
использования сернистого газа.
Гидратация оксида серы (VI) –3-я стадия производства
Газовая смесь, содержащая оксид серы (VI), из контактного
аппарата направляется в поглотительную башню, в которую
газы входят снизу, а концентрированная 98%-ная кислота
подаётся сверху из разбрызгивателя. В данной кислоте есть
2% воды, которая и взаимодействует с оксидом серы(VI),
образуя серную кислоту :
SO
+ H2O = H2SO4 + Q
3
Характеристика реакции:
необратимая;
гетерогенная;
экзотермическая;
некаталитическая.
Поскольку эта реакция необратима до температуры 300 °С,
обращают внимание только на увеличение скорости реакции,
которая зависит от величины поверхности соприкосновения
жидкости и газа, так как эта реакция — гетерогенная. Для
увеличения поверхности соприкосновения между веществами
поглотительная башня заполнена полыми цилиндрами,
153
поверхность которых смачивается, поступающей сверху
концентрированной серной кислотой, а газовая смесь идёт
противотоком, т. е. снизу, что даёт возможность для более
полного использования веществ в реакции. Серная кислота,
образованная в результате реакции соединения оксида серы
(VI) с водой, смешивается с кислотой, подаваемой в башню и
образуется 100%-ная серная кислота, которая поглощает
избыток оксида серы (VI), в результате чего получают олеум,
который и поступает на склад.
Несмотря на то, что в поглотительной башне идёт
экзотермическая реакция, температура не поднимается выше
300 °С, так как в башню сверху постоянно подают охлаждённую
концентрированную серную кислоту.
В поглотительной башне для поглощения оксида серы(VI)
нельзя использовать воду, так как над поверхностью воды
всегда имеются пары воды, которые взаимодействуют с
оксидом серы(VI), и образуются мелкие капельки серной
кислоты, которые в силу определённых физических свойств
не смешиваются с общей массой воды. Если бы поглощение
оксида серы(VI) проводили бы водой, то мелкие капельки
серной кислоты выносились бы из башни вместе с потоком
газообразной смеси. Над поверхностью концентри ро ванной
серной кислоты водяной пар практи чески отсутствует, а
поэтому целесообразнее использовать кон центрированную
серную кислоту, а не воду для погло щения оксида серы(VI).
Итак, как результат производства серной кислоты
получают олеум. Олеум — раствор оксида серы(VI) в 100%-ной
серной кислоте. Содержание растворённого оксида серы(VI) в
олеуме колеблется в широких пределах. Для получения
серной кислоты нужной концентрации в олеум добавляют
разбавленную серную кислоту.
Для поддержания заданных оптимальных условий на
всех стадиях производства серной кислоты на современных
заводах производства серной кислоты используют большое
число автоматических контрольно-измерительных приборов.
Вопросы и задания по теме
«Производство серной кислоты»:
1. Каково значение производства серной кислоты?
2. Назовите три основных стадии химического процесса в произ-
водстве серной кислоты.
154
3. Какие вещества могут быть использованы в качестве сырья для
производства серной кислоты?
4. Запишите уравнение реакции, лежащей в основе получения
сернистого газа из серного колчедана, и дайте характеристику
указанной вами реакции.
5. Какие условия реакции должны соблюдаться при получении
сернистого газа из серного колчедана и почему? Дайте
обоснованный ответ.
6. Какую газовую смесь называют печным газом? Каков состав
печного газа?
7. Какие аппараты входят в состав очистительной системы
газов? Назовите функции указанных вами аппаратов. На каком
этапе производства серной кислоты и почему используется
очистительная система газовой смеси?
8. Какая химическая реакция протекает в контактном аппарате?
Напишите уравнение реакции, дайте характеристику указанной
вами реакции и опишите условия её проведения.
9. Назовите газы, входящие в состав газовой смеси, которая
выходит из контактного аппарата. Чем указанный вами состав
газовой смеси отличается от состава печного газа?
10. Напишите уравнение реакции гидратации оксида серы
(VI), дайте характеристику указанной вами реакции и опишите
условия её проведения.
11. Почему нельзя использовать воду в поглотительной башне?
12. Что такое олеум и как его используют?
155
ЧАСТЬ II
Глава 1
Вода. Растворы (водные)
§ 1. Вода — важнейший растворитель на Земле.
Растворы
Вода — важнейший растворитель. В водных растворах
проходят все биохимические реакции, а поэтому на Земле нет
ни одного живого существа, которое могло бы жить и развиваться без воды. Например, в кишечник человека, этот главный химический реактор в организме, только за одни сутки
поступает около 10 л воды: 1,5–2 л вместе с едой и питьём,
1,5 л в виде желудочного сока, столько же в виде слюны, 3 л
поставляют кишечные соки, 0,7 л вводится вместе с желчью
и т. д. Недаром Леонардо да Винчи называл воду соком жизни
на Земле.
Вода — главный растворитель не только в живой, но и в
неживой природе. Миллионы ручейков, речек и рек, омывая
земную сушу, растворяют буквально всё, что попадает им на
пути. Вода из океана испаряется и снова возвращается на землю в виде различных осадков, а растворённые в ней вещества
остаются в океане.
Мы используем слова «растворитель», «растворить»
не только для описания природных явлений. Говорим,
например, сахар и соль растворяются в воде — мы произносим
эти слова, но не всегда задумываемся над смыслом этих слов.
Что означает слово «растворяются»? Что происходит с сахаром
и солью, когда они попадают в воду? Исходя из своего
жизненного опыта, после небольшого размышления мы
приходим к выводу, что слово «растворяются» можно
заменить словом «дробятся до мельчайших частичек».
Поскольку мы уже знаем, что сахар — вещество с молекулярной кристаллической решёткой, а соль — вещество
с ионной кристаллической решёткой, то можем уточнить
названия этих мельчайших частичек. Итак, сахар и соль,
попадая в воду, дробятся до мельчайших частичек, причём
156
сахар дробится до молекул, так как он состоит из молекул,
а соль дробится до ионов, так как соль состоит из ионов.
Обращаем внимание на то, что процесс дробления (процесс
разрушения кристаллической решётки) сахара, соли или
какого-то другого вещества происходит под воздействием
молекул воды, и что в результате этого процесса получают
однородную смесь, которую назвают раствором.
Следовательно, вода растворяет сахар, соль и многие
другие вещества. Вода — растворитель. Сахар и соль —
вещества, которые обладают свойством, называемым
растворимостью. Сахар и соль — растворимые в воде
вещества.
Дадим определение таким понятиям, как растворение, растворитель, растворимость, растворимое и нерастворимое вещество,
используя значение глаголов «растворить», «растворяться» и прогностическое значение уже известных вам суффиксов «ени», «ани»,
«ител», «ост».
Глаголы: 1. Растворить — это значит раздробить вещество до
отдельных структурных частиц (молекул и ионов). Вода растворяет многие вещества.
2. Раствориться — это значит раздробиться до отдельных
структурных частиц под воздействием молекул другого вещества
(например, воды). Многие вещества растворяются в воде.
Растворение — это процесс дробления вещества до
структурных частиц (молекул или ионов) под воздействием
молекул воды (мы рассматриваем только водные растворы).
Растворитель — это вещество, которое дробит другое
вещество до отдельных структурных частиц.
Растворимое вещество — это вещество, которое дробится до отдельных структурных частиц.
Нерастворимое вещество — это вещество, которое не
дробится до отдельных структурных частиц.
Раствор — это однородная смесь, состоящая из воды и
растворённого в ней вещества.
В воде растворяются как твёрдые и жидкие, так и газообразные вещества.
Растворимость — это свойство веществ дробиться до
отдельных структурных частиц под воздействием молекул
воды.
Есть и другое значение и другое определение понятия «растворимость».
Растворимость — это физическая величина, которая
характеризует данное вещество максимальным числом грам-
157
мов этого вещества, которое может раствориться в 100 г воды
при данной температуре.
Растворимость веществ в воде различна. Так, например, в
100 г воды при температуре 20 °С растворяется: сахара —
200 г, поваренной соли — хлорида натрия — 35,8 г, сульфата
меди — 20,7 г, сульфата кальция — 0,2 г.
По способности растворяться в воде вещества делят на:
— хорошо растворимые — например, сахар, хлорид на-
трия, нитрат калия;
— мало растворимые — например, гипс CaSO
Ca(OH)
, у которых растворимость выражается долями грам-
2
, известь
4
ма;
— практически нерастворимые — например, хлорид се-
ребра, сульфат бария, карбонат кальция и др.
Следует отметить, что абсолютно нерастворимых веществ
нет; в действительности практически нерастворимые вещества растворяются, но в таких незначительных количествах,
что их можно считать нерастворимыми. Составлена таблица
растворимости солей, кислот и оснований (см. таблицу растворимости солей, кислот и оснований).
Растворимость веществ зависит от температуры: при
повышении температуры растворимость многих твёрдых веществ увеличивается (например, у сахара), практически не
изменяется (например, у поваренной соли), а у некоторых веществ даже уменьшается. Растворимость всех газов с повышением температуры уменьшается. Так, если оставить в тёплом помещении стакан с холодной водой, то на внутренних
стенках стакана появятся пузырьки газа — это воздух, который был растворён в воде и выделился из неё вследствие нагревания. Кипячением можно удалить из воды весь растворённый в ней воздух.
Растворимость газов в воде зависит от давления: с увеличением давления растворимость увеличивается, а с уменьшением — понижается. Это легко наблюдать при открывании бутылки с минеральной газированной водой. На заводах,
где разливают в бутылки минеральную воду, её насыщают
углекислым газом под давлением. Если открыть пробку, давление газа в бутылке уменьшается и вода с шипением и силой
вырывается из неё в результате бурного выделения газа.
Насыщенный раствор — это раствор, в котором содержится максимально возможное количество данного вещества
в растворённом состоянии при данной температуре, и больше
вещества в нём не может раствориться.
158
Ненасыщенный раствор — это раствор, в котором ещё
какое-то количество данного вещества может раствориться
при данной температуре.
Растворяем сахар в стакане воды. Кладём сахара столько,
что сколько бы времени мы не размешивали сахар ложкой, на
дне стакана всегда остаётся нерастворённый сахар. В этом
случае раствор над нерастворённым сахаром будет насыщенным раствором.
Насыщенный и ненасыщенный растворы нельзя путать с
разбавленным и концентрированным растворами.
Разбавленные растворы — это растворы с небольшим
содержанием растворённого вещества.
Концентрированные растворы — это растворы с большим содержанием растворённого вещества.
Необходимо подчеркнуть, что понятия разбавленный и
концентрированный растворы являются относительными,
выражающими только соотношение количеств растворённого вещества и растворителя в растворе. Поэтому иногда
встречаются определения крепкий, слабый раствор в том
же самом значении. Эти определения возникли из практической необходимости. Так, говорят: концентрированный
(крепкий) раствор серной кислоты или разбавленный (слабый) раствор серной кислоты, но сказать однозначно, какой концентрации раствор серной кислоты нужно считать
концентрированным, а какой — разбавленным, точно
нельзя.
Сравнивая растворимость различных веществ, мы видим,
что насыщенные растворы мало растворимых веществ являются разбавленными, а хорошо растворимых веществ — хотя
и ненасыщенные, но довольно концентрированными.
Например, при 20 °С в 100 г воды растворяется 0,00013 г
карбоната кальция. Раствор карбоната кальция при этих
условиях является насыщенным, но весьма разбавленным
(с очень малым содержанием растворённого вещества). С другой стороны, если при 20 °С в 100 г воды растворить 30 г поваренной соли, то этот раствор будет ненасыщенным, но весьма
концентрированным (с большим содержанием растворённого
вещества), так как растворимость поваренной соли при 20 °С в
100 г воды равна всего 35,8 г.
Существуют разные способы выражения количественного состава растворов, т. е. разные величины, показывающие
содержание растворённого вещества в определённой массе
или объёме раствора. Одним из способов выражения количе-
159
ственного состава растворов является массовая доля растворённого вещества в растворе.
Массовая доля растворённого вещества в растворе (
) —
это физическая величина, которая показывает, какая часть
от общей массы раствора приходится на массу растворённого
вещества.
Массовая доля растворённого вещества в растворе (
) —
это физическая величина, равная отношению массы растворённого вещества к общей массе раствора.
m (вещества)
= .
m (раствора)
Массовую долю растворённого вещества в растворе (
)
обычно выражают в долях единицы, или процентах.
Так, говорят, например, 15%-ный раствор поваренной
соли. Этим выражением показывают, что массовая доля поваренной соли в таком растворе составляет 0,15 или 15%. Процент, как вы знаете, — это сотая часть числа. Это значит, что
в 100 г такого раствора содержится 15 г поваренной соли и
85 г воды.
Итак, есть вещества, растворимые в воде и нерастворимые. Природная вода всегда содержат примеси, т. е. при-
родная вода — это смесь веществ. Одни из них (нерастворимые вещества) находятся во взвешенном состоянии, и такую смесь называют взвесь, другие — в растворённом
состоянии и такую смесь, как вы уже знаете, называют рас-
твор. Взвеси бывают разными, и в зависимости от того, какое вещество — жидкое или твёрдое — образует взвесь,
они имеют разные названия: суспензии и эмульсии. Взвеси
обычно бывают мутными.
Суспензии — это взвеси, в которых мелкие частицы твёрдого вещества равномерно распределены в воде.
Пример — смесь глины с водой.
Эмульсии — это взвеси, в которых мельчайшие капельки
какой-либо жидкости равномерно распределены в другой
жидкости.
Например, эмульсия образуется при взбалтывании подсолнечного масла с водой.
От большей части взвешенных частиц вода может быть
освобождена отстаиванием или, быстрее, фильтрованием
сквозь толстые слои песка и т. п. В лаборатории для этой цели
применяется фильтровальная (непроклееная, т. е. имеющая
микроскопические отверстия) бумага. От растворённых ве-
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]