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.
Температура замерзания серной кислоты:
концентрация, %
темп.замерз., "С
74,7
-20
76,4
-20
78,1
-20
79,5
-7,5
80,1
-8,5
81,5
-0,2
83,5
1,6
84,3
8,5
85,7
4,6
87,9
-9
90,4
-20
92,1
-35
95,6
-20
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.
Серный ангидрид далее поглощается водой, содержащейся в разбавленной H2SO4:
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.