Решение задачи: Производство серной кислоты (Конспект)

Ниже представлен краткий конспект по теме «Производство серной кислоты» и ответы на вопросы из учебника. Конспект 1. Применение серной кислоты Серная кислота \(H_2SO_4\) — важнейший продукт химической промышленности. Она используется для: — производства минеральных удобрений и солей; — очистки нефтепродуктов (бензина); — производства красителей, лекарств и взрывчатых веществ; — травления металлов и в гидрометаллургии; — в качестве электролита в аккумуляторах. 2. Стадии производства (контактный способ) Сырьем служат: серный колчедан \(FeS_2\), сера \(S\) или сероводород \(H_2S\). I стадия: Получение \(SO_2\) (обжиг сырья). Проводится в печи для обжига в «кипящем слое». \[4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2 \uparrow\] Полученный печной газ очищают от пыли в циклоне и электрофильтре, а затем осушают в сушильной башне концентрированной серной кислотой. II стадия: Окисление \(SO_2\) в \(SO_3\). Происходит в контактном аппарате на пористых полках с катализатором \(V_2O_5\). Реакция обратимая и экзотермическая: \[2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3 + Q\] III стадия: Поглощение \(SO_3\). Проводится в поглотительной башне. \(SO_3\) поглощают не водой (чтобы не образовался «сернокислотный туман»), а концентрированной серной кислотой. Образуется олеум. \[SO_3 + H_2O \xrightarrow{в\ H_2SO_4} H_2SO_4\] 3. Экологические аспекты Производство связано с выбросами, вызывающими кислотные дожди и заболевания дыхательных путей. В современной России внедряются технологии безотходного производства и глубокой очистки газов для защиты окружающей среды. Ответы на вопросы Вопрос 1. Сравнение производства аммиака и серной кислоты. Общее: Оба производства используют принцип циркуляции, теплообмен для экономии энергии, катализаторы для ускорения реакций и непрерывный технологический процесс. Отличия: В производстве аммиака используется очень высокое давление, а в производстве серной кислоты давление близко к атмосферному. Различаются сырье и типы химических реакций (синтез из элементов против окисления соединений). Вопрос 4. Задача на выход продукта. Дано: \(m(сырья) = 2,5\ т\) \(\omega(примесей) = 8\%\) \(\omega(H_2SO_4) = 98\%\) Решение: 1) Массовая доля чистой серы: \(100\% - 8\% = 92\%\) или \(0,92\). 2) Масса чистой серы: \(m(S) = 2,5 \cdot 0,92 = 2,3\ т\). 3) Из \(S\) получается \(H_2SO_4\) (соотношение серы 1:1). Молярные массы: \(M(S) = 32\ г/моль\), \(M(H_2SO_4) = 98\ г/моль\). 4) Масса чистой кислоты: \[m_{чист}(H_2SO_4) = \frac{2,3 \cdot 98}{32} \approx 7,044\ т\] 5) Масса 98%-го раствора: \[m_{р-ра} = \frac{7,044}{0,98} \approx 7,19\ т\] Ответ: можно получить примерно \(7,19\ т\) кислоты. Вопрос 5. Задача на разбавление олеума. Дано: \(m(олеума) = 1,5\ т\) \(\omega(SO_3) = 20\%\) \(\omega(H_2SO_4)_{конеч} = 98\%\) Решение: 1) В 1,5 т олеума содержится \(1,5 \cdot 0,2 = 0,3\ т\ SO_3\) и \(1,2\ т\ H_2SO_4\). 2) При добавлении воды \(SO_3\) превращается в кислоту: \(SO_3 + H_2O = H_2SO_4\). Из \(80\ г\ SO_3\) получается \(98\ г\ H_2SO_4\). Из \(0,3\ т\ SO_3\) получится \(0,3 \cdot 98 / 80 = 0,3675\ т\ H_2SO_4\). 3) Общая масса чистой кислоты: \(1,2 + 0,3675 = 1,5675\ т\). 4) Пусть \(x\) — масса добавленной воды. Масса итогового раствора: \(1,5 + x\). \[0,98 = \frac{1,5675}{1,5 + x}\] \[1,47 + 0,98x = 1,5675\] \[0,98x = 0,0975\] \[x \approx 0,0995\ т \approx 100\ кг\] Ответ: нужно добавить около \(100\ кг\) воды. Вопрос 6. Распознавание солей. Реактив: Раствор сильной кислоты (например, \(HCl\)). 1) Сульфид натрия \(Na_2S\): выделится газ с запахом тухлых яиц (\(H_2S\)). \[Na_2S + 2HCl = 2NaCl + H_2S \uparrow\] \[S^{2-} + 2H^+ = H_2S \uparrow\] 2) Сульфит натрия \(Na_2SO_3\): выделится резкий запах горящей серы (\(SO_2\)). \[Na_2SO_3 + 2HCl = 2NaCl + SO_2 \uparrow + H_2O\] \[SO_3^{2-} + 2H^+ = SO_2 \uparrow + H_2O\] 3) Сульфат натрия \(Na_2SO_4\): видимых изменений не будет.