Серная кислота- хлеб химической промышленности

Министерство образования Нижегородской области

Государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

"Дзержинский технический колледж"

Индивидуальный проект

по химии

на тему:

«Серная кислота - хлеб химической

промышленности»

                                                            Выполнил: студент I курса11 группы

                                                               Специальность: 15.02.08

                                                               Технология              

                                                                машиностроения

                                            Калинин Андрей Сергеевич

                                                                Руководитель: Зайцева Е.А.

                                  преподаватель химии

г. Дзержинск

2018г.

Содержание

Введение

Как известно издавна серную кислоту считали «матерью» всех кислот.

Серная кислота известна с древности. Первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса "зеленого камня", встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну.

Позже, в 9 веке персидский алхимик Ар-Рази, прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO4•7H2O и CuSO4•5H2O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус, живший в 13 веке.

В 15 веке алхимики обнаружили, что серную кислоту можно получить, сжигая смесь серы и селитры, или из пирита - серного колчедана, более дешевого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. И только в середине 18 столетия, когда было установлено, что свинец не растворяется в серной кислоте, от стеклянных лабораторий перешли к большим свинцовым камерам.

В настоящее время серная кислота является «хлебом химической промышленности».

Цели проекта:

- изучить  и исследовать свойства  серной кислоты;

- узнать её значение в химической промышленности и жизни человека.

Задачи проекта:

- найти и проанализировать информационные ресурсы по теме: «Серная кислота»;

-

- собрать информацию о её применении в химической промышленности.

Актуальность:

        На уроках химии мы изучали  тему: «Сера и её соединения», и я решил узнать больше информации о производстве серной кислоты, её свойствах и применении. Я выбрал такую тему проекта, потому что очень интересуюсь химией как наукой. Если внимательно посмотреть по  сторонам, роль химии в жизни человека становится очевидной.

Химия сопровождает нас каждый день, невозможно прожить без использования законов и расчетов великой науки.

На подготовительном этапе мы проанализировали информационные ресурсы по теме: «Серная кислота».

Серная кислота́ H2SO4 — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6).  В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом.

Физические свойства:

Кислота серная - прозрачная, тяжелая, маслянистая жидкость с резким запахом. На воздухе медленно испаряется. Чистая серная кислота бесцветна, наличие примесей придает технической серной кислоте желтовато-бурый оттенок. Концентрацию серной кислоты определяют по содержанию в кислоте моногидрата или по плотности. С водой смешивается во всех отношениях, очень гигроскопична. Смешение серной кислоты с водой сопровождается высоким тепловым эффектом, выделением паров и газов.

Правила разбавления

Растворение серной кислоты в воде – физико-химическое явление, которое сопровождается выделением большого количества энергии (экзотермическая реакция. Каждому нужно знать правило:

Кислоту льём в воду, а не наоборот!!!

Иначе не избежать ожогов.

Правила обращения с кислотами

- Наливать кислоту осторожно, держа пробирку над ящиком.

- В случае попадания кислоты на кожу или слизистые оболочки, тщательно     промыть под краном пораженное место.  

- Нейтрализовать раствором соды.

Разрушающе действует на органические вещества, вызывает сильное раздражение глаз, вплоть до слепоты, разъедает кожу, вызывает ее изъязвление, ожоги, оказывает коррозионное действие на многие металлы. Серная кислота - негорючая пожароопасная жидкость. Разбавленная серная кислота растворяет металлы с выделением водорода, концентрированная вызывает самовоспламенение горючих веществ.

Химические свойства:

Серная кислота — довольно сильный окислитель.

I. Серная кислота в растворе обладает общими для класса кислот химическими свойствами.

1. Серная кислота ступенчато диссоциирует в растворе с образованием иона водорода.

H2SO4 = H++HSO4-

HSO4- = H++SO42-

серная кислота изменяет окраску индикаторов:

Лакмус - краснеет

Метиловый оранжевый - розовеет

2.Окислительно-востановительные реакции характерны для взаимодействия растворов серной кислоты с металлами.

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2O

Zn+2H+=Zn2++H2

3.Реакции обмена разбавленной серной кислоты с основными и амфотерными оксидами:

MgO+H2SO4=MgSO4+H2OMgO+2H+=Mg2++H2O

4.Реакции с основаниями

H2SO4+2KOH=K2SO4+2H2O

2H++2OH=2H2O

5.Реакции с растворами солей:

H2SO4+Na2CO3=Na2SO4+CO2+ H2O

2H++ CO3-2= CO2+ H2O

Качественная реакция на серную кислоту и ее соли, с помощью которой можно распознать их среди других веществ, реакция с растворимыми солями бария:

H2SO4+BaCl2=BaSO4+2H2Cl

K2SO4+Ba(NO3)2= BaSO4+2KNO3

Суть процесса: выпадает белый осадок сульфата бария, не растворимый ни в воде, ни в кислотах:

Ba2++SO42+= BaSO4

Катион бария является реагентом на сульфат-ион.

II. Химические свойства концентрированной серной кислоты.

1. концентрированная серная кислота активно взаимодействует с водой, образуя гидраты.

H2SO4+n H2O= H2SO4* n H2O+Q

2. Окисление неметаллов

C+2H2SO4=CO2+ 3SO2+2H2O

S+2H2SO4=3SO2+2H2O

3. окисление сложных веществ:

H2SO4+2H2Br= Br2+SO2+2H2O

4. взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами.

8 Na+5 H2SO4= 4Na2 SO4+ H2S+4H2O

Концентрированная серная кислота реагирует и с металлами, стоящими в ряду активности после водорода, с такими, как медь, серебро, ртуть. Реакции идут при нагревании. Cu+2H2SO4= Cu SO4+SO2+2H2O

Производство серной кислоты

Исходное сырье

Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты в СССР получали из серы, треть – из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.

В целях защиты окружающей среды во всем мире принимаются меры по использованию отходов промышленности, содержащих серу. В атмосферу с отходящими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасывается диоксида серы значительно больше, чем употребляется для производства серной кислоты. Из-за низкой концентрации SO2 в таких отходящих газах их переработка пока еще не всегда осуществима.

В то же время отходящие газы – наиболее дешевое сырье, низки оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьем является сера. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов.

В кратере вулкана Иджен на острове Ява, расположено большое горячее озеро серной кислоты, по берегам которого местные жители в нечеловеческих условиях добывают серу. В чаше из базальтовых серых стен расположено яблочно-зеленое озеро, над поверхностью которого тянутся сернистые шлейфы. Озеро находится на высоте 2 386 метров над уровнем моря. Глубина его не велика - 212 метров.
По берегам вокруг черных отверстий, напоминающих раскрытые зевы чудовищ, отливают золотом валики серы. Такие же отверстия существуют в дне озера, поэтому его температура на поверхности составляет 60 градусов, а в глубине - свыше 200 градусов по Цельсию. Озеро хранит в своей чаше 40 миллионов тонн смеси концентрированных соляной и серной кислот.
Но, самое удивительное, - в каждом литре этой смеси содержится ещё и 5 граммов растворенного алюминия. Ученые подсчитали, что всего в озере растворено свыше 200 тысяч тонн этого металла.
"Дуновение" газов с высоким содержанием сероводорода, сернистого ангидрида и соляной кислоты не позволяет подолгу находиться в этом месте. Пары вызывают острые приступы кашля, если не одевать на лицо маску.
Тем не менее, в кратере вулкана вручную добывается сера для промышленных нужд. Носильщики серы набивают по 70 - 80 кг сырья в специальные корзины, неся их в одну ходку. Дневная зарплата работника - около 5 долларов. Средняя продолжительность жизни индонезийского добытчика серы составляет 30 лет.

Способы производства

Еще в XIII веке серную кислоту получали в незначительных количествах термическим разложением железного купороса FeSO4 , поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом, хотя уже давно серная кислота не производится из купороса.

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце ХIХ и начале ХХ века. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный). Первой стадией сернокислотного производства по любому методу является получение диоксида серы при сжигании сернистого сырья. После очистки диоксида серы (особенно в контактном методе) ее окисляют до триоксида серы, который соединяют с водой с получением серной кислоты. Окисление SO2 в SO3 в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

В настоящее время контактным методом получают концентрированную серную кислоту, олеум и 100% серный ангидрид.

Одновременно с увеличением объема производства серной кислоты расширяется ассортимент продукции сернокислотных заводов, организуется выпуск особо чистой кислоты, 100% SO2, высококачественного олеума и кислоты, а также увеличивается производство новых продуктов на основе SO2. Кроме олеума, концентрированной серной кислоты и аккумуляторной кислоты, отечественные заводы выпускают также более чистую контактную кислоту улучшенного качества (для производства искусственного волокна, титановых белил и др.), чистый олеум, химически чистую и реактивную серную кислоту.

Основные этапы:

Ниже приведены реакции по производству серной кислоты из минерала пирита.

4FeS2 +11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

2SO2 + O2 = 2SO3

Нитрозный метод получения серной кислоты

SO2 + NO2 → SO3 + NO↑.

NO+O2=NO2

При реакции SO3 с водой выделяется огромное количество теплоты и серная кислота начинает закипать с образованием "туманов" SO3 + H2O = H2SO4 + Q Поэтому SO3 смешивается с H2SO4, образуя раствор SO3 в 91% H2SO4 - олеум

Получение серной кислоты (т.н. купоросное масло) из железного купороса - термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси

2FeSO4*7H2O→Fe2O3+SO2+H2O+O2

SO2+H2O+O2 ⇆ H2SO4

Упаковка, транспортирование, хранение

Техническую серную кислоту транспортируют в железнодорожных сернокислотных цистернах в соответствии с правилами перевозок грузов. Олеум транспортируют в специальных олеумных цистернах отправителя с утеплением или устройством для подогрева. Техническая серная кислота и олеум должны храниться в емкостях из стали или спецстали, как нефутерованных, так и футерованных кислотоупорным кирпичом или кислотоустойчивым материалом.

Внешний вид и некоторые технические характеристики

В зависимости от способа производства, концентрации кислоты, содержания примесей и назначения выпускается серная кислота следующих видов:

контактная (улучшенная и техническая);

олеум (улучшенный и технический);

башенная;

аккумуляторная;

регенерированная.

Кислота серная отпускается в тару потребителя - полиэтиленовый канистры или стеклянные бутыли. Допускается хранение продукта в емкостях с эмалированным покрытием внутренней поверхности. При работе с серной кислотой избегать прямого контакта с веществом, защищать глаза, кожу и дыхательные пути, использовать защитную одежду. Хранить отдельно от  всех веществ. Срок хранения продукта не ограничен.

. Концентрированная H2SO4 частично восстанавливается H2. Из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, с выделением H2. Окислительные свойства для разбавленной H2SO4 нехарактерны. Серная кислота дает два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) H2SO4; и пероксодисерная H2SO4 кислоты.

Применение

Кислота серная находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Ее используют как относительно сильную и дешевую кислоту в качестве дегидратационного, окисляющего и сульфирующего агента.  

Серную кислоту применяют:

в производстве минеральных удобрений;

как электролит в свинцовых аккумуляторах;

для получения различных минеральных кислот и солей;

в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ;

в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;

в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513(эмульгатор);

в промышленном органическом синтезе в реакциях:

дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);

гидратации (этанол из этилена);

сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);

алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.

Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На 1 т PO4 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH2)2SO4 — 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Контактная кислота и олеум применяется:

в производстве различных органических полупродуктов, красителей для взрывчатых веществ;

в производстве жирных и сульфоновых кислот, красок, искусственного шелка, нитроэфиров;

для очистки бензина, керосина, минеральных масел;

для рафинации золота и серебра;

для отделения серебра от меди и др.

Аккумуляторная серная кислота служит для наполнения свинцовых аккумуляторов после разбавления ее дистиллированной водой, а также употребляется при гальванизации, никелировании и хромировании.

Токсическое действие:

Серная кислота и олеум — чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

Экспериментальная часть работы

 На практическом этапе мы осуществили реакции, подтверждающие химические свойства H2SO4.

Цель: изучение свойств разбавленной и концентрированной серной кислоты.

Опыт №1. Обугливание древесины.

Описание опыта:

Древесина состоит из множества органических веществ, среди которых – целлюлоза (C6H7O2(OH)3)n . Концентрированная серная кислота разрушает органические молекулы, отнимая водород и кислород – составляющие воды.

Разрушение органических молекул сопровождается выделением свободного углерода.

Поэтому лучинка чернеет, обугливается.

Кислота ведет себя как обезвоживающий агент.

Если поставить открытую емкость с концентрированной серной кислотой в помещении, через некоторое время объем жидкости заметно увеличится: кислота будет притягивать влагу из воздуха.

Опыт №2. Фейерверк в жидкости.

Описание опыта:

В мерный цилиндр наливаем 50 мл этилового спирта. Через пипетку, которая опущена до дна цилиндра, вводим 40 мл концентрированной серной кислоты. Таким образом, в цилиндре образуется два слоя жидкости с хорошо заметной границей : верхний слой -  спирт, нижний – серная кислота В цилиндр бросаем немного мелких кристалликов перманганата калия. Дойдя до границы раздела, кристаллики начинают вспыхивать – вот нам и фейерверк. Появление вспышек связано с тем, что при соприкосновении с серной кислотой на поверхности кристалликов соли образуется марганцевый ангидрид Mn2O7 – сильнейший окислитель, который поджигает небольшое количество спирта:

2KMnO4 + H2SO4 → Mn2O7 + K2SO4 + H2O.

Mn2O7 – зеленовато-бурая жидкость, неустойчива и при соприкосновении с горючими веществами поджигает их.

Опыт №3. Обугливание сахара

Описание опыта:

В химический стакан ёмкостью 150мл насыпьте 40г растёртого в порошок сахара и слегка смочите его 3-4мл воды. Теперь в полученную массу добавьте 20-25мл концентрированной серной кислоты и размешайте смесь стеклянной палочкой. Палочку не вынимайте. Через несколько минут смесь потемнеет, температура повысится, и из стакана начнёт "вырастать" чёрная пенообразная масса. Это пористый уголь, появление которого объясняется дегитратацией сахара серной кислотой:

C12H22O11 = 12C + 11H2O

Кроме этого происходит восстановление серной кислоты углём:

2H2SO4 + C = CO2 + 2SO2 + 2H2O

Вывод: концентрированная серная кислота – сильнейший окислитель.

Дополнительные сведения

Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы. Получившаяся взвесь, из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата. Например, в результате извержения вулкана Ксудач (п-ов Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже. Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году, отправивший в атмосферу 3·107 тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994 .

Облака серной кислоты, предположительно, составляют значительную часть облачного покрова Венеры.

Заключение

Так почему же её называют "хлебом химической промышленностью"?

 Во-первых, в плане применения серная кислота, практически, занимает первое место среди других кислот.

 Во-вторых, серную используют в производстве красителей, пластмасс, взрывчатых веществ, искусственных волокон, обязательно используют!, для синтеза фосфорных и азотных удобрений, для очистки нефтепродуктов от вредных примесей. 

 В-третьих, её применяют для очистки поверхности металлов от оксидов перед никелированием и, вроде бы, перед хромированием, также для заливки аккумуляторов и производства других кислот!

 В-четвёртых, я назвал только малую часть того, где применяют серную кислоту!

Применение её очень велико, без неё никак!  

Литература

1. Мельников Е.Я, Салтанова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений. Учебник для техникумов. М.: Химия, 1983. -- 432 с.

2.  Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. 3-е изд. Учеб. для вузов. -- 3-е изд., перераб. -- М.: Академкнига, 2004. -- 528 с.: ил.

3. О.А. Федяева Промышленная экология. Конспект лекций. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 145 c.

4. https://znanija.com/task/436506

5. https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2014/12/13/proekt-po-khimii-khleb-khimicheskoy-promyshlennosti

6. http://www.skachatreferat.ru/referaty/Вср-5Серная-Кислота/83367043.html

7. https://studfiles.net/preview/6448601/page:2/