Какой катализатор используют в контактном аппарате при окислении SO_2 в SO_3?

Оксид марганца(IV)

Какие принципы химической технологии используют и в производстве серной кислоты, и в синтезе аммиака?

Применение катализатора

Почему оксид серы(VI) поглощают концентрированной серной кислотой, а не водой?

Вода вскипает от теплоты реакции, и кислота образует туман

С водой $\mathrm{SO_3}$ не реагирует

Так получается более дешёвая разбавленная кислота

Вода отравляет катализатор

Получение важнейших соединений неметаллов

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Получение неметаллов

Коротко о главном

Серную кислоту получают контактным способом в три стадии, аммиак — прямым синтезом из азота и водорода на катализаторе. Оба производства держатся на общих принципах химической технологии: противоток, теплообмен, циркуляция, катализатор и выбор оптимальных условий.

\mathrm{S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2SO_4} \qquad \mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3 + Q}

Подробное объяснение

В пробирке реакцию можно провести как угодно: нагреть посильнее, взять избыток реагента, подождать. Завод так не может — он перерабатывает тысячи тонн сырья в сутки, и каждый лишний градус или потерянный килограмм стоит денег. Поэтому химическая технология — это поиск условий, при которых реакция идёт быстро, полно, с минимумом энергии и отходов.

Любое химическое производство включает три главные стадии: подготовку сырья и подачу его в зону реакции, саму реакцию, отвод продуктов и непрореагировавших веществ.

Две технологические цепочки. Серная кислота — печь, очистка, контактный аппарат, поглотительная башня; аммиак — сырьё, компрессор, колонна синтеза, холодильник. Отмечены теплообмен, противоток и возврат непрореагировавших газов. — В обоих производствах непрореагировавшие газы возвращают в реактор (циркуляция), а тепло продуктов подогревает исходные вещества.

Серная кислота: контактный способ

Серная кислота — один из самых массовых продуктов химии: из неё делают удобрения, она нужна в металлургии, нефтепереработке, производстве красок и моющих средств.

Получение $\mathrm{SO_2}$ . Сейчас сырьё — сера: её плавят и сжигают в токе воздуха: $\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2 + Q}$ . Раньше обжигали серный колчедан: $\mathrm{4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2 + Q}$ . Колчедан измельчают и обжигают в кипящем слое: воздух снизу держит частицы во взвешенном состоянии. Печной газ очищают от пыли (циклон, электрофильтр), сушат концентрированной серной кислотой.
Окисление $\mathrm{SO_2}$ в $\mathrm{SO_3}$ в контактном аппарате на катализаторе $\mathrm{V_2O_5}$ при 400–500 °C: $\mathrm{2SO_2 + O_2 \rightleftarrows 2SO_3 + Q}$ . Реакция обратимая и экзотермическая. Горячий газ после катализатора отдаёт тепло свежему газу через трубки — теплообмен. Непрореагировавшие $\mathrm{SO_2}$ и $\mathrm{O_2}$ возвращают в аппарат — циркуляция. Превращение доходит до 98 %.
Поглощение $\mathrm{SO_3}$ . По уравнению $\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}$ нужна вода, но чистая вода от теплоты реакции вскипает и даёт кислотный туман. Поэтому $\mathrm{SO_3}$ поглощают 98%-ной серной кислотой: она стекает сверху по керамическим кольцам, а газ идёт снизу — противоток. Получается олеум — раствор $\mathrm{SO_3}$ в серной кислоте.

Аммиак: синтез из простых веществ

Аммиак — сырьё для азотной кислоты и азотных удобрений, хладагент холодильных установок.

\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3 + Q}

Здесь химики столкнулись с «температурным конфликтом». Реакция экзотермическая и обратимая: при нагревании равновесие смещается к азоту и водороду, выход аммиака падает. А при низкой температуре реакция почти не идёт. Решение — катализатор (пористое железо с добавками оксидов алюминия и калия), который позволяет работать при 450–500 °C. Высокое давление (порядка 200 атм и выше) смещает равновесие к аммиаку: из 4 объёмов газов получаются 2.

За один проход через колонну синтеза в аммиак превращается лишь небольшая часть смеси (на практике порядка 15–20 %; в учебнике названо 0,1 % — это сильно заниженная цифра). Поэтому газ охлаждают, аммиак сжижается и отводится, а азот с водородом возвращаются в колонну (циркуляция). Тепло выходящих газов подогревает входящую смесь (теплообмен).

Как решать задачи

Запишите цепочку или уравнение и найдите соотношение по главному элементу: $\mathrm{S \rightarrow H_2SO_4}$ (1 : 1), $\mathrm{FeS_2 \rightarrow 2H_2SO_4}$ (1 : 2).
Если даны оба реагента — найдите, какой в недостатке; расчёт ведите по нему.
Найдите количество вещества: $$n = m/M$$ или $$n = V/V_m$$ , $V_m = 22{,}4$ л/моль.
Выход продукта: $\eta = \dfrac{m_{\text{практ}}}{m_{\text{теор}}} \cdot 100\,\%$ . Если выход дан, теоретическую массу находят делением: $m_{\text{теор}} = m_{\text{практ}} / \eta$ .
В тоннах и килограммах удобно считать в киломолях и мегамолях — молярная масса та же.

Разобранные примеры

База

Масса кислоты из серы

Условие

Какую массу серной кислоты можно получить из 8 т серы, если потерь нет?

Дано

$m(\mathrm{S}) = 8$ т

Найти

$m(\mathrm{H_2SO_4})$

Решение

Сера целиком переходит в кислоту: $\mathrm{S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2SO_4}$ , $n(\mathrm{H_2SO_4}) = n(\mathrm{S})$ .

$n(\mathrm{S}) = \dfrac{8}{32} = 0{,}25$ Ммоль.

$m(\mathrm{H_2SO_4}) = 0{,}25 \cdot 98 = 24{,}5$ т.

Ответ: 24,5 т

Средний

Выход кислоты из колчедана

Условие

Из 1,5 т чистого $\mathrm{FeS_2}$ получили 2,2 т серной кислоты. Найдите выход продукта.

Дано

$m(\mathrm{FeS_2}) = 1500$ кг
$m_{\text{практ}} = 2200$ кг

Найти

$\eta$

Решение

В $\mathrm{FeS_2}$ два атома серы: $\mathrm{FeS_2 \rightarrow 2H_2SO_4}$ .

$n(\mathrm{FeS_2}) = \dfrac{1500}{120} = 12{,}5$ кмоль, $n(\mathrm{H_2SO_4}) = 25$ кмоль.

$m_{\text{теор}} = 25 \cdot 98 = 2450$ кг.

$\eta = \dfrac{2200}{2450} \approx 0{,}898$ , то есть 89,8 %.

Ответ: 89,8 %

Сложный

Аммиак из смеси с избытком

Условие

Смешали 112 л азота и 300 л водорода (н. у.). Какой объём аммиака получится при полном превращении вещества, взятого в недостатке, и сколько теплоты выделится, если на 1 моль аммиака выделяется 46 кДж?

Дано

$V(\mathrm{N_2}) = 112$ л
$V(\mathrm{H_2}) = 300$ л
$$Q_1 = 46$$ кДж/моль

Найти

$V(\mathrm{NH_3})$
$$Q$$

Решение

\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}

На 112 л азота нужно $3 \cdot 112 = 336$ л водорода, а есть 300 л — водород в недостатке.

$V(\mathrm{NH_3}) = \dfrac{2}{3} \cdot 300 = 200$ л.

$n(\mathrm{NH_3}) = \dfrac{200}{22{,}4} \approx 8{,}93$ моль, $Q = 8{,}93 \cdot 46 \approx 411$ кДж.

Ответ: 200 л NH₃, около 411 кДж

Типичные ошибки

Забывают, что в FeS₂ два атома серы

Почему неверно

Если считать $n(\mathrm{H_2SO_4}) = n(\mathrm{FeS_2})$ , теоретическая масса кислоты получится вдвое меньше, а выход — вдвое больше настоящего (иногда даже больше 100 %).

Как правильно

Составьте баланс по сере: одна формульная единица $\mathrm{FeS_2}$ даёт две молекулы $\mathrm{H_2SO_4}$ , значит $n(\mathrm{H_2SO_4}) = 2n(\mathrm{FeS_2})$ .

Считают, что SO₃ на заводе растворяют в воде

Почему неверно

Уравнение $\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}$ верное, но чистая вода от выделяющейся теплоты превращается в пар, а кислота — в туман, который почти не улавливается.

Как правильно

$\mathrm{SO_3}$ поглощают концентрированной (98%-ной) серной кислотой, с водой в её составе он и реагирует; получается олеум.

Думают, что для синтеза аммиака чем горячее, тем лучше

Почему неверно

Нагревание ускоряет реакцию, но она экзотермическая и обратимая: при высокой температуре аммиак разлагается и его выход падает.

Как правильно

Берут умеренную температуру 450–500 °C, а скорость обеспечивают катализатором; выход повышают давлением и циркуляцией непрореагировавшей смеси.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Какую массу серной кислоты теоретически можно получить из 64 т серы?

Подсказка

Из одного атома серы получается одна молекула H₂SO₄, поэтому n(H₂SO₄) = n(S).

Решение

$\mathrm{S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2SO_4}$ , значит $n(\mathrm{H_2SO_4}) = n(\mathrm{S})$ .

$n(\mathrm{S}) = \dfrac{64}{32} = 2$ Ммоль (миллиона моль, если считать в тоннах и г/моль).

$m(\mathrm{H_2SO_4}) = 2 \cdot 98 = 196$ т.

Ответ

196 т

База Задача 2

Какой объём аммиака (н. у.) можно получить из 30 л азота, если водорода достаточно и реакция прошла полностью?

Подсказка

Для газов объёмы относятся как коэффициенты в уравнении.

Решение

\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}

Из 1 объёма азота получается 2 объёма аммиака: $V(\mathrm{NH_3}) = 2 \cdot 30 = 60$ л.

Ответ

60 л

Средний Задача 3

Из 16 т серы на заводе получили 45 т серной кислоты. Найдите массовую долю выхода продукта.

Подсказка

Сначала найдите теоретическую массу кислоты, затем разделите на неё практическую.

Решение

$n(\mathrm{S}) = \dfrac{16}{32} = 0{,}5$ Ммоль, столько же серной кислоты.

$m_{\text{теор}} = 0{,}5 \cdot 98 = 49$ т.

$\eta = \dfrac{45}{49} \approx 0{,}918$ , то есть 91,8 %.

Ответ

91,8 %

Средний Задача 4

Почему в производстве аммиака не поднимают температуру до 800 °C, хотя при этом реакция пошла бы гораздо быстрее?

Подсказка

Синтез аммиака — обратимая экзотермическая реакция.

Решение

Реакция $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3 + Q}$ экзотермическая и обратимая. При сильном нагревании ускоряется и обратный процесс — разложение аммиака, и равновесие смещается в сторону азота и водорода: аммиака в смеси становится очень мало. Поэтому выбирают компромисс: 450–500 °C, а нужную скорость обеспечивают катализатором (железо) и высоким давлением.

Ответ

При высокой температуре аммиак разлагается и выход резко падает; скорость повышают катализатором

Сложный Задача 5

В контактном аппарате идёт реакция 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + 198 кДж. Сколько теплоты выделится, если окислится 448 м³ оксида серы(IV) (н. у.)? Ответ дайте в мегаджоулях.

Подсказка

448 м³ = 448 000 л. По уравнению 198 кДж выделяется на 2 моль SO₂.

Решение

$n(\mathrm{SO_2}) = \dfrac{448\,000}{22{,}4} = 20\,000$ моль.

На 2 моль $\mathrm{SO_2}$ приходится 198 кДж, значит

$Q = \dfrac{20\,000}{2} \cdot 198 = 1\,980\,000$ кДж $$= 1980$$ МДж.

Ответ

1980 МДж

Сложный Задача 6

Сколько тонн колчедана, содержащего 80 % FeS₂, нужно, чтобы получить 98 т серной кислоты при выходе 90 %?

Подсказка

Сначала найдите теоретическую массу кислоты (больше практической), затем массу чистого FeS₂, затем — колчедана с примесями.

Решение

Теоретическая масса кислоты: $m_{\text{теор}} = \dfrac{98}{0{,}9} \approx 108{,}9$ т.

$n(\mathrm{H_2SO_4}) = \dfrac{108{,}9}{98} \approx 1{,}111$ Ммоль.

$\mathrm{FeS_2 \rightarrow 2H_2SO_4}$ , поэтому $n(\mathrm{FeS_2}) = \dfrac{1{,}111}{2} \approx 0{,}5556$ Ммоль.

$m(\mathrm{FeS_2}) = 0{,}5556 \cdot 120 \approx 66{,}67$ т.

Масса колчедана: $\dfrac{66{,}67}{0{,}8} \approx 83{,}3$ т.

Ответ

Около 83,3 т

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Сравните завод с кухней. Духовку не включают каждый раз с нуля — горячий воздух подогревает новую порцию (теплообмен). Недоваренные макароны не выбрасывают, а варят дальше (циркуляция). Чай заваривается быстрее, если вода течёт через пакетик, а не стоит рядом (противоток). Затем нарисуйте вместе цепочку $\mathrm{S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2SO_4}$ и спросите, что происходит со степенью окисления серы на каждом шаге (0, +4, +6, +6). Вопросы для проверки понимания: 1) Зачем непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну? 2) Почему $\mathrm{SO_3}$ не растворяют в воде? 3) Сколько тонн серной кислоты получится из 32 т серы? (98 т) На что обратить внимание. Ребёнок должен уметь назвать стадии каждого производства, объяснить хотя бы два принципа технологии и в задачах на колчедан учитывать два атома серы.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 27	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7