5. Виробництво сульфатної кислоти

5. 1. Основні властивості та застосування сульфатної кислоти

Безводна Н₂SО₄ (моногідрат)–важка, оліїста рідина з густиною 1,8305 г/см³ (за 20°С), кипить за 279,6 С і тиску 101325 Па, кристалізується за 10,37°С. При нагріванні вище 200°С безводна Н₂SО₄ частково розкладається за схемою:

Н₂SО₄ SО₃ + Н₂О, (5.1)

утворюючи азеотропну суміш, яка містить 98,3% Н₂SО₄ і 1,7% Н₂О, і має температуру кипіння 338,8°С. Сульфатна кислота змішується з Н₂О у будь-яких співвідношеннях, утворюючи гідрати (Н₂SО₄·Н₂О; Н₂SО₄∙2Н₂О; Н₂SО₄∙4Н₂О) з виділенням великої кількості тепла (937,84 кДж/кг Н₂SО₄. З SО₃ безводна сульфатна кислота утворює дві сполуки: Н₂SО₄∙SО₃ і Н₂SО₄∙2SО₃. Розчин SО₃ у Н₂SО ₄ від 18 до 65% називають олеумом. На рис. 5.1. наведена діаграму кристалізації гідратів Н₂SО₄.

Для виробництва, транспортування і застосування Н₂SО₄ велике значення мають зміни температури плавлення і кипіння її залежно від концентрації. Як видно з діаграми, Н₂SО₄ з водою утворює кілька евтектичних сумішей. Суміш, що має найнижчу температуру кристалізації, містить 38% Н₂SО₄.

Рис. 5.1. Температура кристалізації розчинів сульфатної кислоти: 1 - Н₂О; 2 -Н₂SО₄ 4Н₂О; 3-Н₂SО₄ 2Н₂О; 4 - Н₂SО₄ Н₂О; 5-Н₂SО₄; 6-Н₂SО₄ SО₃; 7-Н₂SО₄ 2SО₃; 8-SО₃

Окремі види Н₂SО₄ за своїм складом близькі до таких евтектичних сумішей: 75%–ий розчин Н₂SО₄ (кристалізується при –41°С); 93,3%–а Н₂SО₄ (кристалізується при –37,85° С); олеум з вмістом 18,07% вільного SО₃ (кристалізується при –17,05°С), а також неевтектична суміш 98%–ої Н₂SО₄ (кристалізується при +0,1°С). Розчини Н₂SО₄, що містять близько 70% Н₂SО₄, при нагріванні виділяють тільки водяну пару, а над олеумом, в якому понад 20% S0₃, практично знаходиться пара SО₃.

Діаграму кипіння водних розчинів Н₂SО₄, наведену на рис. 5.2 використовують для визначення режиму концентрування розведеної Н₂SО₄.

Рис. 5.2. Залежністъ темпера-тури кипіння сульфатної кислоти вiд її складу (діаграма фазової рівноваги між рідиною та парами) за атмосферного тиску

Як видно з діаграми, температура кипіння розчину, в якому міститься менш як 80% Н₂SО₄ лежить нижче 200°С. Під час нагрівання до пари переходить майже виключно вода. Якщо концентрація кислоти вища за 93%, у паровій фазі значно підвищується вміст Н₂SО₄. Пара Н₂SО₄ з підвищенням температури дисоціює за рівнянням (5.1), при температурах вищих за 400°С молекул SО₃ у паровій фазі більше, ніж Н₂SО₄. При подальшому нагріванні відбувається дисоціація оксиду SО₃, який за температури вищої за 1000°С дисоціює майже повністю.

Сульфатна кислота надзвичайно активна, вона дуже добре сполучається з водою, відбираючи її навіть від хімічних сполук. Рослинні і тваринні тканини, що містять у своєму складі вуглеводні (целюлозу, крохмаль, цукор), обвуглюються концентрованою Н₂SО₄. У розведеній Н₂SО₄ целюлоза і крохмаль перетворюються на цукор. На шкірі людини Н₂SО₄ викликає тяжкі опіки.

Переважна більшість Н₂SО₄ витрачається на виробництво мінеральних добрив. Майже усі інші кислоти і багато солей виробляються за участю Н₂SО₄; її широко використовують у виробництві кольорових і рідкісних металів; у металообробній промисловості. Н₂SО₄ та її солі застосовують для протравлення металевих виробів перед їх лудінням, нікелюванням, хромуванням або цинкуванням.

Значну кількість Н₂SО₄ використовують для очищення нафтопродуктів, у виробництві барвників, лаків, ліків, спиртів, ефірів, синтетичних миючих засобів, отрутохімікатів, вибухових речовин, пластичних мас та ін. Її застосовують у текстильній промисловості для протравлення тканин, для сульфування органічних сполук, у промисловості органічного синтезу, для виробництва іонообмінників, штучного волокна. Сульфатну кислоту застосовують у харчовій промисловості для виробництва крохмалю, патоки та інших продуктів, а також для сушіння газів, при концентруванні різних кислот.

Серед мінеральних кислот, які виробляються хімічною промисловістю, сульфатна кислота (СК) за об’ємом виробництва і споживанням займає перше місце. Пояснюється це і тим , що вона сама дешева з усіх кислот, а також її властивостями. СК не димить, у концентрованому вигляді не руйнує чорні метали, у той же час являється однією з самих сильних кислот, у широкому діапазоні температур (від –40 –20 до 260–336,5^оС) знаходиться у рідкому стані. Галузі використання С. К. наведені на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Застосування сульфатної кислоти

Виробництво Н₂SО₄ в усьому світі весь час зростає. Відповідно до державних стандартів виробляється три сорти Н₂SО₄: технічна, акумуляторна і реактивна. Крім Н₂SО₄ виробляється також олеум («0 % вільного SО₃, кристалізується при -11⁰ С).

Технічна кислота завдяки домішкам має темний колір. За концентрації 92,5⁰ С технічна кислота кристалізується при -35⁰ С.

До акумуляторної кислоти ставляться високі вимоги відносно її чистоти. Нормуються вміст Mn, Fe, As, оксидів азоту, важких металів, нелеткого залишку та ін. Акумуляторну кислоту виробляють контактним методом, вона містить 92—94% Н₂SО₄.

Реактивну Н₂SО₄ виробляють трьох марок: хімічно чисту (х. ч.), чисту для аналізу (ч. д. a.) i чисту (ч.).

Як правило, її добувають у кварцовій або платиновій апаратурі контактним способом, вона містить 96-98% Н₂SО₄.