Оксиген і сульфур

$$\frac{\text{20}г1\text{моль}}{\text{80}г}$$.

Дізнаємось, яку кількість речовини становлять 20 г NаОН:

.

V (NaOH) = = 0,25 моль З’ясовуємо мольне співвідношення речовин, які взаємо­діють. З рівняння реакції видно, що.

v (NaOH): v (SO2)= 2:1,.

тобто кількість речовини SO2 вдвічі менша, отже, якщо взаємодіє 0,25 моль NаОН, то SO2 — вдвічі менше, а саме 0,125 моль:

2:1 = 0,25:0,125.

Обчислюємо, яку кількість речовини становлять 15 л SO2:

$$\frac{\text{20}г1\text{моль}}{\text{80}г}$$.

V (NaOH) = = 0,25 моль.

0,67 > 0,125, отже, SO2 у надлишку.

А ми вже знаємо, якщо SO2 у надлишку, то утворюється кисла сіль (чому?). Складаємо інше рівняння реакції і за ним перевіряємо, чи справді сіль кисла, й обчислюємо її масу:

NaOH + SO2 = Na2SO4.

___________________ ________________________ _____________________.

v = 1 моль v = 1 моль M = 104 г/моль.

M = 40 г/моль Vm = 22,4 л/моль m = 104 г.

m = 40 г V = 22,4 л.

$$\frac{\text{20}г1\text{моль}}{\text{40}г}$$.

V (NaOH) = = 0,5 моль.

v (NaOH): v (SO2) = 1: 1- 1: 1 = 0,5: 0,5;

$$\frac{\text{15}л1\text{моль}}{\text{22}\mathrm{,\; 4}л}$$.

v (SO2) = = 0,67 моль.

0,67>0,5, отже, SO2 у надлишку, сіль-кисла.

Це означає, що подальші розрахунки треба проводити за Їдким натром, оскільки він прореагував повністю.

2) Яка маса утвореної солі?

m=M /p>

m (NаНSO3) =104 г/моль 5 моль = 52 г.

Відповідь: m (NаНSO3) = 52 г.

Другий спосіб.

1) Яка з вихідних речовин у надлишку, якщо утворюєть­ся середня сіль?

20 г 15л.

2NaOH + SO2 = Na2SO4 + H2O.

___________________ ________________________.

v = 2 моль v = 1 моль.

M = 40 г/моль Vm = 22,4 л/моль.

m = 80 г V = 22,4 л З рівняння реакції видно, що 80 г NаОН повністю взає­модіють з 22,4 л SO2, а 20 г NаОНз х л SO2,.

$$\frac{\text{20}г\text{22}\mathrm{,\; 4}л}{\text{80}г}$$.

80: 20 = 22,4: хx = =5,6 л (SO2).

За умовою задачі пропускали 15 л SO2, а прореагувало лише 5,6 л. Отже, оксид сульфуру (ІV) взято у надлишку. Це означає, що сіль, яка утворюється, кисла. У такому разі треба скласти інше хімічне рівняння і за ним перевірити, чи справді утворюється кисла сіль:

NaOH + SO2 = NaHSO3.

___________________ ________________________ _____________________.

v = 1 моль v = 1 моль M = 104 г/моль.

M = 40 г/моль Vm = 22,4 л/моль m = 104 г.

m = 40 г V = 22,4 л.

$$\frac{\text{20}г\text{22}\mathrm{,\; 4}л}{\text{40}г}$$.

40: 20 = 22,4: хх = = 11,2 (SO2).

Сіль кисла NаНSO3, і у даному разі SO2 у надлишку.

2) Тепер можна обчислювати масу утвореної солі. Ви пам’ятаєте, що розрахунок ведеться за речовиною, яка прореагувала повністю, тобто за гідроксидом натрію NаОН.

З рівняння реакції видно, якщо взаємодіє SO2 i 40 г NаОН, то утворюється 104 г NаНSO3, а якщо з SO2 взаємо­діє 20 г NаОН, тох г солі гідросульфіту натрію:

$$\frac{\text{20}г\text{22}\mathrm{,\; 4}л}{\text{40}г}$$.

40: 20 = 104: хx = = 52 г.

Відповідь: m (NаНSO3) = 52 г.

§ 6. СУЛЬФАТНА КИСЛОТА Сульфатна кислота H2SO4 (безводна, 100%-ва) -важка безбарвна оліїста рідина. Густина її концентрованого розчи­ну (w (H2SO4) == 98%) за звичайних умов 1,84 г/см3. Вона нелетка, запаху не має. Надзвичайно гігроскопічна. Активно вбирає вологу. Змішується з водою у будь-яких співвідно­шеннях. Розчинення сульфатної кислоти у воді супрово­джується виділенням великої кількості теплоти, що може призвести до закипання води і розбризкування кислоти.

Сульфатна кислота-їдка рідина, тому треба остеріга­тись, щоб вона не потрапила на шкіру й одяг. А якщо це сталося, треба швидко змити її великою кількістю води, після чого нейтралізувати розчином соди і знову змити водою.

Пам’ятайте таке правило:

не можна воду доливати до концентрованої сульфатної кислоти! Для розбавляння кислоту треба доливати до води невеликими порціями.

Хімічні властивості сульфатної кислоти багато в чому залежать від її концентрації. В лабораторіях та промисло­вості використовують розбавлену і концентровану сульфат­ну кислоту, хоча такий поділ дещо умовний.

Розбавлена сульфатна кислота виявляє всі хімічні вла­стивості, характерні для кислот.

1. Дисоціація кислоти. Сульфатна кислота двохосновна, належить до сильних кислот. У водних розчинах вона дисо­ціює на йони за двома ступенями (за першим — практично повністю):

І ступінь Н2SO4 H+ + HSO4- - гідросульфат-іон.

II ступінь НSO4- H++SO4 2- - сульфат-іон.

Ось чому в процесі нейтралізації розчинів сульфатної кислоти H2SO4 утворюються два ряди солей: середні солі - сульфати і кислі солігідросульфати.

2. Взаємодія з основами. Якщо у пробірку з розбавленою сульфатною кислотою добавити дві-три краплі фіолетового лакмусу, розчин набуває червоного забарвлення (кисле середовище). Потім у цю пробірку доливатимемо краплями розчин гідроксиду натрію доти, доки вміст пробірки набуде фіолетового забарвлення (нейтральне середовище):

2NаОН + Н2SO4 = Nа2SO4 + 2Н2O.

сульфат натрію Якщо ж розчину лугу NаОН не вистачає для нейтраліза­ції усієї кислоти, то сіль, що утворюється, буде кислою:

NаОН + Н2SO4 = NаНSO4 + H2O.

гідросульфат.

натрію Отже, гідросульфати утворюються тоді, коли кислота береться у надлишку.

Більшість сульфатів добре розчиняються у воді. Мало­розчинним є сульфат кальцію СаSO4, ще менше розчи­няється сульфат плюмбуму РbSO4 і практично нерозчинним є сульфат барію ВаSO4 (див. таблицю розчинності).

3. Взаємодія з оксидами металів. Сульфатна кислота реа­гує з оснбвними та амфотерними оксидами, утворюючи солі, наприклад:

МgО + Н2SO4 = МgSO4 + Н2О.

ZnO + Н2SO4 = ZnSO4 + H2O.

4. Взаємодія з солями. Сульфатна кислота сильна і не­летка, одна з найстійкіших із відомих мінеральних кислот. Вона може вступати в реакцію обміну з солями, утвореними слабкішими або леткими кислотами і навіть сильними кис­лотами, якщо вони менш стійкі:

Na2СО3 + Н2SO4 = NаSO4 + СОН2О.

2КNО3 + Н2SO4 = К2SO4 + 2НNО3>

2КСlO4 + Н2SO4 = К2SO4 + 2НС1O4.

ВаСІ2 + Н2SO4 = ВаSO4 2НС1>

Останнє рівняння відображує якісну реакцію на кислоту та її солі, бо утворюється нерозчинний у воді сульфат барію ВаSO4.

Сульфатна кислота може взаємодіяти із своїми солями — сульфатами. При цьому середні солі - сульфати перетворюються на кислі солі - гідросульфати:

Na2SO4+H2SO4=2NaHSO4.

Лабораторна робота 2.

Визначення сульфат-іонів у розчині.

Налийте у першу пробірку трохи розбавленої сульфатної кислоти, у другу — розчину сульфату натрію, у третюрозчи­ну нітрату натрію. До кожної з пробірок додайте кілька крапель розчину хлориду барію (або нітрату барію). Що спостерігаєть­ся? До білого осаду, що утворився у двох пробірках (чому?), додайте по кілька крапель розбавленої нітратної кислоти. Якщо осад не розчиняється, то цесульфат барію ВаSO4. Він свідчить про те, що в цих пробірках розчини містили йони.

SO42-.

Напишіть рівняння здійснених реакцій у молекулярній, повній і скороченій йонних формах.

Отже, про наявність у розчині сульфатної кислоти та її солей можна робити висновок на підставі утворення білого осаду ВаSO4, який практично не розчиняється ні у воді, ні в нітратній кислоті.

Таким чином, реактивом на сульфат-іони SO42- є йони барію Ва2+.

Ва2+ + SO42- = ВаSO4>

5. Взаємодія з металами. Розбавлена сульфатна кислота реагує, наприклад, з магнієм, цинком, залізом з виділенням водню:

Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2>

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2>

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2>

Малоактивні метали (мідь, срібло, золото) з розбавленою сульфатною кислотою не реагують.

Концентрована сульфатна кислота — сильний окисник. Вона може взаємодіяти з малоактивними металами, на­приклад з міддю:

0 +6 +2 +4.

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2H2O.

	_.				+2.
Cu ;	2e.	окиснення.			Cu.
Відновник.
+6.	_.				+4.
S +.	2e.	відновлення.			S.
Окисник.

Зверніть увагу: під час взаємодії концентрованої суль­фатної кислоти з малоактивними металами відновлюється не Гідроген кислоти, а Сульфур, тому газоподібний водень Н2 не виділяється!

Застосування сульфатної кислоти і сульфатів. Сульфатна кислота є важливим продуктом хімічної промисловості. Вона у великих кількостях застосовується у виробництві мінеральних добрив, волокон, пластмас, барвників, вибухо­вих речовин, у металургії в процесі добування міді, нікелю, урану та інших металів. Використовується також як осушувач газів.

Серед сульфатів велике практичне значення мають міц­ний і залізний купороси СuSО4 • 5Н2О і FеSO4 • 7H2O. Вони використовуються в сільському господарстві для боротьби із шкідниками рослин, у виробництві фарб, для просочення деревини як антисептичний засіб.

Купороси — технічна назва кристалогідратів сульфатів деяких важких металів (міді, заліза, цинку, нікелю), тобто це солі, кристали яких містять кристалізаційну воду.

Гіпс СаSO4 • 2Н2О і сульфат кальцію СаSO4 використо­вують у будівництві, медицині та інших галузях.

Сульфат натрію Nа2SО4, застосовують у виробництві скла. Він входить до складу природного мінералу Nа2SО4•10H2O глауберової солі, яка використовується в медицині як проносний засіб.

Сульфати калію К2SO4 і амонію (NH4)2SO4, використо­вують як добрива.

Сульфат барію ВаSO4 застосовують у виробництві папе­ру, гуми та білої мінеральної фарби, а також у медицині для рентгеноскопії шлунку («Барієва каша»).

§ 7. Виробництво сульфатної кислоти.

Найбільш сучасний спосіб добування сульфатної кислоти у промисловості - це кнтактний. Як сировина використовується пірит FeS2 (залізий, сірчаний, колчедан).

Перша стадія процесу — випалювання колчедану і добу­вання діоксиду сульфуру:

4FеS2 + 11O2 = 2Fе2О3 + 8SO2 -13 476 кДж.

Цей процес відбувається у колчеданних печах, з яких виходить випалювальний газ. Він містить, окрім діоксиду сульфуру SO2, ще кисень, азот, водяну пару та інші доміш­ки. Його очищають, висушують і подають на другу стадію виробництва у контактний апарат.

Друга стадія-окиснення діоксиду сульфуру і добуван­ня триоксиду сульфуру:

V2O5.

2SO2 + O2 2SO3, -197,9 кДж.

Окиснення відбувається в контактному апараті за наяв­ності каталізатора і високої температури.

Але ви можете запитати, навіщо тут висока температура, якщо реакція екзотермічна. Адже ми знаємо, що згідно з принципом Ле Шательє зміщенню рівноваги у бік утворен­ня SO3 сприятимуть низька температура і високий тиск.

Це справедливо, але річ у тім, що високий тиск застосу­вати майже неможливо, бо SO3 одразу перейде у рідкий стан. І низькі температури використати не можна, бо швидкість реакції буде надто малою. Тому й застосовують каталізатор V2O5, щоб пришвидшити процес, а каталізатор сам стає активним лише при 450 °C. Ось чому, незважаючи на екзотермічність реакції, використовують ще додаткове нагрівання. Теплоту, яка виділяється під час реакції, відво­дять і використовують для нагрівання випалювального газу, який встигає охолонути, проходячи складну систему очис­них споруд перед надходженням у контактний апарат (див. схему виробництва сульфатної кислоти на вклейці).

Отже, процес окиснення SO2 в SO3 здійснюється склад­но, бо ця реакція оборотна й екзотермічна. Умови її здій­снення визначаються в основному згідно з принципом Ле Шательє.

Третя стадія виробництва-поглинання триоксиду сульфуру й утворення сульфатної кислоти Н2SO4.

Добутий у контактному апараті триоксид сульфуру SO3 надходить у поглинальну башту — абсорбер6, де поглинаєть­ся концентрованою сульфатною кислотою (масова частка Н2SO4 96−98%). В абсорбері SO3 взаємодіє з водою, що міститься у концентрованому розчині сульфатної кислоти, утворюючи безводну,.

100%-ву сульфатну кислоту, яка на­зивається моногідратом:

SO3 + Н2О = Н2SO4- -130,6 кДж Чистою водою поглинати триоксид сульфуру SO3 не можна, оскільки утворюється дуже стійкий «туман» з дріб­них крапель сульфатної кислоти, який погано конденсує­ться.

Кінцевий продукт виробництва-олеум (розчин SO3 у моногідраті). Його розбавляють водою до сульфатної кисло­ти потрібної концентрації.

Охорона праці та навколишнього середовища у виробниц­тві сульфатної кислоти. Захист біосфери від забруднення викидами хімічних виробництв — найважливіша проблема сучасності. У виробництві сульфатної кислоти можуть бути втрати якоїсь кількості діоксиду SO2 і триоксиду сульфуру SO3 та викидання їх в атмосферу, що спричинює кислотні дощі. Вони сприяють підвищенню кислотності ґрунтів і зниженню врожаїв, збільшенню кислотності водойм і заги­белі його мешканців. Кислотні дощі спричинюють корозію металів, руйнують лакофарбові покриття. Під їх згубною дією руйнуються будівельні матеріали, пам’ятники архітек­тури.

Щоб запобігти утворенню кислотних дощів і забезпечити охорону здоров’я працівників, намагаються не допускати викидання оксиду сульфуру (IV) SO2 в атмосферу і в цехи заводу. З цією метою своєчасно ремонтують апаратуру, встановлюють фільтри, поглиначі, вентиляцію, суворо до­держують технологічного режиму, використовують засоби індивідуального захисту працівників, удосконалюють й ав­томатизують виробничі процеси, герметизують устаткування та апаратуру, впроваджують принцип безвідхідності та ефек­тивні методи очищення відхідних газів. З них тепер влов­люють SO2 і знову повертають його у виробництво. Застосо­вують також методи добування цінних побічних продуктів з промислових відходів.

Над проблемою повної утилізації7 та переробки відходів виробництва сульфатної кислоти нині працюють інженери і техніки. Адже реалізація принципу безвідхідності дає змогу не тільки істотно збільшувати вихід кислоти, пщвищувати ефективність виробництва, а й охороняти здоров’я людей і зберігати чистоту навколишнього середовища.

§ 8. РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ НА ВИХІД ПРОДУКТУ Ви розумієте, що в основі виробництва сульфатної кис­лоти (так само і будь-якого іншого хіміко-технологічного процесу) лежить хімічне перетворення речовинхімічні реакції. Їхню суть виражають хімічними рівняннями, що складаються на основі закону збереження маси речовин.

Знання закону збереження маси дає змогу не тільки складати рівняння реакцій, а й проводити за ними різні розрахунки, у тому числі обчислювати вихід продукту ви­робництва.

Вихід продукту-важливий показник ефективності ви­робничого процесу. На його підставі роблять висновок про повноту використання сировини тощо. Річ у тім, що в реальних виробничих умовах через оборотність багатьох реакцій і виробничі втрати вихід продукту реакції завжди менший від того, який мав би утворитись згідно з рівнян­ням реакції (на підставі закону збереження маси). Отже, практичний вихід продукту завжди менший за теоретичний.

Вихід продукту — це відношення фактично добутого продукту до максимально можливого, обчисле-ного за рівнянням реакції.

Вихід продукту виражають у частках одиниці або у відсотках. Зверніть увагу, що для розв’язування задач на вихід продукту зовсім не має значення, як його обчислюва­ти: за відношенням мас, об'ємів чи кількості речовини. В усіх цих випадках буде знайдено те саме значення шуканої величини.

Розглянемо конкретні приклади.

Задача 1. З 320 т сірчаного колчедану, масова частка Сульфуру в якому 45%, добуто сульфатну кислоту масою 405 т (у перерахунку на безводну). Обчислити вихвд суль­фатної кислоти.

.