Απόκτηση μέγιστης απόδοσης θειικού οξέος

Το θειικό οξύ, το οποίο ήταν γνωστό ως Έλαιο Βιτρίολ στην αρχαιότητα, αποτελείται από τα στοιχεία υδρογόνο , οξυγόνο και θείο. Είναι ένα ανόργανο οξύ με μοριακό τύπο H2SO4.

Είναι χωρίς οσμή και δεν έχει χρώμα. Είναι επίσης διαλυτό στο νερό. Το καθαρό θειικό οξύ είναι υγροσκοπικής φύσης και απορροφά εύκολα τους υδρατμούς όταν εκτίθεται στον αέρα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το θειικό οξύ δεν βρίσκεται φυσικά στη γη.

Το θειικό οξύ είναι ένα εξαιρετικά κρίσιμο βιομηχανικό χημικό παγκοσμίως. Η βιομηχανική ισχύς ενός έθνους συχνά μετριέται από την παραγωγή θειικού οξέος στη χώρα.

Οι ιδιότητες του θειικού οξέος

Το H2SO4 είναι ένα παχύρρευστο υγρό με πικάντικη οσμή. Είναι είτε άχρωμο είτε έχει ελαφρώς κίτρινο χρώμα.

Φυσικές ιδιότητες:

• Η πυκνότητά του είναι 1,84 g/mL 

• Έχει σημείο βρασμού 337 °C ή 611 K και το σημείο τήξης του είναι 10 °C. Το υψηλό σημείο βρασμού οφείλεται σε ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου.

• Περίπου 98% ή πυκνό θειικό οξύ είναι η πιο σταθερή μορφή του οξέος 

Χημικές ιδιότητες: 

• Το θειικό οξύ είναι ένα ισχυρό διπρωτικό οξύ.

• Είναι υγροσκοπικής φύσης και απορροφά εύκολα την υγρασία που υπάρχει στον αέρα.

• Είναι ισχυρός οξειδωτικός και αφυδατωτικός παράγοντας. Αυτό το καθιστά εξαιρετικά διαβρωτικό σε πολλά υλικά.

• Όταν προσθέτουμε νερό σε συμπυκνωμένο (99,8%) θειικό οξύ, παράγεται πολύ μεγάλη ποσότητα θερμότητας αφού πρόκειται για εξώθερμη αντίδραση. Αυτό μπορεί συχνά να οδηγήσει σε εκρήξεις.

Πώς παράγεται το θειικό οξύ;

Στη φύση, το θειικό οξύ σχηματίζεται από την οξείδωση θειούχων ορυκτών στα πετρώματα. Το διοξείδιο του θείου, που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα λόγω της καύσης καυσίμων, υφίσταται οξείδωση όταν εκτίθεται στην υγρασία, σχηματίζοντας αραιό θειικό οξύ, γνωστό και ως «όξινη βροχή».

Το θειικό οξύ κατασκευάζεται εμπορικά από τη διαδικασία επαφής. Μπορούμε να ελέγξουμε διάφορες συνθήκες σε αυτή τη διαδικασία προκειμένου να μεγιστοποιήσουμε την απόδοση θειικού οξέος κατά την κατασκευή. Η Διαδικασία Επαφής περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα:

1. Παραγωγή διοξειδίου του θείου

Αυτό γίνεται με την καύση θειούχων ή θειούχων μεταλλευμάτων, όπως σιδηροπυρίτες σε άφθονο αέρα.

S (Θείο) + O2 (Οξυγόνο) + Δ (Θέρμανση)  →  SO2 (Διοξείδιο του θείου)

4FeS (σιδηροπυρίτες) + 7O2 (Οξυγόνο) + Δ (θέρμανση) →  2Fe2O3 (Οξείδιο σιδήρου) + 4SO2 (διοξείδιο του θείου)

2. Προετοιμασία τριοξειδίου του θείου

Το διοξείδιο του θείου οξειδώνεται σε τριοξείδιο του θείου με οξυγόνο (υπάρχει στην ατμόσφαιρα) παρουσία πεντοξειδίου του βαναδίου (V2O5) ως καταλύτη.

2SO2 (Διοξείδιο του θείου) + O2 (Οξυγόνο) + [V2O5 (Καταλύτης)] → SO3 (Τριοξείδιο του θείου)

3. Μετατροπή τριοξειδίου του θείου σε θειικό οξύ

Το τριοξείδιο του θείου απορροφάται σε πυκνό (98%) θειικό οξύ για να δώσει ελαιούχο ή πυροσουλφουρικό οξύ. Αυτό το ελαιόλαδο στη συνέχεια αναμιγνύεται με νερό για να ληφθεί θειικό οξύ της απαιτούμενης συγκέντρωσης.

SO3 (Sulphur Trioxide) +  H2SO4 (Sulphuric Acid-98%)  →  H2S2O7 (Pyrosulphuric acid – Oleum)

H2S2O7 (Πυροθειικό οξύ – ελαιούχο) +  H2O (Αραίωση)  →   2H2SO4 (Θειικό οξύ)

Πώς αυξάνουμε την απόδοση θειικού οξέος;

Όταν συμβαίνει μια χημική αντίδραση, η ποσότητα του προϊόντος που σχηματίζεται ονομάζεται απόδοση. Έτσι, η απόδοση θειικού οξέος είναι η ποσότητα οξέος που παράγεται από τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στη διαδικασία επαφής.

Κατά την παραγωγή θειικού οξέος με τη διαδικασία επαφής, το πιο κρίσιμο βήμα είναι η καταλυτική οξείδωση του SO2 SO3 παρουσία καταλύτη Vanadium Pentoxide V2O5.

2SO2 (Διοξείδιο του θείου) + O2 (Οξυγόνο) + [V2O5 (Καταλύτης)] → SO3 (Τριοξείδιο του θείου)

Αυτή η αντίδραση, η παραγωγή SO3 είναι μια εξώθερμη αντίδραση. Είναι αναστρέψιμο στη φύση του και η προς τα εμπρός αντίδραση οδηγεί σε μείωση του όγκου αφού παράγονται δύο μόρια SO3 για κάθε τρία μόρια αντιδρώντων.

Οι αρχές του Le Chatelier μας βοηθούν να κατανοήσουμε τις συνθήκες που απαιτούνται για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής τριοξειδίου του θείου και, ως εκ τούτου, της απόδοσης θειικού οξέος. Αυτά είναι τα παρακάτω:

1. Συγκέντρωση

Μια υψηλή συγκέντρωση των αντιδρώντων βοηθά στην προώθηση της αντίδρασης.

2. Θερμοκρασία

Δεδομένου ότι η μπροστινή αντίδραση είναι εξώθερμη, επομένως μια χαμηλή θερμοκρασία βοηθά στην προώθηση της διαδικασίας οξείδωσης. Ωστόσο, πρέπει να διατηρηθεί μια βέλτιστη θερμοκρασία περίπου 720 K για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση.

3. Πίεση

Γενικά, μια υψηλή πίεση προάγει την οξείδωση, καθώς ο όγκος των αερίων προϊόντων είναι μικρότερος από αυτόν των αντιδρώντων. Ωστόσο, η υπερβολική πίεση μπορεί να οδηγήσει σε διάβρωση του δοχείου στο οποίο λαμβάνει χώρα η οξείδωση. Ως εκ τούτου, μια πίεση μεταξύ 2-3 bar (ή ατμόσφαιρα) είναι η βέλτιστη για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής τριοξειδίου του θείου.

4. Καταλύτης

Γνωρίζουμε ότι ένας καταλύτης αυξάνει τον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης. Παλαιότερα επιπλατινοποιημένος αμίαντος χρησιμοποιήθηκε ως καταλύτης σε αυτή τη διαδικασία. Ωστόσο, όχι μόνο ήταν δαπανηρό αλλά και έχασε την αποτελεσματικότητά του όταν εκτέθηκε στις ακαθαρσίες που υπήρχαν στα αντιδρώντα αέρια. Ως εκ τούτου, τώρα χρησιμοποιούμε το πεντοξείδιο του βαναδίου (V2O5), το οποίο ξεπερνά αυτούς τους περιορισμούς.

5. Καθαρότητα αερίων

Τα αέρια πρέπει να απαλλαγούν από τυχόν ακαθαρσίες όπως σκόνη και δηλητηριώδη αέρια όπως το οξείδιο του αρσενικού, προτού υποβληθούν στη διαδικασία οξείδωσης.

Χρήσεις θειικού οξέος

Το θειικό οξύ χρησιμοποιείται σε μεγάλη ποικιλία εφαρμογών. Λόγω αυτού, αναφέρεται επίσης ως ο Βασιλιάς των Χημικών.

Σε πολλές συγκεντρώσεις, το θειικό οξύ χρησιμοποιείται για την παρασκευή λιπασμάτων, φαρμάκων, χρωστικών, ακόμη και εκρηκτικών (όπως TNT). Για παράδειγμα, το οξύ μπαταρίας μολύβδου έχει συγκέντρωση 29-32%, το οξύ θαλάμου είναι 62-70% και το οξύ πύργου είναι 78-80%.

Ορισμένες κοινές χρήσεις του θειικού οξέος είναι:

• Χρησιμοποιείται στη διύλιση πετρελαίου 

• Στην παρασκευή λιπασμάτων όπως υπερφωσφορικό και θειικό αμμώνιο

• Βαφές, αποχρώσεις και χρώματα

• Χρησιμοποιείται στο σχηματισμό πολλών άλλων οξέων (για παράδειγμα, νιτρικού οξέος, υδροχλωρικού οξέος, φωσφορικού οξέος) και χημικών ουσιών (όπως ανθρακικό νάτριο).

• Ως παράγοντας τουρσί

• Οξειδωτικοί και αφυδατωτικοί παράγοντες σε εργαστήρια

• Χρησιμοποιείται σε πολλές μεταλλουργικές διεργασίες

Συμπέρασμα

Σε αυτό το άρθρο, μάθαμε για το θειικό οξύ και τις ιδιότητές του όπως ισχυρό διπρωτικό οξύ, υγροσκοπικό χαρακτήρα, ισχυρό οξειδωτικό και αφυδατωτικό παράγοντα. Μελετήσαμε τη διαδικασία επαφής που χρησιμοποιείται για την εμπορική παραγωγή θειικού οξέος. Οι βασικές προϋποθέσεις για τη λήψη της μέγιστης απόδοσης θειικού οξέος από Η διαδικασία επαφής είναι υψηλή συγκέντρωση αντιδρώντων, χαμηλή θερμοκρασία, υψηλή πίεση κ.λπ. Η παρουσία καταλυτών όπως το V2O5 είναι επίσης χρήσιμη στη μεγιστοποίηση της απόδοσης θειικού οξέος καθώς επιταχύνει την αντίδραση. Το θειικό οξύ χρησιμοποιείται σε βαφές, αποχρώσεις και δρα ως οξειδωτικοί και αφυδατωτικοί παράγοντες.