Κατασκευή Θειικού Οξέος με Διαδικασία Επαφής

Τα οξέα και οι βάσεις είναι το πρώτο πράγμα που διδάσκεται σε έναν εκκολαπτόμενο χημικό. Η χρήση οξέων είναι επιβεβλημένη και άπειρη. Η σωστή χρήση των οξέων απαιτείται όταν εργάζεστε σε εργαστήριο καθώς χωρίς αυτό δεν μπορούν να συμβούν πολλές χημικές αντιδράσεις.

Ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα οξέα είναι το θειικό οξύ. Ευρέως γνωστό ως ο βασιλιάς όλων των οξέων, το θειικό οξύ χρησιμοποιείται σε πολλές χημικές αντιδράσεις και βιομηχανικές διεργασίες. Επομένως παρασκεύασμα θειικού οξέος είναι πρωταρχικής σημασίας λόγω της μεγάλης χρήσης σε εργαστηριακές εργασίες καθώς και στη βιομηχανική παραγωγή όπως στη βιομηχανία χαρτιού, κλωστοϋφαντουργίας κ.λπ.

Τι είναι το θειικό οξύ;

Το θειικό οξύ ή το λάδι της βιτριόλης, είναι ένα πολύ διαβρωτικό και επικίνδυνο οξύ. Σχηματίζεται από το θείο, το νερό και το οξυγόνο. Ο συνδυασμός αυτών των τριών στοιχείων είναι σε αναλογία 2:1:4 και ο χημικός τύπος του θειικού οξέος είναι H2SO4.

Το καθαρό θειικό οξύ είναι αδύνατο να βρεθεί στη γη, καθώς το θειικό οξύ έχει πολύ υψηλή συγγένεια με τους υδρατμούς και διαλύεται σε αυτόν. Η δομή του θειικού οξέος περιέχει ένα κεντρικό άτομο θείου που περιβάλλεται από δύο άτομα οξυγόνου και δύο ομάδες υδροξυλίου (ΟΗ).

Δομή του θειικού οξέος

Το κεντρικό άτομο θείου σχηματίζει διπλούς δεσμούς με καθένα από τα δύο άτομα οξυγόνου και έχει έναν απλό δεσμό με τα δύο οξυγόνα στην ομάδα υδροξυλίου. Το θείο σχηματίζει έξι δεσμούς και έχει τυπικό φορτίο μηδέν. Τα δύο μεμονωμένα άτομα οξυγόνου είναι διπλά συνδεδεμένα, έχουν δύο μόνα ζεύγη ηλεκτρονίων το καθένα και τυπικό φορτίο μηδέν. Οι ομάδες υδροξυλίου έχουν τυπικό φορτίο μηδέν και τα οξυγόνα στην ομάδα υδροξυλίου έχουν δύο μονά ζεύγη ηλεκτρονίων το καθένα.

Το θειικό οξύ είναι άχρωμο και άοσμο οξύ. Είναι γνωστό για τις αφυδατωτικές του ιδιότητες και χρησιμοποιείται συχνά ως αφυδατικός παράγοντας. Είναι παχύρρευστο στη φύση του και αναμιγνύεται με το νερό. Η ανάμειξη θειικού οξέος με νερό παράγει τεράστια ποσότητα θερμότητας. Το θειικό οξύ προστίθεται πάντα στο νερό και όχι το αντίστροφο, καθώς το αντίστροφο απελευθερώνει τεράστια ποσότητα θερμότητας με αποτέλεσμα το μείγμα να βράζει και να πιτσιλίζει σταγόνες θειικού οξέος.

Διαδικασία επικοινωνίας για την παραγωγή Θειικού οξέος

Η παραγωγή θειικού οξέος είναι η ραχοκοκαλιά πολλών βιομηχανιών. Παρασκεύασμα θειικού οξέος είναι τόσο σημαντικό που η βιομηχανική ισχύς μιας χώρας μπορεί να μαντέψει από την ποσότητα θειικού οξέος που παράγει.

Η καλύτερη μέθοδος στις μέρες μας για την παραγωγή υψηλών συγκεντρώσεων θειικού οξέος είναι η διαδικασία επαφής. Η διαδικασία επαφής είναι μια διαδικασία τεσσάρων σταδίων. Η διαδικασία ξεκινά με το σχηματισμό διοξειδίου του θείου και καταλήγει στο σχηματισμό θειικού οξέος με τη διάλυση ελαίου στο νερό. Η πιο σημαντική από αυτές τις διεργασίες είναι η δεύτερη διαδικασία που περιλαμβάνει τη μετατροπή του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου που στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή ελαίου.

• Σχηματισμός διοξειδίου του θείου

Το διοξείδιο του θείου σχηματίζεται στα επίπεδα της βιομηχανίας με δύο τρόπους. Είτε με θέρμανση καθαρού θείου παρουσία οξυγόνου είτε με ψήσιμο των θειούχων μετάλλων για να ληφθεί διοξείδιο του θείου. Θα δούμε και τις δύο αυτές διαδικασίες.

• Καύση θείου στον αέρα

Η καύση οποιασδήποτε ουσίας στον αέρα παρουσία οξυγόνου, που αναφέρεται επίσης ως καύση, οδηγεί στο σχηματισμό οξειδίων αυτής της ουσίας. Παρομοίως, η καύση του θείου παρουσία οξυγόνου έχει ως αποτέλεσμα το θείο να οξειδώνεται για να σχηματίσει διοξείδιο του θείου. Η αντίδραση μπορεί να δοθεί ως

S + O2 + Θερμότητα → SO2

• Ψήσιμο θειούχων μετάλλων

Το ψήσιμο περιλαμβάνει τη θέρμανση μεταλλευμάτων θειούχων μετάλλων σε περίσσεια αέρα. Αυτό προκαλεί το θείο που υπάρχει σε αυτά να σχηματίσει οξείδια και να απελευθερωθεί σε αέρια μορφή.

Η αντίδραση για το ψήσιμο του θειούχου ψευδαργύρου (θειούχο μετάλλευμα ψευδαργύρου) μπορεί να δοθεί ως

2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 3SO2 

2. Παραγωγή τριοξειδίου του θείου από διοξείδιο του θείου

Στο δεύτερο στάδιο, το διοξείδιο του θείου αντιδρά με περίσσεια οξυγόνου για να δώσει τριοξείδιο του θείου. Αλλά ο σχηματισμός τριοξειδίου του θείου είναι μια πολύ ευαίσθητη διαδικασία στη θερμοκρασία και την πίεση. Η αντίδραση δίνεται ως

2SO2 + O2 2SO3

Η παραπάνω αντίδραση είναι εξώθερμη με τη θερμική ενθαλπία της αντίδρασης να είναι

ΔH =–196 kJ/mol

Σύμφωνα με την αρχή του Le Chattelier, μια χαμηλή θερμοκρασία ευνοεί τον σχηματισμό τριοξειδίου του θείου, αλλά μια πολύ χαμηλή θερμοκρασία θα σημαίνει επίσης ότι ο ρυθμός της αντίδρασης θα είναι πολύ αργός για να παράγει οικονομικά αποτελέσματα. Επομένως, στους πύργους του αντιδραστήρα χρησιμοποιείται συμβιβαστική θερμοκρασία 450 βαθμών Κελσίου.

Και πάλι μια υψηλή πίεση θα ευνοήσει τον σχηματισμό περισσότερου τριοξειδίου του θείου, ωστόσο η αντίδραση διεξάγεται σε πίεση 1-2 atm. Αυτό συμβαίνει επειδή η αύξηση του ρυθμού της αντίδρασης δεν είναι οικονομική σε σύγκριση με τα γενικά έξοδα αύξησης της πίεσης.

Το πεντοξείδιο του βαναδίου είναι ο καταλύτης που χρησιμοποιείται για να ωθήσει την ισορροπία στη δεξιά πλευρά.

3. Σχηματισμός Oleum

Τώρα που σχηματίζεται το τριοξείδιο του θείου, διαλύεται σε θειικό οξύ για να σχηματιστεί ελαίο. Η απευθείας προσθήκη τριοξειδίου του θείου στο νερό αποδίδει επίσης θειικό οξύ αλλά το αποτέλεσμα είναι εξαιρετικά εξώθερμο. Επομένως, η απευθείας προσθήκη τριοξειδίου του θείου στο νερό παράγει ατμούς οξέος και όχι υγρό θειικό οξύ.

Από την άλλη πλευρά, το ελαιόλαδο μπορεί εύκολα να διαλυθεί στο νερό για να σχηματίσει θειικό οξύ υψηλής συγκέντρωσης. Η αντίδραση δεν είναι εξώθερμη σε σύγκριση με την απευθείας διάλυση του τριοξειδίου του θείου στο νερό και επιτρέπει επίσης μεγαλύτερο έλεγχο της συγκέντρωσης του οξέος που σχηματίζεται.

Η αντίδραση δίνεται ως

SO3 + H2SO4 → H2S2O7

4. Διάλυση ελαίου σε νερό

Στη συνέχεια, το έλαιο διαλύεται σε νερό για να δώσει θειικό οξύ. Στη συνέχεια, η αντίδραση δίνεται ως

H2S2O7 + H2O → 2H2SO4

Συμπέρασμα

Το θειικό οξύ ή το λάδι της βιτριόλης, είναι ένα πολύ διαβρωτικό και επικίνδυνο οξύ. Σχηματίζεται από το θείο, το νερό και το οξυγόνο. Ο συνδυασμός αυτών των τριών στοιχείων είναι σε αναλογία 2:1:4 και ο χημικός τύπος του θειικού οξέος είναι H2SO4.

Η καλύτερη μέθοδος στις μέρες μας για την παραγωγή υψηλών συγκεντρώσεων θειικού οξέος είναι η διαδικασία επαφής. Η διαδικασία επαφής είναι μια διαδικασία τεσσάρων σταδίων. Η διαδικασία ξεκινά με το σχηματισμό διοξειδίου του θείου και καταλήγει στο σχηματισμό θειικού οξέος με τη διάλυση ελαίου στο νερό.