Μετατροπή Διοξειδίου του Θείου

Το τριοξείδιο του θείου είναι μια χημική ένωση με τύπο SO3. Λέγεται επίσης ευρέως nisso sulfan.

Το τριοξείδιο του θείου υπάρχει σε πολλές μορφές. Υπάρχει ως αέριο μονομερές, κρυσταλλικό τριμερές και στερεό πολυμερές. Σε θερμοκρασίες ακριβώς κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου, υπάρχει ως στερεό.

Ιδιότητες του τριοξειδίου του θείου

Χημικός τύπος	SO3
Πυκνότητα	1,92 g/cm³
Μοριακή μάζα	80,066 g/mol
Εμφάνιση	Άχρωμο έως λευκό κρυσταλλικό στερεό. Άχρωμο υγρό και αέριο
Διαλυτότητα	Διαλυτό στο νερό
Σημείο βρασμού	45 °C (113 °F, 318 K)
Σημείο τήξης	16,9 °C (62,4 °F, 290,0 K)
Οσμή	Ο ατμός είναι πικάντικος παρόμοιος με το διοξείδιο του θείου. Ωστόσο, η ομίχλη είναι άοσμη.
Std. μοριακή εντροπία	256,77 JK−1mol−1
Std. ενθαλπία σχηματισμού	−395,7 kJ/mol

Χημικές αντιδράσεις τριοξειδίου του θείου

Ενυδάτωση

Το τριοξείδιο του θείου (SO3) είναι ο ανυδρίτης του θειικού οξέος (H2SO4). Επομένως, είναι πολύ ευάλωτο στην ενυδάτωση:

SO3 + H2O → H2SO4 (ΔHf =−200 kJ/mol)

Σε αέρια κατάσταση, το τριοξείδιο του θείου αναθυμιάζεται έντονα ακόμη και σε σχετικά ξηρή ατμόσφαιρα. Αυτό οφείλεται στο σχηματισμό ομίχλης θειικού οξέος.

Το SO3 είναι μια επιθετικά υγροσκοπική ένωση. Η θερμότητα που παράγεται κατά την ενυδάτωση είναι αρκετή για να αναφλέξει το ξύλο ή το βαμβάκι όταν αναμειγνύεται με SO3. Σε αυτήν την περίπτωση, το SO3 αφυδατώνει τους ίδιους τους υδατάνθρακες.

Αντίδραση με βάση

Το όξινο θειικό νάτριο σχηματίζεται από την αντίδραση μεταξύ τριοξειδίου του θείου με υδροξείδιο του νατρίου (μια βάση).

SO3 + NaOH → NaHSO4

Μετατροπή διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου

Το τριοξείδιο του θείου παράγεται όταν το SO2 υφίσταται οξείδωση. Η μετατροπή του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου συμβαίνει φυσικά στην ατμόσφαιρα και μπορεί να πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο για πειραματισμούς και εμπορικά για διάφορες βιομηχανικές χρήσεις.

Στην ατμόσφαιρα ως όξινη βροχή

Το διοξείδιο του θείου απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα όταν καίγονται καύσιμα. Υποβάλλεται σε οξείδωση παρουσία οξυγόνου στην ατμόσφαιρα για να σχηματίσει SO3. Το τριοξείδιο του θείου, όταν εκτίθεται σε υγρασία, σχηματίζει αραιό θειικό οξύ, γνωστό και ως «όξινη βροχή». Αυτή η αντίδραση εμφανίζεται με πολύ αργό ρυθμό στη φύση.

SO2 + 12O2 =SO3 (ΔH =-198,4 kJ/mol)

Στο Εργαστήριο για Πειραματισμό

Το τριοξείδιο του θείου παρασκευάζεται στα εργαστήρια μέσω της πυρόλυσης 2 σταδίων της ένωσης όξινου θειικού νατρίου.

Βήμα 1:

Όταν ξεκινάμε την αφυδάτωση του διθειικού νατρίου στους 315 °C, εμφανίζεται η ακόλουθη χημική αντίδραση:

2 NaHSO4 → Na2S2O7 + H2O

Το πυροθειικό νάτριο (Na2S2O7) παράγεται ως ενδιάμεσο προϊόν.

Βήμα 2:

Το πυροθειικό νάτριο υφίσταται πυρόλυση σε θερμοκρασία 460 °C και λαμβάνει χώρα η ακόλουθη αντίδραση:

Na2S2O7 → Na2SO4 + SO3

Βιομηχανική Παρασκευή τριοξειδίου του θείου με διαδικασία επαφής

Το θειικό οξύ παρασκευάζεται στο εμπόριο με μια διαδικασία γνωστή ως διαδικασία επαφής. Η μετατροπή του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου αποτελεί ένα κρίσιμο βήμα σε αυτή τη διαδικασία. Περιλαμβάνει τα ακόλουθα 3 βήματα:

Βήμα 1:Δημιουργήστε διοξείδιο του θείου

Αυτό γίνεται με την καύση θείου σε άφθονο αέρα,

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

Βήμα 2:Μετατροπή διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου

Αυτό το βήμα είναι το πιο κρίσιμο σε όλη τη διαδικασία. Σε αυτό το βήμα, η μετατροπή του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου γίνεται με ανάμειξη SO2 με ατμοσφαιρικό οξυγόνο για να οξειδωθεί για να σχηματιστεί SO3 παρουσία V2O5 ως καταλύτη.

2SO2 (διοξείδιο του θείου) + O2 (οξυγόνο) + [V2O5 (καταλύτης)] → 2SO3 (τριοξείδιο του θείου)

(ΔH =−196 kJ/mol)

Αυτή η αντίδραση συμβαίνει στις ακόλουθες συνθήκες:

Διοξείδιο του θείου και οξυγόνο (από τον αέρα) αναμιγνύονται σε αναλογία 1:1 κατ' όγκο
Η θερμοκρασία διατηρείται στους 400-450 oC
Η πίεση διατηρήθηκε στο 1-2 ατμόσφαιρα
Καταλύτης V2O5

Βήμα 3:Μετατροπή τριοξειδίου του θείου σε θειικό οξύ

Στο τελευταίο στάδιο, το τριοξείδιο του θείου απορροφάται σε πυκνό θειικό οξύ για να δώσει πυροσουλφουρικό οξύ ή ελαιόλαδο. Το ελαιόλαδο αραιώνεται με ελεγχόμενες ποσότητες νερού για να ληφθεί θειικό οξύ της απαιτούμενης συγκέντρωσης.

Ερωτήσεις για τη μετατροπή του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου

Μελετήστε την εξίσωση μετατροπής του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου

2SO2 + O2 + [V2O5 (καταλύτης)] → 2SO3 (ΔH =−196 kJ/mol)

Όταν εξετάζουμε τις συνθήκες υπό τις οποίες εμφανίζεται αυτή η αντίδραση, εγείρονται μερικά ερωτήματα.

Γιατί το SO2 και το οξυγόνο αναμιγνύονται σε αναλογία 1:1 όταν η εξίσωση δείχνει ξεκάθαρα ότι χρειάζεται μόνο ο μισός όγκος οξυγόνου για να συμβεί η αντίδραση;

Σύμφωνα με την Αρχή του Le Chatelier, όταν αυξάνουμε τη συγκέντρωση οξυγόνου στο μείγμα, προκαλούμε τη μετατόπιση του σημείου ισορροπίας προς τα δεξιά. Αυτό σημαίνει ότι ενισχύει την παραγωγή SO3. Δεδομένου ότι το οξυγόνο προέρχεται από τον αέρα, ο οποίος είναι σχετικά ελεύθερα διαθέσιμος, αυτός είναι ένας φθηνός τρόπος ενίσχυσης της μετατροπής του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου.

Η αντίδραση είναι εξώθερμη και επομένως μια χαμηλότερη θερμοκρασία θα πρέπει να ευνοεί την αντίδραση. Τότε γιατί δεν ρίχνουμε τη θερμοκρασία κάτω από τους 400 oC;

Η μείωση της θερμοκρασίας θα βοηθήσει πράγματι να μετατοπιστεί η ισορροπία προς τα δεξιά. Ωστόσο, η χημική κινητική μας λέει ότι σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, ο ρυθμός μιας αντίδρασης επιβραδύνεται. Εφόσον η διεργασία επαφής χρησιμοποιείται για την εμπορική παραγωγή θειικού οξέος, επομένως ο χρόνος γίνεται επίσης ένας παράγοντας προς εξέταση. Έτσι, 400-450 oC είναι η βέλτιστη θερμοκρασία στην οποία έχουμε μια αρκετά υψηλή παραγωγή SO3 σε μικρότερο χρονικό διάστημα.

Δεδομένου ότι ο αριθμός των μορίων του SO3 που παράγονται είναι μικρότερος από τον αριθμό των μορίων στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης, η αντίδραση θα πρέπει να ευνοείται αυξάνοντας την πίεση. Ωστόσο, η αντίδραση γίνεται για να λάβει χώρα σχεδόν στην ατμοσφαιρική πίεση. Γιατί;

Ακόμη και σε χαμηλές πιέσεις 1-2 ατμοσφαιρών, έχουμε 99,5% μετατροπή του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου. Επομένως, η σταδιακή απόδοση που θα έχουμε αυξάνοντας την πίεση δεν θα μπορεί να δικαιολογήσει το υψηλότερο κόστος που θα απαιτηθεί για τη διατήρηση της υψηλότερης πίεσης.

Συμπέρασμα

Σε αυτό το άρθρο μάθαμε για το τριοξείδιο του θείου και τις ιδιότητές του. Καταλάβαμε πώς η μετατροπή του διοξειδίου του θείου σε τριοξείδιο του θείου συμβαίνει φυσικά στην ατμόσφαιρα, σε ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες και σε εμπορική κλίμακα για βιομηχανικές εφαρμογές. Εάν θέλετε να εμβαθύνετε στις έννοιες που καλύπτονται παραπάνω, μπορείτε να μεταβείτε στους συνδέσμους που αναφέρονται στην ενότητα αναφοράς.