Најважније из лекције
Сумпорна киселина (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)): Добија се контактним поступком. Оксидација \(\text{SO}_2\) у \(\text{SO}_3\) се врши уз катализатор \(\text{V}_2\text{O}_5\) на чврстој површини (контактна катализа). \(\text{SO}_3\) се апсорбује у конц. \(\text{H}_2\text{SO}_4\) и потом разблажује водом.
Хлороводонична киселина (\(\text{HCl}\)): Добија се егзотермним сагоревањем водоника у хлору (\(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}\)) у хлађеним графитним пећима, након чега се гас раствара у води.
Креч (\(\text{CaO}\)): Производи се ендотермним термичким разлагањем кречњака (\(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CaO} + \text{CO}_2\)) у јамастим пећима уз константно загревање.
Хлороводонична киселина (\(\text{HCl}\)): Добија се егзотермним сагоревањем водоника у хлору (\(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}\)) у хлађеним графитним пећима, након чега се гас раствара у води.
Креч (\(\text{CaO}\)): Производи се ендотермним термичким разлагањем кречњака (\(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CaO} + \text{CO}_2\)) у јамастим пећима уз константно загревање.
Контактни поступак је индустријски процес производње концентроване сумпорне киселине (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) који се заснива на каталитичкој оксидацији сумпор(IV)-оксида на површини чврстог катализатора.
Добијање и пречишћавање сумпор(IV)-оксида (\(\text{SO}_2\)):
Добија се сагоревањем елементарног сумпора или као споредни производ пржења сулфидних руда (нпр. пирита \(\text{FeS}_2\), сфалерита, халкопирита). Гасови се морају детаљно пречистити од прашине и осушити у торњевима са концентрованом сумпорном киселином.
Добија се сагоревањем елементарног сумпора или као споредни производ пржења сулфидних руда (нпр. пирита \(\text{FeS}_2\), сфалерита, халкопирита). Гасови се морају детаљно пречистити од прашине и осушити у торњевима са концентрованом сумпорном киселином.
Каталитичка оксидација \(\text{SO}_2\) у \(\text{SO}_3\):
Пречишћени и загрејани гасови уводе се у контактни торањ са катализатором ванадијум(V)-оксидом (\(\text{V}_2\text{O}_5\)).
Пречишћени и загрејани гасови уводе се у контактни торањ са катализатором ванадијум(V)-оксидом (\(\text{V}_2\text{O}_5\)).
\[ \text{SO}_2(\text{g}) + \frac{1}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightleftharpoons \text{SO}_3(\text{g}) \quad \Delta_{\text{r}}H = -92,2 \text{ kJ/mol} \]
Апсорпција \(\text{SO}_3\) и добијање киселине:
Охлађени \(\text{SO}_3\) се у торњу за апсорпцију уводи у раствор сумпорне киселине масеног удела око \(98\%\), при чему настаје тзв. пушљива сумпорна киселина (олеум), која се затим разблажује водом до жељене концентрације.
Охлађени \(\text{SO}_3\) се у торњу за апсорпцију уводи у раствор сумпорне киселине масеног удела око \(98\%\), при чему настаје тзв. пушљива сумпорна киселина (олеум), која се затим разблажује водом до жељене концентрације.
Гасови (\(\text{SO}_2\) и \(\text{O}_2\)) морају бити потпуно суви и чисти, јер примесе и влага деактивишу („трују“) катализатор \(\text{V}_2\text{O}_5\).
Зашто се при оксидацији \(\text{SO}_2\) у \(\text{SO}_3\) користи катализатор \(\text{V}_2\text{O}_5\) уместо знатног снижења температуре, иако је реакција егзотермна?
Иако би према Ле Шатељеовом принципу снижење температуре фаворизовало егзотермну реакцију (померило равнотежу удесно), на ниским температурама брзина реакције постаје превише мала за индустријску примену. Употребом катализатора \(\text{V}_2\text{O}_5\) омогућава се брзо одвијање реакције и задовољавајући принос при повишеној температури.
Хлороводонична киселина (\(\text{HCl}\)) се у индустрији производи растварањем гасовитог хлороводоника у води, који се претходно добија директном синтезом из елемената.
\[ \text{H}_2(\text{g}) + \text{Cl}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{HCl}(\text{g}) \quad \Delta_{\text{r}}H = -92,2 \text{ kJ/mol} \]
Синтеза хлороводоника из елементарног водоника и хлора
Услови процеса: Сагоревање водоника у хлору даје најчистији \(\text{HCl}\). Реакција је јако егзотермна и изводи се у специјалним графитним пећима.
Пећи имају двоструке зидове кроз које протиче вода за хлађење. Овим се ефикасно одводи ослобођена топлота и спречава ризик од експлозије. Након изласка из пећи, награђени \(\text{HCl(g)}\) се спроводи у судове са водом где се раствара.
Који конструкциони елемент графитних пећи спречава експлозију током синтезе хлороводоника?
Двоструки зидови пећи кроз које се проводи хладна вода омогућавају стално одвођење топлоте реакције, чиме се одржава стабилна температура и спречава прегревање и експлозија.
Негашени креч (калцијум-оксид, \(\text{CaO}\)) је важан грађевински материјал који се производи термичким разлагањем кречњака.
\[ \text{CaCO}_3(\text{s}) \xrightarrow{t^\circ} \text{CaO}(\text{s}) + \text{CO}_2(\text{g}) \quad \Delta_{\text{r}}H = +167 \text{ kJ/mol} \]
Термичко разлагање (печење) кречњака
Реакција је изразито ендотермна (\(\Delta_{\text{r}}H > 0\)), што значи да захтева непрекидно загревање кречњака на високој температури.
За производњу креча на индустријском нивоу најчешће се користе такозване јамасте пећи, у које се одозго убацује јефтина природна сировина - кречњак (\(\text{CaCO}_3\)).
Зашто се процес печења креча мора одвијати уз константно довођење топлоте?
Зато што је разлагање \(\text{CaCO}_3\) ендотерман процес (\(\Delta_{\text{r}}H = +167\text{ kJ/mol}\)), па би прекид довођења топлоте одмах зауставио реакцију.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Наведите главне сировине од којих се добија \(\text{SO}_2\) као почетни гас за производњу сумпорне киселине.
Главне сировине су елементарни сумпор (\(\text{S}\)) и сулфидне руде попут пирита (\(\text{FeS}_2\)), сфалерита или халкопирита, из којих се \(\text{SO}_2\) добија пржењем.
Задатак 2 (средњи): Која су три основна корака (фазе) у контактном поступку производње сумпорне киселине?
- Добијање, уклањање прашине и сушење сумпор(IV)-оксида (\(\text{SO}_2\)).
- Каталитичка оксидација \(\text{SO}_2\) до сумпор(VI)-оксида (\(\text{SO}_3\)) уз катализатор \(\text{V}_2\text{O}_5\).
- Апсорпција \(\text{SO}_3\) у концентрованој \(\text{H}_2\text{SO}_4\) (настанак олеума) и његово разблаживање водом.
Задатак 3 (средњи): Напишите термохемијску једначину добијања хлороводоника директном синтезом и објасните од чега зависи безбедност рада у пећима за ову синтезу.
Једначина:
\[ \text{H}_2(\text{g}) + \text{Cl}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{HCl}(\text{g}) \quad \Delta_{\text{r}}H = -92,2 \text{ kJ/mol} \]
Безбедност рада зависи од ефикасног хлађења водом кроз двоструке зидове графитних пећи. Пошто је реакција егзотермна, благовремено одвођење топлоте спречава неконтролисани пораст температуре и експлозију гасне смеше.
Задатак 4 (тежак): Израчунајте колико је топлоте потребно довести да би се термички разложило \(500\text{ g}\) чистог калцијум-карбоната у јамастој пећи, ако је моларна маса \(\text{CaCO}_3\) једнака \(100\text{ g/mol}\), а реакција дата једначином:
\[ \text{CaCO}_3(\text{s}) \rightarrow \text{CaO}(\text{s}) + \text{CO}_2(\text{g}) \quad \Delta_{\text{r}}H = +167 \text{ kJ/mol} \]
1. Рачунамо количину супстанце \(\text{CaCO}_3\):
\[ n(\text{CaCO}_3) = \frac{m}{M} = \frac{500\text{ g}}{100\text{ g/mol}} = 5\text{ mol} \]
2. Према термохемијској једначини, за разлагање \(1\text{ mol}\) \(\text{CaCO}_3\) потребно је \(167\text{ kJ}\) топлоте.
3. За \(5\text{ mol}\) потребно је: \[ Q = n \cdot \Delta_{\text{r}}H = 5\text{ mol} \cdot 167\text{ kJ/mol} = 835\text{ kJ} \] Одговор: Потребно је довести \(835\text{ kJ}\) топлоте.
3. За \(5\text{ mol}\) потребно је: \[ Q = n \cdot \Delta_{\text{r}}H = 5\text{ mol} \cdot 167\text{ kJ/mol} = 835\text{ kJ} \] Одговор: Потребно је довести \(835\text{ kJ}\) топлоте.
