小編整理: 硫酸是一種重要的工業(yè)原料,廣泛應(yīng)用于化工、輕工、合成纖維、制藥等工業(yè)部門。它具有高沸點(diǎn)、高濃度的特點(diǎn),因此在某些高溫、高壓的反應(yīng)中,可作為脫水劑或催化劑。此外,硫酸還具有強(qiáng)氧化性,可用于漂白、防腐、殺菌等。
硫酸是一種腐蝕性很強(qiáng)的酸,對皮膚、眼睛等有強(qiáng)烈的刺激和腐蝕作用,使用時(shí)需要特別注意安全。同時(shí),硫酸的廢液處理也是一個(gè)重要的問題,需要采取合理的方法進(jìn)行環(huán)保處理。
總之,硫酸是一種重要的工業(yè)原料,具有多種用途和特性,但也需要注意安全和環(huán)保問題。
硫酸 硫酸(Sulfuric ac id)是一種二元 無機(jī) 強(qiáng)酸,又名 硫酸油 。是一種由 硫 、 氧 和 氫元素 組成的 礦物酸 ,化學(xué)式為H?SO?。它是一種無色的油狀液體,在任何濃度下都能與水互溶。 純硫酸 密度很大,為1.8305g/cm3。純硫酸沸點(diǎn)高達(dá)337℃,在25°C時(shí)蒸氣壓為0.001mmHg,屬于難 揮發(fā)性酸 。 濃硫酸 還具有吸水性,可用作干燥劑 ;具有強(qiáng)氧化性和腐蝕性,是一種 強(qiáng)氧化性酸 ;此外,還具有 脫水性 ,可以按比例脫去材料中的水導(dǎo)致碳化 。硫酸是一種非常重要的 化工產(chǎn)品 ,通常采用的生產(chǎn)方法有 接觸法 、 濕法 制硫酸等,一個(gè)國家的硫酸產(chǎn)量是衡量其工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。硫酸廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和軍事等行業(yè),如化肥生產(chǎn)、礦物加工、石油煉制、電池材料、炸藥制造、廢水處理和化學(xué)合成等,被譽(yù)為“化學(xué)工業(yè)之母”地位。 基本信息
性質(zhì)
危險(xiǎn)性
NFPA 7 04
NFPA健康等級:3(在緊急情況下可能造成嚴(yán)重或永久性傷害的材料)
NFPA防火等級:0(在典型火災(zāi)條件下不會燃燒的材料,包括本質(zhì)上不可燃的材料,如混凝土、石頭和沙子)
NFPA不穩(wěn)定性等級:2(在高溫和高壓下容易發(fā)生劇烈化學(xué)變化的材料)
發(fā)現(xiàn)歷史 關(guān)于硫酸的起源和性質(zhì)最早的討論出現(xiàn)在 希臘 醫(yī)生 迪奧斯科里德斯 (公元1世紀(jì))的著作中。8世紀(jì),阿拉伯煉丹家 阿布·穆薩·賈比爾·伊本·哈揚(yáng) (Abu Mūsā Jābir ibn Hayyān)干餾 綠礬 時(shí)得到硫酸,將其稱之為“ 礬精 ”。硫酸被中世紀(jì)歐洲煉金術(shù)士 稱為“硫酸油”,因?yàn)樗峭ㄟ^在鐵釜中焙燒 綠礬 而制備的。 在17世紀(jì),化學(xué)家 約翰·格勞伯 (Johann Glauber)和 約書亞·沃德 (Joshua Ward)將硫和 硝酸鉀 一起燃燒,并將產(chǎn)生的 二氧化硫 和 氮氧化物 與氧、水反應(yīng)生成硫酸,這是硝化法制備硫酸的前身。 1746年,英國 人 J?羅巴克 (Roebuck)建立了一座1.83米的 鉛室 用來生產(chǎn)硫酸,這是世界上第一個(gè)使用 鉛室法 生產(chǎn)硫酸的工廠。生產(chǎn)流程是使300~500℃的含二氧化硫的混合氣體進(jìn)入脫硝塔,并除其中的氮氧化物。塔頂引出的二氧化硫依次通過若干個(gè)鉛室,最終被充分氧化而成硫酸。后來, 法國 化學(xué)家 約瑟夫·路易斯 (Joseph Louis )和 英國 化學(xué)家 約翰·格洛弗 ( John Glover )對鉛室工藝進(jìn)行了改進(jìn),將硫酸的濃度提高到78%。鉛室法作為生產(chǎn)硫酸的最主要方法,一直使用到1900年。 1831年,英國醋商 佩格林·菲利普斯 (Peregrine Phillips )提出了 接觸法制硫酸 并申請了專利。接觸法制硫酸是在熱鉑的催化下, 二氧化硫 被氧化為 三氧化硫 ,之后用水吸收,制成硫酸。這是一種高效、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)三氧化二硫和 濃硫酸 的工藝,被廣泛使用。 20世紀(jì)初出現(xiàn)了 塔式法 生產(chǎn)硫酸, 塔式法 的設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度為鉛室法的6-10倍,成品酸的濃度也提高到75%以上。
分布情況
地球 純硫酸在地球上不是天然存在的,因?yàn)槠渚哂泻軓?qiáng)的吸水性。地殼中含硫的礦物質(zhì)可被氧化生成硫酸。 稀硫酸 主要來自于酸雨,含硫礦物燃燒后生成的 二氧化硫 ( SO? )排放到大氣中,可以和大氣里水反應(yīng),生成 亞硫酸 (H?SO?),亞硫酸又被大氣中的氧氣氧化生成硫酸,最終隨雨水落到地面形成酸雨。酸雨對生態(tài)環(huán)境危害頗多,如引起酸性土壤的形成、腐蝕建筑物、森林植被破壞等。
其他星球
金星 在 金星 的上層大氣中存在厚厚的硫酸云層,在高溫下,硫酸會分解為 三氧化硫 以及水,隨后三氧化硫會繼續(xù)分解為二氧化硫及原子氧。這些物質(zhì)從 大氣中層 升高到上層后在光催化下會重新反應(yīng)生成硫酸,該反應(yīng)不斷的循環(huán)發(fā)生。
木星
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 純硫酸是一種無色、透明的油狀液體,密度1.8305g/cm3。純硫酸在25°C時(shí)蒸氣壓為0.001mmHg,在145.8°C時(shí)蒸氣壓為1mmHg,沸點(diǎn)337℃,是一種難揮發(fā)的酸。 濃硫酸 具有吸水性,可用作氣體干燥劑,但需注意不能干燥堿性氣體(如 氨氣 等)和具有還原性的氣體(如 硫化氫 等)。因?yàn)榱蛩岱肿娱g以及硫酸分子與水分子形成氫鍵,其能與水以任意比例互溶,且溶于水會釋放出大量的熱。 為了方便運(yùn)輸和使用,純硫酸一般被制成98%的市售硫酸,日常生活和工業(yè)中常見的硫酸一般有以下幾種濃度 :
稀硫酸
鉛酸蓄電池酸
室酸、肥料酸
濃硫酸
濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
10%
29%-32%
62%-70%
98%
化學(xué)性質(zhì)
稀硫酸 稀硫酸是強(qiáng)酸,它具有酸的化學(xué)性質(zhì):
與所含酸根離子對應(yīng)酸酸性比 硫酸根 離子弱的鹽反應(yīng),生成相應(yīng)的硫酸鹽和 弱酸 。 在加熱條件下可催化蛋白質(zhì)、 二糖 和 多糖 的水解。 硫酸的穩(wěn)定性弱于其相應(yīng)的硫酸鹽,從離子極化能力出發(fā), 含氧酸 中H?的反極化作用力強(qiáng)于其鹽中的 陽離子 ,故破壞O與S之間結(jié)合的能力要大,因此含氧酸的穩(wěn)定性弱于含氧的鹽。
濃硫酸
脫水性 濃硫酸具有 脫水性 ,可以將物質(zhì)中的H、O元素以個(gè)數(shù)比2:1的比例脫去,生成黑色的炭,該過程是化學(xué)變化的過程??杀粷饬蛩崦撍奈镔|(zhì)一般為含氫、 氧元素 的 有機(jī)物 ,如 蔗糖 、木屑、紙屑和棉花等。下圖是蔗糖碳化的原理 :
磺化反應(yīng) 在有機(jī)物的磺化反應(yīng)中,苯與加熱的濃硫酸進(jìn)行磺化反應(yīng)生成 苯磺酸 ,即在 苯環(huán) 上引入 苯磺酸 。反應(yīng)歷程如下
強(qiáng)氧化性 濃硫酸 具有很強(qiáng)的強(qiáng)氧化性,因?yàn)榱蛩岱肿又杏?個(gè)O原子與H原子鍵合,由于O的電負(fù)性強(qiáng)于H,O-H鍵之間的電子對偏向于O原子,導(dǎo)致H原子幾乎是一個(gè)裸露的質(zhì)子 ,具有很強(qiáng)的正電性,會吸引與其鍵合的O原子與S原子之間的共用電子對,使O-S鍵易斷裂,大大削弱了硫酸的穩(wěn)定性。 硫酸的強(qiáng)氧化性由以下幾個(gè)反應(yīng)體現(xiàn),硫酸容易得電子,發(fā)生氧化還原反應(yīng)。 反應(yīng)方程式如下:
與金屬反應(yīng) 常溫下,冷的 濃硫酸 能使鐵、鋁等 金屬鈍化 ,在金屬表面形成致密的 氧化膜 。 反應(yīng)過程如下:
反應(yīng)初期,鐵表面與濃硫酸接觸發(fā)生反應(yīng):
隨著反應(yīng)的發(fā)生伴隨著S單質(zhì)生成:
Al單質(zhì)在與濃硫酸鈍化過程初期生成 氫氣 :
隨著反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生:
加熱時(shí), 濃硫酸 可以與除金、鉑之外的所有金屬反應(yīng),產(chǎn)物為高價(jià)金屬硫酸鹽和 二氧化硫 。
在上述反應(yīng)中,硫酸表現(xiàn)出了強(qiáng)氧化性和酸性,加熱時(shí)氧化性更強(qiáng)。
與非金屬反應(yīng) 熱的濃硫酸可將碳、硫、磷等非金屬單質(zhì)氧化,其產(chǎn)物為高價(jià)態(tài)的氧化物或 含氧酸 和二氧化硫。
濃硫酸與碳的反應(yīng)方程式如下:
與其他還原性物質(zhì)反應(yīng) 濃硫酸具有強(qiáng)氧化性,實(shí)驗(yàn)室制取 硫化氫 、 氨氣 等還原性氣體不能選用 濃硫酸 ,只能采取 稀硫酸 。
發(fā)煙硫酸 “發(fā)煙硫酸”是指 三氧化硫 的硫酸溶液。將濃硫酸沿器壁緩緩倒入水中并不斷攪拌,會放出大量的熱,若繼續(xù)通入三氧化硫,則會形成 ,揮發(fā)出來的SO?和空氣中的水蒸氣形成硫酸的細(xì)小露滴而冒煙,產(chǎn)生“發(fā)煙”現(xiàn)象。
制備工藝
硫鐵礦制酸 硫鐵礦制酸的原料是 硫鐵礦 ,過程包括硫鐵礦貯運(yùn)、焙燒、凈化、干燥吸收和轉(zhuǎn)化。硫鐵礦在經(jīng)過沸騰焙燒后,得到的 二氧化硫 氣體作為爐氣排出,經(jīng)過凈化工序后,將為二氧化硫氧化為 三氧化硫 ,用水吸收三氧化硫,經(jīng)吸收塔吸收三氧化硫氣體得到98%硫酸或 發(fā)煙硫酸 。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)工藝成熟,生產(chǎn)原料簡單易得。但缺點(diǎn)較多,首先從環(huán)境污染層面來說,硫鐵礦制備硫酸產(chǎn)生了大量的有毒氣體,對環(huán)境污染大;處理三廢方面,硫鐵礦制酸會排放大量的污水,流程中還會產(chǎn)生大量的 有毒粉塵 及礦渣,對污水處理要求高,嚴(yán)重影響著周圍環(huán)境;其次從工作環(huán)境上來說,該方法大多操作環(huán)境惡劣、操作強(qiáng)度高,工作量大。最后,由于處理了大量的廢水廢氣,該方法的能耗較高,附加成本高,環(huán)保費(fèi)用無法承受。
硫磺制酸 研究者 們已經(jīng)探索出了一套以固體硫磺為基礎(chǔ)材料的硫酸制備方法,制取工藝流程包括熔硫、過濾、焚硫轉(zhuǎn)化、干燥吸收等。大部分硫磺制酸企業(yè)是由硫鐵礦制酸改造來的,干燥用9.3%酸、吸收用98%酸,但由于干燥的是空氣,干燥酸最好用98%酸。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于硫磺作原料成本低,對環(huán)境的污染少。
冶煉煙氣制酸 冶煉煙氣制酸的原料主要是金屬硫化礦物冶煉時(shí)產(chǎn)生的 二氧化硫 煙氣,是對冶煉廠的副產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化利用。其主要流程包括煙氣凈化、干燥吸收和轉(zhuǎn)化等。冶煉煙氣時(shí)需要的濕度較大,這十分影響干燥吸收工段的直接效果,可能會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。冶煉煙氣制酸的工藝研究重點(diǎn)在于提高冶煉煙氣中SO?的含量,尋求更有利的制酸方案,提升制備硫酸的效率和產(chǎn)量??蛇x用富氧吹煉技術(shù),以提高煙氣含SO?量。
磷石膏制酸 石膏、磷石膏是制硫酸的重要原料,工藝主要步驟如下:
將原料——磷石膏、 焦炭 和黏土三種原料等混合;
對生料進(jìn)行高溫分解,使其將原料中含有的硫經(jīng)過氧化反應(yīng)后生成 二氧化硫 并吸收;
將生成的SO?窯氣經(jīng)除雜、烘干、反應(yīng)、吸收這四個(gè)工序制成硫酸。該工藝已具備了工業(yè)生產(chǎn)能力,但由于生產(chǎn)成本較高,并未在工業(yè)上大范圍應(yīng)用。
應(yīng)用領(lǐng)域 硫酸是一種非常重要的化工商品,一個(gè)國家的硫酸產(chǎn)量是其工業(yè)實(shí)力的一個(gè)很好的指標(biāo),被譽(yù)為“化學(xué)工業(yè)之母”,在國民生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。 2004年世界產(chǎn)量約為1.8億噸,地理分布如下:亞洲35%,北美州24%, 非洲 11%,歐洲10%, 大洋洲 7%,南美洲7%。其中大部分(約60%)用于化肥生產(chǎn),特別是過磷酸銨、 磷酸銨 和 硫酸銨 。其在化工工業(yè)清潔劑、 合成樹脂 、染料、藥品、石油催化劑、殺蟲劑、炸藥、 潤滑劑 、 電解液 和粘膠紡織品等生產(chǎn)中也廣泛應(yīng)用。 此外,在環(huán)境污染治理方面,利用硫酸的強(qiáng)酸性,可以處理工廠中堿性廢水,中和處理后再排放可降低其對環(huán)境的危害。
電解質(zhì) 硫酸也被用作 鉛酸電池 或鉛酸蓄電池的 電解液 ,電池充電時(shí),正極板上會形成 氧化鉛 (PbO?)使得電解質(zhì)變得更稠密,然后在放電時(shí)幾乎完全變成水,電極反應(yīng)如下:
陽極:
陰極:
總反應(yīng):
清潔劑 硫酸可以使有機(jī)物磺化,在工業(yè)生產(chǎn)中可以直接用于洗滌劑的生產(chǎn)。硫酸中加入 過氧化氫 ( H?O ? )可生成食人魚溶液(Piranha),這是一種強(qiáng)力但劇毒的清洗液,可用于清洗基材表面。食人魚通常用于微電子工業(yè),也用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中清潔玻璃器皿。
冶金工業(yè) 有色金屬冶煉過程中會用硫酸作為 電解液 ,例如用電解法精煉銅、鋁、鋅、鎘、鎳等過程。此外,貴金屬(如金、鉑、鈀等)的精煉中也會用硫酸溶解洗去夾雜金屬。
除銹 硫酸是二元強(qiáng)酸,可以與金屬氧化物反應(yīng),可用于表面除銹。在鋼鐵工業(yè)和金屬機(jī)械加工之前,都會用硫酸清除金屬制件表面的氧化物。除銹時(shí)需加入緩蝕劑并注意控制反應(yīng)溫度,防止工件內(nèi)含金屬與硫酸反應(yīng)而被進(jìn)一步損壞 。用過的酸通常使用廢酸再生(SAR)裝置回收。這些工廠將廢酸與天然氣、煉廠氣、燃料油或其他燃料來源一起燃燒。燃燒過程產(chǎn)生氣態(tài) 二氧化硫 (SO?)和 三氧化硫 (SO?),然后用來制造“新”硫酸。
催化劑 硫酸可用作多種反應(yīng)的催化劑,例如它是 環(huán)己酮肟 轉(zhuǎn)化為 己內(nèi)酰胺 的常用酸性催化劑,用于制造尼龍。也可作為 異丁烷 與異丁烯反應(yīng)的催化劑,生成 異辛烷 ,這是一種提高 汽油辛烷值 的化合物。在工業(yè)反應(yīng)中,硫酸也常被用作 脫水劑 或氧化劑,如脫水各種糖形成固體碳。 此外,硫酸還可參與多種經(jīng)典有機(jī)反應(yīng), 具體如下:
催化酯化反應(yīng) 酯化反應(yīng)中 濃硫酸 作催化劑,在反應(yīng)中,濃硫酸提供的 氫離子 可與羧酸的 羰基氧 結(jié)合使羰基質(zhì)子化,增強(qiáng)羰基碳的親電性,加快反應(yīng)速度;同時(shí)濃硫酸具有吸水性,可以除去產(chǎn)物中的水,促使該可逆反應(yīng)平衡向右移動。反應(yīng)方程式如下
催化酯水解反應(yīng) 酯水解是酯化反應(yīng)的逆反應(yīng)。酸作催化劑時(shí),酯和水在酸的作用下,通過加成-消除反應(yīng)機(jī)理形成醇和羧酸,但醇和羧酸也可逆向進(jìn)行 酯化反應(yīng) ,使水解反應(yīng)進(jìn)行不夠徹底 。
加入硫酸,使溶液酸性增強(qiáng),平衡逆向移動,水解無法完全進(jìn)行。
催化硝化反應(yīng) 硝化反應(yīng) 指的是向有機(jī)物分子中引入硝基的反應(yīng)。
比如在苯環(huán)上引入硝基,反應(yīng)歷程如下
在反應(yīng)中硫酸的給質(zhì)子能力較強(qiáng),從而使得硝酸解離為硝酰正離子,硝酰正離子,進(jìn)攻 芳香烴 形成π絡(luò)合物,然后轉(zhuǎn)化為σ絡(luò)合物,最后脫去質(zhì)子得到硝化產(chǎn)物,即為 硝基苯 。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 硫酸最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是化肥行業(yè),大約有60%的硫酸用于化肥生產(chǎn)。大部分硫酸用于磷酸的生產(chǎn),磷酸又被用于制造多種磷酸肥如:三磷酸過磷酸銨、 磷酸一銨 和 磷酸二銨 等。少量硫酸用于生產(chǎn)過磷酸鈉和 硫酸銨 。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,硫酸可用于改良高堿性石灰質(zhì)土壤,得到更適宜植物生長的土壤,增加收成。 稀硫酸 水溶液可溶解鈣、鎂、鐵的碳酸鹽,促進(jìn)植物對所需礦物質(zhì)的吸收。此外,硫酸還可以制備很多農(nóng)藥如 波爾多液 、殺蟲劑等。
安全事宜
存儲方法 硫酸是一種具有極強(qiáng)腐蝕性的化學(xué)品,必須小心地儲存在由非反應(yīng)性材料(如玻璃)制成的容器中,并標(biāo)記為“腐蝕性”。應(yīng)儲存于陰涼通風(fēng)處,避免與還原劑、堿類、金屬和水接觸。
在硫酸的生產(chǎn)、存儲以及運(yùn)輸?shù)倪^程中,應(yīng)對工廠設(shè)備等進(jìn)行定期維護(hù)檢查,防止發(fā)生由于腐蝕或者是爆炸而產(chǎn)生的危險(xiǎn)事故
健康危害 濃硫酸 可與許多物質(zhì)劇烈反應(yīng),釋放出大量的熱或可燃物,引起火災(zāi)和爆炸。此外,硫酸具有強(qiáng)腐蝕性,對碳水化合物表現(xiàn)出很強(qiáng)的脫水特性,人體接觸會引起化學(xué)腐蝕以及物理灼傷等安全問題。如濺到眼睛上會損傷角膜,可能導(dǎo)致永久性失明;誤食會對內(nèi)臟器官造成不可逆的損傷,甚至可能致命。因此,在操作處理硫酸時(shí)應(yīng)始終使用保護(hù)設(shè)備。
濃硫酸在稀釋過程中也會釋放大量的熱量,為了避免飛濺,通常把濃酸緩慢加入水中,并不斷用 玻璃棒 攪拌,而不是反過來加入。因?yàn)樗岬拿芏缺人?,會沉到底部。熱在酸和水之間的界面產(chǎn)生,界面附近的溫水上升,使界面冷卻,防止酸或水的沸騰。相反,向 濃硫酸 中加水會在酸的上面形成一層薄薄的水。稀薄的水層中產(chǎn)生的熱量會沸騰,導(dǎo)致硫酸氣溶膠的擴(kuò)散,還可能發(fā)生爆炸。在實(shí)驗(yàn)室中,可以將濃酸倒在去離子水制成的碎冰上來稀釋。當(dāng)酸溶解時(shí),冰在吸熱過程中融化。在這一過程中,融化冰所需的熱量大于溶解酸而使溶液保持低溫所產(chǎn)生的熱量。在所有的冰融化后,可以用水進(jìn)一步稀釋,確保安全。
處理方案 硫酸泄露容易發(fā)生人員中毒、傷亡和嚴(yán)重環(huán)境污染事故。為了減少硫酸的安全事故的發(fā)生,必須嚴(yán)格按照國家的法律制造危險(xiǎn)物質(zhì),嚴(yán)格遵守企業(yè)的規(guī)章制度,并且對泄露事故處理要及時(shí)、得當(dāng)、科學(xué),盡量避免重大危害及損失的發(fā)生。
泄露發(fā)生之后,要立即在可行的前提下關(guān)閉泄露源,在泄漏區(qū)域周圍設(shè)置警告標(biāo)志。進(jìn)入泄露現(xiàn)場人員必須配備必要的個(gè)人防護(hù)器具,泄漏的地面通過噴灑碳酸鈉和 石灰 來中和,反應(yīng)后用水沖洗。廢水要集中 收集處理。 如果發(fā)生吸入性中毒,應(yīng)立即離開現(xiàn)場,嚴(yán)重時(shí)需進(jìn)行霧化和吸氧治療。對于皮膚上不慎接觸硫酸,要迅速脫去被污染衣物,用干抹布輕輕擦去皮膚表面殘余硫酸,再用大量水沖洗10到15分鐘,最后涂上碳酸氫鈉溶液。