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第40章 氧族元素环境保护(2)

18世纪初,荷兰化学家德莱贝尔经过几年研究,找到一种制造硫酸的新方法——亚硝法。他把硫粉燃烧生成二氧化硫,再由加热硝石得到二氧化氮。随后将两种气体混合加热,使二氧化硫在二氧化氮催化下生成三氧化硫,最后三氧化硫溶于水得到硫酸。

S+O2点燃SO2

Na2NO3△NO2+Na2O

SO2+NO2SO3+NO

SO3+H2OH2SO4

使德莱贝尔的发明转化为生产的是英国商人瓦德。1736年,瓦德在伦敦泰晤士河畔办起世界上第一家生产硫酸的工厂。在体积为66加仑的玻璃钟罩下放少量水,再放一个大铁盘,铁盘上燃烧着硫磺和硝石,使二氧化硫和二氧化氮在钟罩内反应,生成三氧化硫。最后三氧化硫溶于水而生成硫酸。瓦德的硫酸厂有100多个大钟罩,生产的硫酸是全国用绿矾干馏产量的5倍,使硫酸的价格下跌到原价的1/16。

鉴于玻璃钟罩容易碎,容积不能很大,铁盘易被硫酸腐蚀等弱点,于是一个名叫加贝特的技术员建议用铅来代替玻璃钟罩。1749年在加贝特指导下,在苏格兰普里斯顿制成长、宽、高各3米的铅室,使硫酸的日产量提高到1吨之多。

典型的铅室法的生产流程,是使300~500℃的含二氧化硫气体进入充有填料的脱硝塔,与淋洒的含硝硫酸逆流接触。由于酸温升高,含硝硫酸中的氮氧化物得以充分脱除。塔顶引出的含二氧化硫、氮氧化物、氧和水蒸气的混合气体,依次通过若干个铅室。在铅室中,二氧化硫充分氧化而成硫酸。最终通过两座串联的填料式吸硝塔,塔内淋洒经过冷却的脱硝硫酸,以吸收氮氧化物,所得的含硝硫酸送往脱硝塔。

由于部分氮氧化物会随废气和产品带出,需不断补充。早期是将硝石加入焚硫炉内使受热分解,取得二氧化硫和氮氧化物的混合气体。后来,都是将氨氧化成氮的氧化物,再将后者引入第一个铅室,或将硝酸直接补加在含硝硫酸中,用以淋洒脱硝塔。

潮湿的二氧化硫氮氧化物的混合气体和浓度在70%以下的稀硫酸具有很强的腐蚀性,设备需用铅制。在铅室中,二氧化硫的氧化与成酸反应大部分是在气相中进行,因而不可避免地会形成大量的硫酸雾。这种气溶胶状态的细微颗粒需经较长时间才能凝聚成液滴,坠落至铅室底部。为此必须拥有很大的反应空间,才能保持较高的生产效率。再者,生产过程中释放的大量反应热也须经铅室表面及时散去。因此,铅室法工厂往往采用多个串联的铅室,耗铅量大,这是历史上人们力求革新铅室法的主要原因。

大部分硫酸从铅室制得(浓度为65%H2SO4)。适量的铅室产品可注入脱硝塔,因多余的水分被蒸发以及塔内也进行部分成酸反应,从而可由脱硝塔取得浓度达76%H2SO4产品铅室法的硫酸浓度低而且往往含有很多杂质,用途受到限制,这也是铅室法被淘汰的重要因素。

1793年,法国化学家克莱兰和德索姆为了减少硝石用量,改为通入空气以节约成本。1810年,法国化工技术员帕尔克和希尔改用煅烧硫铁矿生产二氧化硫,并使生产连续化。1820年,法国化学家盖·吕萨克发明酸洗塔,在铅室后面加一淋洗酸的塔,内充焦炭来吸收排出的氮氧化物。接着工人格劳夫进一步改进装置,使氮氧化物能够不断循环。至此生产硫酸的铅室法已得到完善,实现工业化大生产。

2NO+O2→2NO2

2SO2+3NO2+H2O→2HSNO5+NO

2HSNO5+H2O→2H2SO4+NO+NO2

用铅室法制硫酸的缺点是流程复杂,得到的硫酸浓度过低,必须寻求新的生产途径。

1813年英国著名化学家戴维发现二氧化硫在铂催化下能被空气氧化成三氧化硫。1831年英国商人菲力蒲投资办厂,用硫燃烧后生成的二氧化硫通过铂网催化氧化制备三氧化硫,三氧化硫溶于水生成硫酸。但铂作为催化剂极易中毒。直到1913年,德国巴的士公司用五氧化二矾和氧化钾作催化剂,使接触法生产硫酸获得成功。1928年雷格和贝尔斯又发明用五氧化二钒和沸石作催化剂,到1938年,用接触法生产硫酸的量已大大超过铅室法。到第二次世界大战后,德国拜尔公司开创二次接触法,使二氧化硫转化率达到99.5%,以后铅室法就被彻底淘汰了。

稀释浓硫酸时为什么会放出大量的热

当硫酸溶解于水时,包括两个过程,硫酸分子向水中扩散是物理过程,这个过程要吸收一定的热量;另一过程是化学过程,即硫酸分子跟水分子化合,生成水合氢离子,这个过程要放出一定的热量。整个过程可以表示如下:

H2SO4+H2O=H3O++HSO-4

HSO-4+H2O=H3O++SO2-4

总的反应可表示为:

H2SO4+2H2O=2H3O++SO2-4

硫酸跟水能生成相当稳定的水合物,如H2SO4·H2O、H2SO4·2H2O、H2SO4·4H2O等(在低温时,这些水合物可以从溶液里以晶体形式析出)。由于形成水合氢离子和各种水合物时放出大量的热(1molH2SO4在20℃时与过量的水混合,溶解热为85.5kJ·mol-1),放出的热量多于吸收的热量,因此,稀释浓硫酸时会放出大量的热。

接触法制硫酸的原理、过程及典型设备

1.三种原料:硫铁矿(FeS2)、空气、水

利用接触法制硫酸一般可以用硫磺、黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的烟气(含一定量的SO2)等。其中用硫磺作原料成本低、对环境污染少。但我国硫磺资源较少,主要用黄铁矿(主要成分为FeS2)作生产硫酸的原料。

2.三步骤、三反应

(1)4FeS2+11O2高温2Fe2O3+8SO2

(2)2SO2+O2催化剂△2SO3

(3)SO3+H2OH2SO4

3.三设备

(1)沸腾炉;(2)接触室;(3)合成塔。

4.三原理:化学平衡原理、热交换原理、逆流原理

(1)增大反应物浓度、增大反应物间接触面积,能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动,以充分提高原料利用率。

(2)热交换原理:在接触室中生成的热量经过热交换器,传递给进入接触室的需要预热的混合气体,为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。

(3)逆流原理:液体由上向下流,气体由下向上升,两者在逆流过程中充分反应。

接触法制硫酸的原理、过程及典型设备

三原料三阶段三反应(均放热)三设备三净化

黄铁矿或S造气4FeS2+11O2高温2Fe2O3+8SO2或S+O2点燃SO2沸腾炉除尘

空气接触氧化2SO2+O2催化剂2SO3接触室(含热交换器)洗涤

98.3%浓硫酸三氧化硫吸收SO3+H2OH2SO4吸收塔干燥

硫酸的用途

硫酸是重要的基础化工原料之一,是化学工业中最重要的产品,几乎所有的工业都直接或间接地用到它,号称“工业之母”。

硫酸在肥料生产上的应用主要是制造硫酸铵和处理磷矿石生产过磷酸钙。例如,每生产1000kg硫铵约需750kg硫酸,每生产1000kg普钙需硫酸350kg~400kg。硫酸还用于农药的生产。

在冶金工业上,电解精炼Cu、Zn、Ni时,电解液就要用硫酸配制。在金属加工时,硫酸又常用来进行“钢铁酸洗”,以除去钢铁表面的铁锈。在石油工业上,硫酸主要用于原油的处理,除去其中的硫化物和不饱和烃。硫酸还用于化学纤维和塑料的生产。在许多医药如磺胺药物、阿司匹林、咖啡因等的生产都需用硫酸。

国防上生产火药也需用硫酸,每生产1吨TNT约需硫酸360kg,生产1000kg苦味酸约需硫酸1300kg。

酸中之王——超强酸

硫酸、盐酸、硝酸,统称为“三酸”,大家已比较熟悉。这些酸具有一个共同的特点——强腐蚀性。浓盐酸和无水氯化锌按适当比例混合,可作为手工锡焊铁制品的清洗剂。金的抗腐蚀性能极强。纯金埋入泥土中,即使是经过几百年、几千年也无明显锈蚀,但把金子放入一份体积的浓硝酸和三份体积的浓盐酸混合成的液体——王水之中,也会逐渐溶解。当然,如果不小心,将这些酸滴到人的皮肤或衣物上,就会产生严重的烧伤和腐蚀。

近年来,科学家开发和研制了比硫酸、盐酸、硝酸的酸性强几百万倍,甚至几十亿倍的所谓超强酸。这些超强酸酸性极强,如魔酸等,目前市场上已有商品出售。别看超强酸的酸性和腐蚀性强得出奇,但它们在化学和化学工业方面却是极有价值的物质。超强酸既是无机及有机化合物的质子化试剂,又是活性极高的酸性催化剂。过去有不少化学反应是极难实现或根本无法实现的。但在超强酸环境中,却能异常顺利地完成。

可以预料,超强酸必将在化学工业中发挥越来越重要的作用。

氧气的发现

我们知道,没有氧气人类就不能生存。然而,是谁发现了氧气呢?在东方,最先发现氧气的是唐代堪舆家马和。1802年,德国东方学者克拉普罗特偶然读到一本64页的汉文手抄本,书名是《平龙认》,作者是马和,著作年代是唐代至德元年(公元756年)。克拉普罗特读完此书以后,惊奇地发现,这本讲述如何在大地上寻找“龙脉”的堪舆家著作,竟揭示了深刻的科学道理:空气和水里都有氧气存在。

1807年,克拉普罗特在彼得堡俄国科学院学术讨论会上宣读了一篇论文,题目是《第八世纪中国人的化学知识》中提到,空气中存在“阴阳二气”,用火硝、青石等物质加热后就能产生“阴气”;水中也有“阴气”,它和“阳气”紧密结合在一起,很难分解。克拉普罗特指出,马和所说的“阴气”,就是氧气。证明中国早在唐朝就知道氧气的存在并且能够分解它,比欧洲人发现氧气足足早了1000多年。克拉普罗特这篇论文使在场的科学家都感到惊奇不已。

而在西方,氧气的发现却经历过一段曲折的历史。18世纪初,德国化学家施塔尔等人提出“燃素理论”,认为一切可以燃烧的物质由灰和“燃素”组成,物质燃烧后剩下来的是灰,而燃素本身变成了光和热,散逸到空间去了。这样一来,燃烧后物质的质量应当减轻,但人们发现,铁块的质量不是减轻,而是增加了,锡、汞等燃烧后,也都比原先重。为什么燃素跑掉后,物质反而会增加呢?随着欧洲工业革命的发展,金属的冶炼和煅烧在生产实践中给化学提出了许多新问题,冲击着燃素理论。

1771—1772年间,瑞典化学家舍勒在加热红色的氧化汞、黑色的氧化锰、硝石等时制得了氧气,把燃着的蜡烛放在这个气体中,火烧得更加明亮,他把这个气体称为“火空气”。他还将磷、硫化钾等放置在密闭的玻璃罩内的水面上燃烧,经过一段时间后,钟罩内的水面上升了1/5高度,接着,舍勒把一支点燃的蜡烛放进剩余的“用过了的”空气里去,不一会儿,蜡烛熄灭了。他把不能支持蜡烛燃烧的空气称为“无效的空气”。他认为空气是由这两种彼此不同的成分组成的。

在众多讨论发现氧气的著作中,约瑟夫·普利斯特里所著的名为《几种气体的实验和观察》,最饶有兴味。

约瑟夫·普利斯特里在1733年3月13日生于英国黎芝城附近的飞尔特黑德镇。他一生大部分时间实际上是当牧师,化学只是他的业余爱好。他所著的《几种气体的实验和观察》于1766年出版。在这部书里,他向科学界首次详细叙述了氧气的各种性质。他当时把氧气称作“脱燃烧素”。普利斯特里的试验记录十分有趣。其中一段写道:

“我把老鼠放在‘脱燃烧素’的空气里,发现它们过得非常舒服,我自己受了好奇心的驱使,又亲自加以试验。我想读者是不会感到惊异的。我自己试验时,是用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取的。当时我的肺部所得到的感觉,和平时吸入普通空气一样;但自从吸过这种气体以后,经过好多时候,身心一直觉得十分轻快舒畅。有谁能说这种气体将来不会变成时髦的奢侈品呢?不过现在只有我和两只老鼠,才有享受呼吸这种气体的权利啊!”

当时,他没有把这种气体命名为“氧气”,而只是称它“脱燃烧素”。在制取出氧气之前,他就制得了氨、二氧化硫、二氧化氮等,和同时代的其他化学家相比,他采用了许多新的实验技术,所以被称之为“气体化学之父”。舍勒和普利斯特里虽然先后独立地发现了氧气,但由于他们墨守陈旧的燃素学说,使他们不知道自己找到了什么。

1774年,法国著名的化学家拉瓦锡正在研究磷、硫以及一些金属燃烧后质量会增加而空气减少的问题,大量的实验事实使他对燃素理论发生了极大怀疑,正在这时,10月份普利斯特里来到巴黎,把他的实验情况告诉了拉瓦锡,拉瓦锡立刻意识到他的英国同事的实验的重要性。他马上重复了普利斯特里的实验,果真得到了一种支持燃烧的气体,他确定这种气体是一种新的元素。1775年4月拉瓦锡向法国巴黎科学院提出报告——金属在煅烧时与之相化合并增加其重量的物质的性质——公布了氧的发现,他说这种气体几乎是同时被普利斯特里、舍勒和他自己发现的。

氧的发现不是一个人所做的。恩格斯在《资本论》第二卷序言中提到:“普利斯特里和舍勒已经找出了氧气,但不知道他们找到的是什么。他们不免为现有燃素范畴所束缚。这种本来可以推翻全部燃素观点并使化学发生革命的元素,没有在他们手中结下果实。不过普利斯特里不久就把他的发现告诉了巴黎的拉瓦锡;拉瓦锡依据这个新的事实研究了整个燃素化学,方才发现这种新的气体是一种新的化学元素。燃烧的时候,并不是什么神秘的燃素从燃烧体分离,而是这种新的元素和这种物体化合。因此,在燃素形式上倒立着的整个化学才正立起来。照拉瓦锡后来主张,他和其他两位学者是同时并且相互独立地发现氧气。虽然事实不是如此,但同其他两位比较起来,他仍不失为氧气的真正发现者,因为其他两位不过找出了氧气,但一点儿也不知道他们自己找出了什么。”正是拉瓦锡的实验和结论,使当时的化学研究者们正确地认识了空气的组成成分和氧气对物质燃烧所起的作用,才击破了燃素学说,发现了氧。拉瓦锡一生虽然没有发明过什么新化合物和新化学反应,但他是历史上最杰出的化学家之一,他杰出的天才表现在他能看到旧理论的主要弱点,并能把有用的事实和更正确、更全面的新理论结合起来。

1777年,拉瓦锡命名此种气体为Oxygen(氧),是由希腊文oxus-(酸)和geinomai(源)组成,即“成酸的元素”的意思。它的化学符号为O。我国清末学者徐寿把这种气体称为“羊气”,后来为了统一,取了其中的“羊”字,因是气体,又加了部首“气”头,成为今天我们使用的“氧”字。