Sieros rugstis. Savybes, naudojimas, gamyba, problemos

Savybės. Gryna sieros rūgštis — bespalvis sunkus aliejingas skystis, 10,5°C temp. virstąs kristalais. Parduodamoje koncentruotoje sieros rūgštyje yra apie 96% H2SO4, jos tankis 1,84. Gryna 100% sieros rūgštis (monohidritas) verda 339°C temperatūroje. Sieros rūgštyje gali ištirpti daug sieros trioksido, vadinamo oleumu.
Koncentruota sieros rūgštis, pakliuvusi ant odos, smarkiai nudegina. Todėl su ja reikia elgtis labai atsargiai.
Labai būdinga sieros rūgšties saveika su vandeniu. Su juo ji maišosi bet kuria proporcija, o susidarant H2SO4•H2O, H2SO4·2H2O bei kitokiems hidratams, išsiskiria daug šilumos. Pilama į vandenį koncentruota sieros rūgštis dėl diidesnio kaip vandens tankio nusėda žemyn, palaipsniui su juo susimaišydama. Indo turinys įkaista daugiau ar mažiau tolygiai ir nelabai stipriai, nes vanduo turi didelį šiluminį imlumą. Į koncentruota sieros rūgštį pilamas vanduo, kaip lengvesnis skystis, ne sės žemyn, o prasiskverbs tik į negilius rūgšties sluoksnius. Šiluma nesklis tolygiai po visą indo turinį, o susikoncentruos vienoje vietoje, kur vanduo maišosi su rūgštimi. Dėl to tirpalas toje vietoje gali į kaisti iki virimo. Susidarantys garai gali rūgštį ištaškyti. Praskiedžiant koncentruotą sieros rūgštį vandeniu, reikia pamažu piilti rūgštį į šaltą vandenį, nuolat maišant. Negalima pilti vandens į koncentruotą sieros rūgštį.
Sieros rūgštis pasižymi savybe absorbuoti vandens garus. Todėl ji vartojama dujoms džiovinti. Chemijos laborotorijose tam tikslui dujų nuvedanasis vamzdelis indo, kuriame gaunamos vienos ar kitos dujos, prijungiamas prie absorbcinės st

tiklinės su koncentruota sieros rūgštimi. Dujos, praeidamos pro rūgštį, džiovinamos. Gamybinėmis sąlygomis dujos džiovinamos specialios konstrukcijos bokštuose, drėkinamuose sieros rūgštimi.
Angliavandenių klasei priklausančios organinės medžiagos, pavyzdžiui, cukrinių runkelių cukrus, C12H22O11, ir kitos, veikiamos koncentruota sieros rūgštimi, suanglėja. Šių medžiagų molekulėse vandenilio ir deguonies santykis yra toks pat, kaip ir vandens. Sieros rūgštis atima iš angliavandenių elementus, įeinančius į vandens sudėtį, o anglis lieka laisva.
Sieros rūgštis yra stipri rūgštis. Tirpale pasireiškia visos būdingos jos rūgštinės savybės: lakmusą nudažo raudonai, reaguodama su metalais, metalų oksidais, bazėmis ir druskomis, sudaro druskas. Sieros rūgšties reagavimas su metalais priklauso nuo jois koncentracijos, temperatūros ir metalo prigimties. Karšta sieros rūgštis tirpina beveik visus metalus (išskyrus auksą, platiną ir kai kuriuos kitus) ir sudaro druskas. Bet tada vandenilis neišsiskiria.
Koncentruotai siieros rūgščiai reaguojant su cinku, susidaro, priklausomai nuo reakcijos sąlygų, įvairios medžiagos: sieros vandenilis, sieros dioksidas arba laisva siera. Toks koncentruotos sieros rūgšties veikimas į metalus paaiškinamas jos oksidacinėmis savybėmis: paversdama metalą atitinkama druska, pati rūgštis redukuojasi.
Koncentruota sieros rūgštis taip pat gali oksiduoti metalus, pavyzdžiui, anglį. Koncentruotai sieros rūgščiai reaguojant su anglimi, susidaro anglies dioksidas, sieros dioksidas ir vanduo:
2H2SO4 + C → CO2 + 2SO2 + 2H2O.
Koncentruota sieros rūgštis neveikia geležies, todėl ji laikoma ir transportuojama geležinėje taroje.
Praskiesta sieros rūgštis reaguoja su daugeliu metalų, išskirdama va
andenilį. Vario, sidabro, aukso ir platinos praskiesta sieros rūgštis neveikia. Taip pat netirpdo ir švino, nes jo paviršiuje susidaro apsauginė plėvelė iš labai sunkiai tirpstančios druskos — švino sulfato PbSO4.
Panaudojimas. Dėl aktyvumo ir gana pigios gamybos sieros rūgštis plačiai vartojama. Sunku rasti lauidies ūkio šaką, kurioje ji arba jos junginiai nebūtų vartojami. Daugiausia sieros rūgšties suvartojama superfosfatui, amonio sulfatui ir kitoms mineralinėms trašoms gaminti. Daugelis rūgščių (pvz., fosforo, acto, druskos) ir druskų gaunama panaudojant sieros rūgštį. Jos daug reikia spalvotųjų ir retųjų metalų gavyboje. Metalo apdirbimo pramonėje sieros rūgštimi arba jos druskomis prieš dažymą, litavimą, nikeliavimą, chromavimą ir kitas operacijas ėsdinami plieniniai dirbiniai. Daug sieros rūgšties suvartojama naftos produktams valyti. Be jos neišsiverčiama dažalų (audiniams), lakų ir dažų (pastatams ir mašinoms), vaistų, kai kurių plastmasių gamyboje. Sieros rūgštis taimoma etanolio ir kitų alkoholių, esterių, sintetinių skalbimo priemonių, pesticidų, vartojamų kovai su žemės kenkėjais ir piktžolėmis, gamyboje. Praskiesti sieros rūgšties ir jos druskų tirpalai vartojami dirbtinio šilko gamyboje, jais tekstilės pramonėje apdorojami dažyti pluoštai. Maisto pramonėje vartojama krakmolo, sirupų ir kitų produktų gamyboje. Sieros rūgštimi pripildomi automobilių akumuliatoriai. Ja džiovinamos dujos ir koncentruojamos rūgštys. Be to, sieros rūgštis vartojama nitrinimui ir sprogstamųjų medžiagų gamybai.
Gamyba. XIII amžiuje nedideli sieros rūgšties kiekiai buvo gaunami te
ermiškai skaidant FeSO4 (geležies kuporosą). Todėl viena iš sieros rūgšties rūšių dar ir dabar yra vadinama kuporoso alyva, nors iš jo ji jau seniai nebegaminama.
Pastaruoju metu sieros rūgštis pramonėje gaunama, oksiduojant sieros dioksidą. Šis procesas atliekamas dvie būdais: kontaktiniu ir nitroziniu.
Kontaktinis būdas.Sieros rūgšties gavimas kontaktiniu būdu pagrįstas tuo, kad oro deguonis sieros dioksidą, oksiduoja į sieros trioksidą, SO3:
2SO2 + O2 → 2SO3 + 195,6 kJ,
ir kad koncentruota sieros rūgštis tirpina sieros trioksidą ir virsta oleumu. Skiedžiant oleumą vandeniu, galima gauti bet kurios koncentrcijos rūgštį.
Šis sieros rūgšties gamybos būdas vadinamas kontaktiniu dėl to, kad sieros dioksidas virsta sieros trioksidu, SO2 ir O2, liesdamasis (kontakte) su katalizatoriumi. Žodis „kontaktas” reiškia sąlytį. Aparatas, kuriame yra katalizatorius, vadinamas Kontaktiniu aparatu.
Kad sieros dioksido oksidacijos reakcija kontaktiniame aparate vyktų sėkmingai, dujų mišinys turi būti grynas. Net maži priemaišų pėdsakai dujų mišinyje gali nutraukti katalizinę reakciją — ,,apnuodyti” katalizatorių. Todėl sieros dioksido ir oro mišinys, prieš leidžiant į kontaktinį aparatą, valomas specialiuose įrenginiuose (filtruose, plovimo ir džiovinimo bokštuose ir kt.).
Pirmiausia, gaminant sieros rūgštį, pirito krosnyje gaunamas sieros dioksidas. Į krosnį iš viršaus kraunamas FeS2, o iš apačios į krosnį patenka oras. Piritas ir oras juda priešpriešais. Taip piritas geriausiai susimaišo su oru ir sudaromas geriausias šiluminis proceso režimas.Taikant priešsrovinę sistemą, piritas dega efektyviai. Reakcijos lygtis:
4FeS2 + 11O2 →
2Fe2O3 + 8SO2.
Geležies oksidas, Fe2O3, šioje reakcijoje vadinamos geležies degenomis, byrą į krosnies apačią ir iš ten pašalinamas. Išeinąs iš pirito krosnies karštas sieros dioksido ir oro mišinys, užterštas įvairiomis priemaišomis, patenka į elektrinį filtrą, kur iš jo pašalinamos dulkės. Iš elektrinio filtro dujų mišinys į plovimo bokštą, iš viršaus drėkinamą praskiesta sieros rūgštimi. Plovimo bokšto vidus pripildytas molinių tuščiavidurių cilindriukų — žiedų, sustatytų vienas ant kito, kuriais padidinamas vidinis bokšto paviršius. Dėl to iš bokšto apačios patekęs dujų mišinys ilgiau liečiasi su lėtai iš viršaus tekančia sieros rūgštimi. Sieros rūgštis reaguoja su dujų mišinyje esančiomis priemaišomis ir jas pašalina iš mišinio.
Iš plovimo bokšto drėgnas dujų mišinys patenka į džiovinimo bokštą, kuriame dujų mišinys, taikant priešsrovinę sistemą, drėkinamas koncentruota sieros rūgštimi. Džiovinimo bokšto vidaus įrenginiai tokie pat, kaip ir plovimo. Išvalytas ir sausas dujų mišinys leidžiamas į kontaktinį aparatą, kuriame ant grotelinių lentynų padėtas katalizatorius. Kontaktiniame aparate palaikoma apie 450°C temperatūra. Žemesnėje kaip 450°C temperatūroje sieros dioksidas oksiduojasi lėtai, o aukštesnėje — sustiprėja grįžtamasis procesas — sieros trioksidas skyla į sieros dioksidą ir deguonį.
Procesas, vykstąs kontaktiniame aparate, yra egzoterminis. Sieros dioksido oksidacijos reakcijos metu išsiskirianti šiluma panaudojama preliminariai įkaitinti naujoms į kontaktinį aparatą patenkančioms sieros dioksido ir oro mišinio porcijoms.
Kontaktiniame aparate susidaręs sieros trioksidas nukreipiamas į šilumokaitį, paskui į šaldytuvą, ir absorbcinį bokštą. Čia jis ištirpsta tekančioje priešais koncentruotoje sieros rūgštyje. Taip gaunamas oleumas. Kontaktiniu būdu gauta sieros rūgštis yra didžiausios koncentracijos ir švariausia, todėl ji daugiausiai ir vartojama.
Nitrozinis būdas. Gaminant nitroziniu būdu, katalizatoriumi vartojami azoto oksidai. SO2 oksiduojamas įkrautiniuose bokštuose. Reakcija vyksta skystoje fazėje. Nitrozinis būdas pagal naudojamus įrenginius yra vadinamas bokštiniu. Gaminama taip. Pirmiausia deginama sieringa žaliava ir gaunamos dujos, kuriose būna maždaug 9% ir 9–10 % O2. Dujos išvalomos (pašalinamos pirito degenų dalelės) ir leidžiamos į įkrautinių bokštų sistemą, sudarytą iš keturių septynių bokštų. Įkrautiniai bokštai priskiriami prie politerminių išstūmimo reaktorių. Į pirmąjį bokštą paprastai leidžiamos apie 350°C temperatūros dujos. Bokštuose be absorbcinių ir desorbcinių procesų, vyksta cheminės reakcijos. Pirmieji du trys bokštai laistomi nitroze, kurioje ištirpę azoto oksidai sudaro nitrozilsieros rūgštį NOHSO4. Aukštoje temperatūroje nitrozilsieros rūgštis hidrolizuojasi:
2NOHSO4 + H2O → 2H2SO4 + N2O3 – Q
Vanduo absorbuoja SO2 ir sudaro sulfitinę rūgštį:
SO2 + H2O → H2SO3 + Q
Ši rūgštis reaguoja su azoto oksidais (reakcij vyksta skystoje fazėje):
H2SO3 + N2O3 → H2SO4 + 2NO + Q
Gali oksiduotis ir dalis SO2 dujų:
SO2 + N2O3 → SO3 + 2NO + Q
Vanduo absorbuoja SO3, ir taip susidaro sieros rūgštis:
SO3 + H2O → H2SO4 + Q
Azoto monoksidas desorbuojasi. Išsiskyrusį dujinį NO oro deguonis suoksiduoja iki dvideginio:
2NO + O2 → 2NO2 + Q
Azoto oksidus NO + NO2 → N2O3 sieros rūgštis absorbuoja kituose trijuose keturiuose bokštuose pagal grįžtamosios reakcijos lygtį. Šie bokštai laistoma atšaldyta sieros rūgštimi su mažu kiekiu nitrozės, ištekančios iš pirmųjų bokštų. Iš sieros rūgšties ir joje absorbuotų azoto oksidų susidaro nitrozil sieros rūgštis. Azoto oksidai dalyvauja uždarame cikle ir teoriškai turėtų būti nesuvartojami. Iš tikrųjų absorbcija nėra ideali, todėl visada susidaro azoto oksidų nuostolių. Azoto oksidų sąnaudos, perskaičiavus juos į HNO3, sudaro 10 – 20 kg 1 tonai H2SO4. Nitroziniu būdu gaunama praskiesta (75—77% koncentracijos), priemaišomis užteršta sieros rūgštis. Daugiausia jos suvartojama mineralinių trąšų gamybai.
Gamybos apimtis. 1995 m. pasaulyje pagaminta 142 mln. tonų sieros rūgšties. Tai gana daug palyginti su 132, 126, 136 ir 134 mln. tonų atitinkamai 1994, 1993, 1990, 1980 m.
Daugiausia pasaulyje sieros rūgšties gamina JAV. 1995 m. ji pagamino per 43 mln. tonų sieros rūgšties, o tai daugiau negu visos Azijos arba Europos valstybės kartu. 1993 — 1995 m. sparčiausiai gamybą didino (milijonais tonų): JAV — nuo 35,7 iki 43,3; Kinija — nuo 13,5 iki 17,8; Indija — nuo 3,75 iki 4,9; Meksika — nuo 1,95 iki 3,1; Filipinai — nuo 0,06 iki 1,0.
1990 m. Rusija, Ukraina ir Kazachija gamino per 15% pasaulio sieros rūgšties, o1995 m. — jau tik 7%.
Pastaraisiais dešimtmečiais sieros rūgšties gamybos nedidino arba net sumažino dauguma išsivysčiusių valstybių, gamybinius pajėgumus perkėlusios į Azijos, Lotynų Amerikos ir Afrikos valstybes.
LIETUVA. 1875 m. Klaipėdoje pradėjo veikti Vokietijos bendrovės ,,Union” sieros rūgšties ir superfosfato fabrikas. 1963 m. sieros rūgštį pradėjo gaminti Kėdainių chemijos gamykla.
Sieros žaliavos gaunama iš Ukrainos. Iš vienos tonos sieros pagaminama apie 3 tonas sieros rūgšties. Iki 1989 m. veikė keturios sieros rūgšties gamybos linijos. 1989 m. visos keturios gamybinės linijos nutraukė veiklą. Jų vietoje iš Lenkijos bendrovės ,,Biprokwas” buvo nupirktas 500 tūkst. tonų per metus pajėgumo sieros rūgšties gamybos cechas. Pradėjus veikti naujajam cechui, sumažėjo išmetamos į atmosferą sieros rūgšties kiekis.
Sieros rūgšties gamyba Lietuvoje.
Metai Kiekis tūkst. t Metai Kiekis tūkst. t
1963
1965
1970
1975
1980
1985
1988 105
294
312
449
427
440
330 1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995 512
412
368
141
129
212
344
Problemos. Viena iš opiausių problų susijusių su sieros rūgštimi yra ,,rūgštūs lietūs”.
Sieros dioksidas SO2 yra vienos labiausiai orą teršiančių dujų. Jo daug susidaro deginant anglis, naftą, gamtines dujas, sierą ir sieros junginius. Anglyje ir naftoje sieros būna nuo 0,1% iki 5%, gamtinėse dujose — iki 0,1%. Degant šioms medžiagoms sudega ir jų sudėtyje esanti siera susidaro SO2.

Sieros rūgšties susidarymas ore yra fotocheminė reakcija — ji vyksta dėl Saulės spinduliavimo energijos poveikio ir prilauso nuo oro drėgnumo, temperatūros, įvairių katalizatorių.

Sieros(IV) oksidas, patekęs į atmosferą, po kelių dienų nusėda į dirvožemį (SO2 yra pakankamai sunkus). Tai mus išgelbsti nuo didelio sieros(IV) oksido, o kartu ir siero rūgšties, kiekio ore. Dėl žmogaus veiklos daugiausia SO2 pavidalu per metus į atmosferą išsiskiria apie 200 mln. t sieros junginių

Dar vienas sieros junginių šaltinis atmosferoje yra vandenynų vanduo. Sulfato jonai SO4, esntys jame, su vandens purslais aerozolio pavidalu patenka į orą — lūžtančios sulfato jonų bangos, sudarančios apie 2% jų ploto yra sulfato jonų generatorius.
Sieros rūgšties susidarymas:
2SO2 + O2 → 2SO3
SO3 + O2 → H2SO4
SO2 + NO2 + H2O → H2SO4 + NO
2SO4 + O2 + 2H2O → 2H2SO4
Nuo rūgščių kritulių ypač nukenčia miškai. Rūgščius tirpalus, nuodinguosius metalus augalai pirmiausia pajunta šakniaplaukiais, kuriais siurbia maisto medžiagas iš dirvožemio. Apnuodytas augalas tampa neatsparus ligoms ir kenkėjams, blogiau dera.
Nuo rūgštaus lietaus paruduoja eglių ir pušų spygliai, kurie vėliau pradeda kristi, ima lūžinėti šakos ir medis pamažu nyksta.
Sieros rūgšties turintys krituliai gadina daugelį metalinių daiktų, ypač cinkuotus, variuotus, taip pat pagamintus iš nerūdijančio plieno. Nuo jų genda popierius, oda, tinkas, elektros laidai. Rūgštūs krituliai ardo uolienas — labai neatsparūs jiems yra smiltainis, klintis. Rūgščiame dirvožemyje greičiau prakiūra požeminės komunikacijos, suyra pamatai.
Rūgštūs lietūs išplauna iš dirvožemio būtiniausias maisto medžiagas — kalį, kalcį, magnį. Rūgščioje terpėje lengviau migruoja gyvsidabris ir kadmis — nuodingiausi cheminiai elementai. Kuo dirvožemyje mažiau kalcio, tuo sparčiau jis rūgštėje.

NAUDOTA LITERATŪRA

1. I. Muchlionas, A. Averbuchas, D. Kuznecovas, A. Amelinas, J. Tumarkina, I. Furmer ,,Bendroji cheminė technologija”, Vilnius ,,Mokslas” 1984.
2. P. Lingė ,,Pasaulio pramonės apžvalga”, Vilnius ,,Litimo” 2000.
3. V. Janickis, E. Rinkevičienė, J. Šukytė, A. Žarnauskas ,,Bendrosios ir neorganinės chemijos pagrindai”
4. S. Vasiučenka ,,Chemija”, Vilnius ,,Mintis” 1973.
5. R. Jesiūnienė, V. Valentinavičienė ,,Chemija”, Vilnius ,,Alma Littera” 1996.

Leave a Comment