referat (Серная кислота и экология биосферы)

Муниципальное общеобразовательное учреждение

гимназия №26

Серная кислота

и экология биосферы

Реферат

Выполнила ученица 8-2 класса

Л.Глазунова

Челябинск 2004

Оглавление

Стр.

1. Производство серной кислоты 3

2. Свойства серной кислоты 4

3. Применение серной кислоты 6

4. Смог – что это такое? 7

5. Диоксид серы 7

6. Круговорот серы в биосфере 8

7. Очистка газов от SO₂ 10

8. Контроль атмосферы в г. Челябинске 10

9. Литература 12

1.Производство серной кислоты

Весь процесс можно разбить на три последовательных стадии: получение диоксида серы, окисление его до триоксида и поглощение триоксида серы.

Получение диоксида серы

Наиболее распространенным сырьем для получения SO2 является пирит FeS2, который подвергают обжигу:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

Обжиг проводят в специальной печи. В результате обжига пирита получается обжиговый газ, который, кроме диоксида серы, содержит кислород, азот, пары воды и другие примеси. Некоторые из этих примесей вредны для последующих процессов производства кислоты, поэтому обжиговый газ подвергают тщательной очистке от твердых частиц и влаги. Осушение газа проводится концентрированной серной кислотой. Иногда в качестве сырья для получения серной кислоты используют диоксид серы, содержащийся в отходящих газах других производств или полученный сжиганием серы.

Получение триоксида серы

Вторая стадия производства серной кислоты – окисление диоксида серы кислородом воздуха до триоксида. Окисление проводят при температуре 400 – 600 градусов по Цельсию в присутствии катализаторов.

Поглощение триоксида серы

Полученный оксид серы (VI) поступает в поглотительную башню, стенки которой орошаются концентрированной серной кислотой (массовая доля H₂SO₄ 98%). Поглощение триоксида серы водой неэффективно: образуется «туман» из мелких капелек серной кислоты, который долго конденсируется.

Конечный продукт производства – раствор SO₃ в серной кислоте, называемый олеумом. Он может быть разбавлен водой до серной кислоты нужной концентрации.

Рис. 1 Схема производства серной кислоты

1-печь для обжига; 2,3-пылеулавливатели; 4-осушительная башня; 5-контактный аппарат; 6-поглотительная башня.

2.Свойства серной кислоты

Серная кислота представляет собой бесцветную вязкую жидкость, плотность 1,83 г/мл (20⁰С). Температура плавления серной кислоты составляет 10,3⁰С, температура кипения 296,2⁰С.

Химические свойства серной кислоты во многом зависит от ее концентрации. В лабораториях и промышленности применяют разбавленную и концентрированную серную кислоту, хотя это деление условно (четкую границу между ними провести нельзя).

Взаимодействие с металлами

Разбавленная серная кислота взаимодействует с некоторыми металлами, например с железом, цинком, магнием, с выделением водорода:

Fe + H₂SО₄ = FeSO₄ + H₂

Некоторые малоактивные металлы, такие как медь, серебро, золото, с разбавленной серной кислотой не реагируют.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Она окисляет многие металлы. Продуктами восстановления кислоты обычно является оксид серы (IV), сероводород и сера (H₂S и S образуется в реакциях кислоты с активными металлами - магнием, кальцием, натрием, калием и др.). Примеры реакций:

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂+ 2H₂O

Mg + 2H₂SO₄ = Mg SO₄ + SO₂+ 2H₂O или

4Mg + 5H₂SO₄ = 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O

Серная кислота высокой концентрации (практически безводная) не взаимодействует с железом в результате пассивации металла. Явление пассивации связанно с образованием на поверхности металла прочной сплошной пленки, состоящей из оксидов или других любых соединений, которая препятствует контакту металла с кислотой. Благодаря пассивации можно перевозить и хранить концентрированную серную кислоту в стальной таре. Концентрированная серная кислота пассивирует также алюминий, никель, хром, титан.

Взаимодействие с неметаллами

Концентрированная серная кислота может окислять неметаллы, например:

S + 2H₂SO₄ = 3SO₂ + 2H₂O

Окислительные свойства концентрированной серной кислоты могут также проявлятся с некоторыми сложными веществами – восстановителями, например:

2KBr + 2H₂SO₄ = Br₂ + SO₂ + K₂SO₄ + 2H₂O

Взаимодействие с основными оксидами и основаниями

Серная кислота проявляет все типичные свойства кислот. Так, она реагирует с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей. Как двусоставная кислота H₂SO₄ образует два типа солей: средние соли – сульфаты и кислые соли – гидросульфаты. Примеры реакций:

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

сульфат алюминия

2KOH + H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2H₂O

сульфат калия

KOH + H₂SO₄ = KHSO₄ + H₂O

гидросульфат калия

Гидросульфаты образуются, когда кислота берется в избытке. Многие соли серной кислоты выделяются из растворов виде кристаллогидратов, например

Al₂ (SO₄)₃18H₂O

Na₂SO₄  10H₂O.

Взаимодействие с солями

С некоторыми солями кислота вступает в реакции обмена, например:

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + CO₂ + H₂O

BaCl₂+ H₂SO₄ = ВаSO₄ + 2HCl

Последняя реакция является качественной на серную кислоту и ее соли: об их присутствии в растворе судят по образованию белого осадка BaSO₄, который практически не растворяется в концентрированной азотной кислоте.

Взаимодействие с водой

При растворение в воде серная кислота активно взаимодействует с ней образуя гидраты:

nH₂O + H₂SO₄ = H₂SO₄ nH₂O

Благодаря способности связывать воду серная кислота является хорошим осушителем.

3. Применение серной кислоты

Серная кислота – важнейший продукт химической промышленности. Она находит применение в производстве минеральных удобрений, волокон, пластмасс, красителей, взрывчатых веществ, в металлургии при получении меди, никеля, урана и других металлов. Используется как осушитель газов.

Большое практическое применение из солей серной кислоты имеют различные сульфаты. Медный и железный купоросы CuSO₄5H₂O и FeSO₄7H₂O используются в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями растений, в производстве красок, для пропитки древесины в качестве антисептического средства. Купоросами называют кристаллогидраты сульфатов некоторых металлов (меди, железа, цинка и никеля).

Гипс CaSO₄2H₂O и сульфат кальция CaSO₄ используют в строительстве, медицине и других областях. Из гипса при прокаливании получают алебастр CaSO₄0,5H₂O:

CaSO₄2H₂O = CaSO₄0.5H₂O+1.5H₂O

Алебастр, смешанный с водой, быстро затвердевает, превращаясь в гипс:

CaSO₄0,5H2O + 1,5Н₂О = CaSO₄2H₂O

Сульфат натрия Na₂SO₄ используется в производстве стекла. Сульфаты калия K₂SO₄ и аммония (NH₄)₂SO₄ применяют как удобрения. Сульфат бария BaSO₄ применяется в производстве бумаги, резины и минеральных красок.

4.Смог – что это такое?

Термин «смог» - производное от английских слов «смоук» (дым) и «фог» («туман»). Обычно термин смог ассоциируется у нас с Лондоном, однако такое явление наблюдается и в других городах.

Смог образуется преимущественно над большими городами в результате действия солнечного света на воздух, загрязненный выбросами углеводородов, оксидов азота и других продуктах сгорания топлива в автомобильных двигателях, на тепловых станциях и т. п. Смог представляет собой туман с голубоватой дымкой, содержащей вредные для человека вещества: диоксиды азота NO2 и серы SO2, монооксид углерода CO. Смог поражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей человека и животных. При больших концентрациях он действует удушающее. В 1952 г. в Лондоне погибло от смога в течение трех-четырех суток более 4000 человек. В1963 г. смог, опустившийся на Нью-Йорк, убил 350 человек. Постепенно гибнет под подушкой коричневого смога мегаполис Мехико.

Рис. 2 Cмог

Потери урожаев сельскохозяйственных культур и природной растительности при систематическом действии смога оценивается в более чем 1 млрд. долларов ежегодно, и цифра эта с каждым годом возрастает.

5. Диоксид серы SO₂

Диоксид серы SO₂ составляет более 95% всех техногенных выбросов серосодержащих веществ в атмосферу. По ряду данных, планетарный выброс SO₂ составляет около 110,4 млн. т (без учета нефтепереработки и выплавки металлов). С учетом этих отраслей экономики американские ученые считают мировой выброс SO₂ равным около 174 млн. т. Около 96% мирового выброса приходится на северное полушарие. Сравнительно большая доля стран Восточной и Западной Европы по этим видам загрязнения атмосферы объясняется высоким уровнем использования бурого угля в энергопроизводстве. Есть основания полагать, что ежегодные выбросы SO₂ в атмосферу будут возрастать в связи с ростом потребления топлива.

Присутствие оксидов серы в атмосфере оказывает негативное влияние на жизнедеятельность животных и растений: диоксид серы взаимодействует с кислородом воздуха с образованием SO₃ и в конечном счете H₂SO₄:

2SO₂+ O₂ = 2SO₃

SO₃+ H₂O =H₂SO₄

Наиболее благоприятные условия протекания этой реакции находятся в пределах озонового слоя атмосферы, где в процессе распада молекул озона на O и О2 генерируется атомный кислород. В результате в стратосфере на высоте порядка 18 км присутствует слой высокой концентрации SO₃.

Анализ данных о круговороте серы в окружающей среде показывает, что выброс техногенного диоксида серы составляет 30% от ее общего поступления в атмосферу.

Установлено, что в индустриальных регионах до 60% почвенной кислотности определяется образованием в атмосфере серной кислоты

6. Круговорот серы в биосфере.

Сера в значительном количестве присутствует в океане в окисленном виде в составе сульфат-иона Серобактерии в океане, почве и болотах восстанавливают ее из окисленного состояния и выделяют в атмосферу газообразный сероводород. Сероводород сравнительно быстро, за время порядка нескольких минут или десятков минут, окисляется в воздухе с образованием сернистого газа SO₂. Дополнительными природными источниками сероводорода и сернистого газа являются вулканы, горячие источники и гейзеры. Сернистый газ хорошо растворяется в облачной воде с образованием сернистой кислоты H₂SO₃, которая в свою очередь быстро окисляется и превращается в серную кислоту. Поэтому, попав в облака, где всегда присутствует аммиак, щелочные или щелочноземельные металлы, сера быстро переходит снова в сульфатную форму и вместе с дождем или снегом выпадает из облаков на землю.

Рис.3 Потоки серы в биосфере

При высыхании обычных капель и брызг, образующихся при осушении морских волн, в атмосфере остаются сульфатные частицы с размерами 0,01-10 микрометров. Эти частицы практически невесомы и могут реять в воздухе очень долго, переносимые ветрами на огромные расстояния. Рано или поздно они вымываются осадками и высаждаются на землю, будучи вынесены к ее поверхности турбулентными потоками воздуха. Такая же судьба постигает и молекулы сернистого газа, не успевшие превратится в сульфаты. Попав на поверхность, сернистый газ реагирует с ее материалом и также превращается в сульфаты. Органическое топливо – уголь и нефть – содержит много, от 0,5 до 5%, серы. Поэтому при его переработке и сжигании в атмосферу выбрасываются огромные объемы сернистого газа, концентрации которого во многих регионах многократно превосходят естественный уровень, что вызывает закисление дождей, почв и водоемов с тяжелыми последствиями для многих биогеоценозов.