16. Výroba kyseliny sírovej, chlorovodíkovej a dusičnej
1. Popíšte vlastnosti a použitie kyseliny sírovej
2. História a súčasnosť technologických postupov výroby kyseliny sírovej
3. Popíšte vlastnosti a použitie kyseliny chlorovodíkovej
4. História a súčasnosť technologických postupov výroby kyseliny chlorovodíkovej
5. Popíšte vlastnosti a použitie kyseliny dusičnej
6. História a súčasnosť technologických postupov výroby kyseliny dusičnej
Vypracovanie
1.
I. Fyzikálne vlastnosti: Čistá kyselina sírová je bezfarebná olejová kvapalina s hustotou 1,836 g/cm3 a teplotou topenia 10,36°C. Už aj malými množstvami vody sa teplota topenia znižuje (pri 96% kyseline sírovej je to len 3°C). Do predaja prichádza ako 98% vodný roztok, nakoľko pri jej destilácii sa tvorí azeotropická zmes s vodou. Takáto kyselina sírová sa nazýva koncentrovaná. Veľa proteínov sa pripravuje z aminokyselín obsahujúcich síru (napr. cysteín a metionín), ktoré sa metabolizujú na kyselinu sírovú. V čistej kyseline sírovej nastáva jej autoprotolýza H2SO4 + H2SO4 ↔ H3SO4+ + HSO4-
Riedenie kyseliny sírovej s vodou je prudko exotermická reakcia. V prípade, že sa leje voda do koncentrovanej kyseliny sírovej, môže roztok zovrieť a nebezpečne prskať. Vždy by sa mala liať kyselina do vody a nikdy nie naopak. Toto sa dá zapamätať mnemotechnickou pomôckou: "nelejeme Dunaj do kyseliny, ale kyselinu do Dunaja". Nutnosť tohto postupu vyplýva z relatívnych hustôt týchto kvapalín. Voda je redšia ako kyselina sírová, a preto má tendenciu držať sa nad kyselinou. Riedenie si môžeme najlepšie predstaviť ako tvorbu hydroxóniových katiónov: H2SO4 + H2O → H3O+ + HSO4−, a potom HSO4- + H2O → H3O+ + SO42−.
Pretože hydratácia kyseliny sírovej je termodynamicky veľmi priaznivá, kyselina sírová je excelentné dehydratačné činidlo. Afinita kyseliny sírovej k vode je taká silná, že ju dokáže odoberať i naviazanú z iných látok, napríklad škrob (C6H12O6)n sa pôsobením kyselinou sírovou takmer okamžite rozkladá na elementárny uhlík a vodu, ktorá je ňou hneď absorbovaná (a tak sa mierne zriedi): (C6H12O6)n → 6C + 6H2O. Podobný výsledok môžeme vidieť, keď vylejeme koncentrovanú kyselinu sírovú na papier; škrob v papieri reaguje a papier vyzerá akoby bol spálený (sadze po spálenom papieri sú vlastne ten istý elementárny uhlík). Ešte dramatickejšia reakcia prebieha, keď sa kyselina sírová kvapne na lyžičku bieleho cukru; okamžite sa z neho stane iba čierny pórovitý uhlík páchnuci po karameli. Kyselina sírová podobne reaguje s mnohými inými organickými materiálmi, vrátane kože, tkanív a textilu!
2.
Kyselinu sírovú vyrábame zo síry, kyslíka a vody kontaktným procesom.
V prvom kroku sa spaľuje síru za vzniku oxidu siričitého:
(1) S(s) + O2(g) → SO2(g)
Oxid siričitý sa následne kyslíkom oxiduje na oxid sírový v prítomnosti oxidu vanadičného ako katalyzátora:
(2) 2 SO2 + O2(g) → 2 SO3(g) (katalyzátor V2O5)
Nakoniec sa oxid sírový nechá reagovať s vodou (zvyčajne nie s čistou, ale s 97-98% roztokom H2SO4 obsahujúcim 2-3% vody) za vytvorenia 98-99% kyseliny sírovej.
(3) SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(l)
Oxid sírový sa z praktických dôvodov nerozpúšťa v čistej vode, pretože je to vysoko exotermická reakcia produkujúca žieravý aerosól namiesto roztoku. Alternatívne sa oxid sírový môže absorbovať do už vyrobenej kyseliny sírovej, čím vznikne tzv. oleum (H2S2O7), a to sa následne riedi vodou na kyselinu sírovú.
(3) H2SO4(l) + SO3 → H2S2O7(l)
Oleum reaguje s vodou za vzniku koncentrovanej H2SO4:
(4) H2S2O7(l) + H2O(l) → 2 H2SO4(l)
V roku 2001 sa na celom svete vyrobilo viac ako 165 miliónov ton kyseliny sírovej.
3.
Predáva sa ako koncentrovaná kyselina, ktorá obsahuje približne 37% HCl. Čistá kyselina chlorovodíková je bezfarebná, technická má žltú farbu, pretože je znečistená chloridom železitým. Je dymivá, odparuje sa z nej plynný chlorovodík. Hustotu má 1,18 g/cm
Kyselina chlorovodíková je odlišná látka s inými chemickými vlastnosťami ako plynný chlorovodík. Skladá sa z oxóniových katiónov H3O+ a chloridových aniónov Cl−, a preto chemický vzorec chlorovodíka (HCl) nevystihuje jej skutočnú podstatu. Presnejšie je ju označovať ako HCl (aq.).
Používa sa na výrobu farbív liečiv, plastov, na čistenie kovov atď.
Veľmi zriedená sa nachádza v žalúdku (asi 0,3 - 0,5 % koncentrácia). Jej nadbytok spôsobuje stav, ktorý označujeme ako "pálenie záhy".
4.
Príprava chlorovodíka HCl z vodíka H2 a chlóru Cl2.
Pomocou jednoduchého vyvíjača plynu naplníme 20 cm3 striekačku 10 cm3 vodíka H2 a doplníme 10 cm3 plynného chlóru Cl2, prípadne aj malým množstvom vzduchu (obsahuje kyslík O2). Striekačku na určitý čas vystavíme na denné svetlo. Z bezpečnostných dôvodov je potrebné použiť ochranný kôš aj napriek prítomnosti kyslíka O2, ktorý značne spomaľuje fotolytickú reakciu. Po určitom čase môže vzniknúť plynný chlorovodík HCl.
Príprava chlorovodíka HCl z kyseliny chlorovodíkovej HCl
Skúmavku s bočným vývodom upevníme vo zvislej polohe pomocou svorky a lapáka na stojan. Skúmavku naplníme koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou HCl asi do výšky 1 cm a uzavrieme ju gumovou zátkou. Bočný vývod skúmavky spojíme podľa možnosti čo najkratším kúskom hadice s ohnutou sklenenou rúrkou. Sklenenú rúrku vložíme hlboko do suchej skúmavky. Kyselinu chlorovodíkovú HCl v skúmavke zahrievame kahanom, pričom sa vyvíja plynný chlorovodík HCl, ktorý zachytávame do skúmavky alebo priamo do napojenej striekačky.
5.
Je nestála, na vzduchu a svetle sa rozkladá na žltohnedý jedovatý, plynný oxid dusičitý, preto sa uchováva vo fľašiach s tmavým sklom a dvojitým uzáverom. Jej vzorec je HNO3.
Kyselina dusičná je veľmi reaktívna, reaguje s väčšinou kovov s výnimkou skupiny drahých kovov, napríklad zlata a platiny. Zlato a platinu však rozpúšťa zmes s HCl, ktorá sa volá lúčavka kráľovská.
•Disociácia vo vode
HNO3(l) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + NO3−(aq)
•Reakcia s meďou
3 Cu + 8 HNO3 → 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O
•Reakcia s oxidmi kovov
PbO + 2 HNO3 → H2O + Pb(NO3)2
6.
Vyrába sa oxidáciou amoniaku za katalýzy kovovou platinou za zvýšenej teploty:
NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O
2 NO + O2 → 2 NO2
3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO
