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.