2.5.2. Методика проведения работы Вариант I

Цель работы – получение раствора серной кислоты контактным способом сжиганием серы; определение степени контактирования и выхода серной кислоты в расчете на серу; ознакомление с методикой лабораторного приготовления ванадиевого катализатора.

^{Оборудование и реактивы:}

1. Газометр с кислородом или воздухом.

2. Трубчатая электропечь на 800–900 °С или 500–600 °С.

3. Термопара с пирометром.

4. Кварцевая или фарфоровая трубка.

5. Трубка из тугоплавкого стекла.

6. Промывные склянки Дрекселя.

7. Выпрямитель электрического тока или аккумулятор на 2–3 а и 10–12 в.

8. ^{Индукционная катушка.}

9. ^{Лабораторный электрофильтр.}

10. ^{Бюретки.}

11. 0,1 н растворы щелочи и кислоты.

12. ^Сера.

13. Асбест и пятиокись ванадия.

14. Аптекарские весы с разновесом.

15. Резиновые пробки, соединительные трубки, газоподводящие и газоотводящие стеклянные трубки.

Ход работы

Схема установки для получения серной кислоты контактным способом приведена на рисунке 2.5.1.

Сжигание серы проводится в трубке 3 в токе сухого кислорода из газометра. Для осушки кислород пропускают через колонку 2 с хлористым кальцием и через промывные склянки с концентрированной серной кислотой 1. При сжигании небольшая часть серы возгоняется, и ее пары улавливают в стеклянном шаре 4. Вместо стеклянного шара можно применить колбу Вюрца. Получающийся сернистый газ после дополнительной осушки серной кислотой в склянке Дрекселя 1 поступает в трубку 5 с катализатором, обогреваемым электропечью 6 (трубка для сжигания серы должна иметь диаметр не более 0,9 см, так как пары серы иногда взрываются при большем ее диаметре). При недостаточной осушке сернистого газа в трубке с катализатором может конденсироваться серная кислота (концы трубки с катализатором должны быть нагреты за счет тепла электропечи, чтобы предупредить конденсацию серного ангидрида в трубке).

Серный и сернистый ангидриды поглощаются в склянках Дрекселя водой 7. Образующийся туман серной кислоты улавливают электрофильтром 8.

Электрофильтр можно сделать также из стеклянной трубки длиной 30–35 см с отверстиями для входа и выхода газов. Через пробку, расположенную сверху, вводится электрод (освинцованная железная или медная проволока), на конце которого подвешен груз (свинцовая гиря). Лучше этот электрод поместить в стеклянную трубку, чтобы предупредить отклонения. Другим электродом является медная проволока или алюминиевая фольга, которая в виде спирали наклеивается на наружную поверхность электрофильтра.

В трубку 5 помещают катализатор. Катализатором заполняют всю трубку, без просветов, но не слишком плотно, чтобы не создать препятствия прохождению газа. Контактную массу готовят из пятиокиси ванадия, которая перемешивается с асбестом так, чтобы порошок вещества по возможности проник между отдельными волокнами асбеста. Для повышения активности катализатор смачивают 0,5 % и растворами нитрата серебра, нитрата калия и нитрата бария, подсушивают и прокаливают при 650–670 °С. Пятиокись ванадия можно заменить окисью железа, двуокисью марганца или молибденовым ангидридом, перемешанным с асбестом или даже битым кирпичом, содержащим окись железа.

При отсутствии пятиокиси ванадия контактную массу можно приготовить из ванадата аммония, который прокаливают при 500–650°С в фарфоровом стакане или тигле. При этом часто наблюдается образование низших окислов ванадия темного цвета. Для перевода этих окислов в пятиокись полученную смесь смачивают азотной кислотой (1 : 2), подсушивают в фарфоровой чашке и снова прокаливают при 500–550 °С. Другим хорошим катализатором является платинированный асбест или кварц.

Для приготовления платинового катализатора нужно не менее 0,3–1,0 г платины. Ее помещают в коническую колбочку и заливают 20–30 мл царской водки и растворяют при небольшом нагревании. Компактная платина растворяется медленно, и если жидкости остается 5–7 мл, а платина еще не растворилась, необходимо добавить новую порцию царской водки. Высокодисперсная платиновая чернь часто вспенивается при растворении. В этом случае к платине, помещенной в коническую колбу, следует предварительно добавить 5–6 мл воды, подогреть, а затем при нагревании добавлять отдельными порциями царскую водку. После растворения платины раствор следует выпарить до 3–4 мл, добавить в него 3–4 мл концентрированной соляной кислоты и еще раз выпарить до указанного объема. Полученную платинохлористоводородную кислоту нужно разбавить до 10–15 мл и смочить ею асбест или крупный кварцевый песок. Затем асбест или кварц подсушивают в фарфоровой чашке и прокаливают при 600–700 °С.

Рис. 2.5.1. Получение серной кислоты контактным способом из серы:

1 – склянка Дрекселя с серной кислотой; 2 – осушительные колонки с хлористым кальцием; 3 – трубка для сжигания серы; 4 – шар для улавливания несгоревшей серы; 5 – трубка с катализатором; 6 – электропечь; 7 – поглотитель с водой; 8 – электрофильтр; 9 – термопара; 10 – пирометр; 11 – индукционная катушка;

12 – аккумулятор

Серу в количестве 0,2–0,3 г помещают в трубку. Для проверки установки на герметичность включают электропечь и, когда температура в ней достигает 500 °С, из газометра пускают слабый ток кислорода: если установка герметична, то в приемнике и в склянках Дрекселя должны проскакивать пузырьки газа. При появлении в поглотителе тумана включают электрофильтр и оставшийся серный ангидрид вытесняют кислородом или воздухом. Электрофильтр перед опытом промывают водой и высушивают.

Трубку с серой нагревают горелкой, продолжая пропускать кислород около 1–2 пузырьков в 1 секунду. После того как сера загорится, горелку отставляют и усиливают ток кислорода. Если по каким-либо причинам сера погаснет, то снова нагревают трубку до воспламенения серы. После воспламенения серы необходимо включить электрофильтр. При нормальной работе электрофильтра (длина 40 см) из газоотводной трубки сернокислотный туман не выходит.

Когда вся сера сгорит, через установку при той же температуре необходимо пропустить еще несколько литров кислорода до прекращения появления тумана в колбе с водой. Серный ангидрид также можно вытеснить, присоединив установку к газометру с воздухом. Затем включают электропечь и воду из приемников переливают в стакан, приемники ополаскивают водой и промывную воду присоединяют к основной части раствора серной кислоты. Электрофильтр промывают 2–3 раза водой, выливают воду в стакан с полученной серной кислотой. Затем растворы кислот, полученные из приемника и электрофильтра, переливают в мерную колбу на 250 мл, доливают водой до метки, отмеряют пипеткой 25 мл и титруют его 0,1н раствором щелочи в присутствии фенолфталеина. Для определения сернистой кислоты отбирают 50 мл раствора, подкисляют 5–8 мл серной кислоты (1:4) и титруют 0,1н раствором перманганата калия.

Первое титрование позволяет определить общую кислотность, т. е. количество сернистой и серной кислот в расчете на серную. Число граммов серной кислоты можно рассчитывать только после определения количества сернистой кислоты.

Пример. Сожгли 0,3 г серы. Сернистого газа должно получиться:

.

При титровании перманганатом калия нашли, что получено 0,08 г сернистой кислоты. Это количество соответствует:

.

Следовательно, в серный ангидрид превратилось:

m = 0,5993 г – 0,062 г = 0,5373 г SO₂.

Отсюда степень контактирования равна:

x =	0,5373  100	=	89,65 %
	0,5993

Практически серный ангидрид может частично оставаться в катализаторе, сера иногда сгорает не полностью, и, следовательно, данный расчет не соответствует действительности.

Допустим, что при титровании щелочью общая кислотность в расчете на серную кислоту равнялась 0,932 г. Следовательно, чистой серной кислоты получено:

m = 0,932 – 0,08 = 0,852 (г).

Это количество кислоты соответствует:

m =	0,852  64,07	=	0,5617 (г) SO2 .
	98,09

^{Отсюда степень контактирования равна:}

x =	0,5617  100	=	91,08 % .
	0,5993

Расчет нужно вести по второму методу.

Выход серной кислоты определяется как отношение массы полученной серной кислоты к ее массе, которая должна теоретически получиться из взятой навески серы, в %. Выход серной кислоты сравнительно небольшой ввиду неполного сгорания серы. Но степень контактирования достаточно высока и доходит до 80–90 %.

^{Оформление результатов работы}

Зарисовать установку для получения серной кислоты и описать методику проведения опыта. Результаты оформить в виде таблицы.

Масса серы, г	Масса, полученной серной кислоты, г	Масса, полученой сернистой кислоты, г	Выход серной кислоты, %	Степень контактирования, x %