化学自习室移动版

一．硫酸的工业制法

工业上制硫酸涉及三个主要反应。如果矿产是硫磺，先将硫灼烧成SO₂。我国的含硫矿主要是硫铁矿(黄铁矿，主要成分是FeS₂)，首先将矿石粉碎后煅烧：

4FeS₂+11O₂2Fe₂O₃+8SO₂↑

SO₂在催化剂V₂O₅帮助下进一步被氧化为SO₃：

2SO₂+O₂ 2SO₃

最后用相当浓度的硫酸吸收SO₃生成更浓硫酸或发烟硫酸：

SO₃+H₂O→H₂SO₄

注意两个要点。

1.以上三步反应不是氧化就是化合，均为放热反应，故硫酸制造业中除矿物预备和空气预热外，不需要消耗更多的能源。

2.三个相应设备均采用了“对流”原理。

煅烧硫铁矿的设备叫沸腾炉。粉碎的矿石从上方投入，一定压力的空气从炉底鼓进。反应中矿石在炉中翻腾。

为什么要沸腾？即使厨房炒瓜子也需要翻炒，否则焦的焦生的还是生。凭什么沸腾？1，粉碎，矿石一块块脸盆大沸什么腾；2，反应放热，没有高温沸什么腾；3，对流，没有空气往上鼓(风压)沸什么腾？

SO₂催化氧化用的第二个设备是带热交换器的接触室。SO₂和O₂先进入热交换器的外管接受预热，再进入内管接触催化剂并反应。

为什么要热交换？放热反应也需要引发，且充分利用热能。同时，该反应可逆，从平衡移动角度观察，过高温度不利于SO₂的转化。凭什么热交换？1，反应本身放热，有热可换；2，对流，外管与内管的气流是反向的。

SO₃被吸收为H₂SO₄的第三个设备叫吸收塔，也采取了对流措施，吸收剂自上往下喷淋，被吸收的SO₃自塔底进入。用水吸收SO₃会起“雾”，为什么起雾？至少与该化合反应放热有直接关系。所以改水为高沸点的浓硫酸。

三个设备都对流，纯属巧合？其实有其必然。高炉炼铁与沸腾炉一样，也是矿物向下空气向上的。实验室用的冷凝管与热交换器类似，也是内外管冷热对流的。对流效果就是比顺流好。

二．硝酸的工业制法

工业上制硝酸也是三个主要步骤，三个反应也都是放热反应(前两步都是被氧气氧化)。第一步是原料NH₃在催化剂存在条件下由空气中的氧氧化成NO：

4NH₃+5O₂4NO+6H₂O

相应设备叫氧化炉，也接触催化剂，也可以采用热交换的方式对原料进行预热。

为什么第一步不直接将NH₃氧化成NO₂呢？常温下NO极易被氧化成NO₂(以至于NO只能用排水法而不能用排空气法收集)：

2NO+O₂→2NO₂

而该氧化反应放热，高温下不利于化合却有利于分解，所以等NO冷却后再用空气将其氧化。

最后在吸收塔内将NO₂用水吸收，2/3溶解成为HNO₃，1/3又变成NO：

3NO₂+H₂O→2HNO₃+NO

在吸收的同时不断补充空气，NO又被氧化，再吸收，最后全部变成HNO₃。

三．两酸对照

可以将两种重要强酸的工业制法作一个联系比较。除“都三步”、“都放热”、“都可对流”外，还有什么共同点？

都有一步氧化需要使用催化剂，一是SO₂的催化氧化，一是NH₃的催化氧化。需要催化剂帮忙的步骤往往是比较困难的一步，否则，硫就可以被直接氧化成SO₃了。

如果尾气处理不当，两家工厂对环境造成的污染都是酸污染，硫氧化物和氮氧化物正是当今大气污染的罪魁祸首，都需要碱性物质将其吸收。如：

SO₂+2NH₃H₂O→(NH₄)₂SO₃+H₂O

NO+NO₂+2NaOH→2NaNO₂+H₂O

最后一步都在吸收塔内进行。重要的区别是：SO₃是H₂SO₄的酸酐，NO₂却不是HNO₃的酸酐，所以两种吸收塔内发生的吸收反应前者是非氧化还原反应，后者则是氧化还原反应，需要补充空气。