Производство кислот и щелочей

Основные методы получения кислот

Производство минеральных кислот является одной из ключевых отраслей химической промышленности. Среди них наибольшее значение имеют серная, азотная, фосфорная и соляная кислоты.

Серная кислота (H₂SO₄) производится в основном контактным методом, включающим несколько стадий:

  1. Сжигание серы или пирита: S + O₂ → SO₂. При сжигании пирита (FeS₂) образуется также SO₂: 4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂.
  2. Каталитическое окисление SO₂ до SO₃: 2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃ (катализатор – V₂O₅, температура 400–600 °C, давление 1–2 атм).
  3. Абсорбция SO₃ в концентрированную H₂SO₄ с образованием олеума (H₂S₂O₇), затем разбавление водой до требуемой концентрации.

Контактный метод обеспечивает высокую концентрацию кислоты (до 98%), что делает её универсальной для химической промышленности.

Азотная кислота (HNO₃) производится аммиачным методом через окисление аммиака:

  1. Каталитическое окисление аммиака: 4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O (Pt или Rh катализатор, температура 800–900 °C).
  2. Окисление NO до NO₂: 2 NO + O₂ → 2 NO₂.
  3. Абсорбция NO₂ водой: 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO.

Аммиачный метод обеспечивает производство концентрированной азотной кислоты (до 68%), применяемой в производстве удобрений, взрывчатых веществ и органических соединений.

Фосфорная кислота (H₃PO₄) извлекается преимущественно из фосфоритов реакцией с концентрированной серной кислотой:

Ca₃(PO₄)₂ + 3 H₂SO₄ → 2 H₃PO₄ + 3 CaSO₄.

Процесс сопровождается выделением гипса (CaSO₄·2H₂O), который используется в строительстве и других отраслях.

Соляная кислота (HCl) промышленно получают:

  • как побочный продукт хлорирования органических соединений,
  • или прямым синтезом водорода и хлора: H₂ + Cl₂ → 2 HCl.

Высококонцентрированная HCl применяется в металлургии, производстве поливинилхлорида и органическом синтезе.

Производство щелочей

Щелочи (главным образом NaOH, KOH, Ca(OH)₂) получают методами электролиза, известкования и усреднёнными химическими реакциями.

Электролиз растворов хлоридов является основным промышленным методом производства натрия и калия:

  1. Электролиз раствора NaCl (каустическая сода и хлор):

  • При мембранном процессе:

    • На катоде: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻
    • На аноде: 2 Cl⁻ – 2 e⁻ → Cl₂
    • В результате образуется раствор NaOH и выделяется водород и хлор.

  • При ртутном процессе катодом служит ртуть, образуется амальгама натрия, которая затем гидролизуется: 2 Na(Hg) + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ + Hg.

Гашение извести (CaO) водой позволяет получить гидроксид кальция:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂.

Гидроксид кальция применяется в строительстве, металлургии и химической промышленности, а также для нейтрализации кислотных стоков.

Калийная щёлочь (KOH) получают аналогично натрию, либо из калийных солей через электролиз растворов KCl.

Ключевые аспекты технологии

  • Контроль температуры и концентрации критически важен для селективности реакций и выхода продукта.
  • Использование катализаторов позволяет снизить энергозатраты и ускорить окислительные процессы.
  • Эффективная абсорбция газов (SO₃, NO₂, HCl) обеспечивает высокий выход и минимальные выбросы вредных веществ.
  • Побочные продукты (гипс, хлор, водород) часто используются в смежных отраслях, что повышает экономическую эффективность производства.

Производство кислот и щелочей представляет собой сложный комплекс химических процессов, где сочетаются термические, каталитические и электролитические методы, обеспечивающие массовое производство этих важнейших веществ.

Оглавление