Очистительная сера

Серная кислота — H2S04 — как явствует из самого ее названия, содержит серу.

Сера стала известна человеку еще в глубокой древности. Люди впервые начали знакомиться с химическими превращениями, пользуясь металлами. Семь важнейших металлов — золото, серебро, ртуть, свинец, олово, медь и железо — привлекали особенное внимание древних ученых. Но обычно, говоря об основных металлах, древние всегда упоминали еще об одном веществе, совершенно непохожем на металл,— о сере.

Серу называли «отцом» металлов. Символом ее было солнце. Считали, что сера входит в состав всех веществ.

Несомненно, главная причина такого особенного внимания к сере со стороны древних ученых — в горючести серы. Это свойство серы стало известно очень давно. В греческой поэме «Одиссее» есть упоминание о сере.

После битвы в доме Одиссея стены и пол залы, в которой происходило сражение, оказались залитыми кровью. Одиссей говорит своей служанке:

„Няня, огня принеси

И подай очистительной серы,

Залу нам надо очистить".

Ясно, что древним была известна не только способность серы гореть. Они знали дезинфицирующие свойства паров, образующихся при горении серы.

Серу сжигали при совершении религиозных обрядов в храмах. «Вечный огонь», который, по представлению древних, бушевал под землею, в аду, поддерживался также горением серы. 

Купоросная кислота

серная кислота не имеет запаха

Сера считалась признаком горючести, она олицетворяла горение. Древние думали, что всякое горючее вещество содержит серу.

Люди давно обратили внимание на едкий кислый вкус паров, образующихся при горении серы. Это ощущается даже при простом их вдыхании. «Кислый пар», — не образуется ли здесь какая-нибудь кислота?

Проверим. Вода с растворенными в ней парами, образующимися при горении серы,— кислая. Но это не всё.

Она изменяет синий настой васильков в красный цвет, она может вызвать вспенивание мела, в ней с шипением растворяются некоторые металлы.

Это, несомненно, кислота, содержащая серу. Не есть ли это другим способом полученная «купоросная кислота», о которой уже говорилось? Купоросная кислота, как мы уже знаем,— серная кислота. Неужели удалось получить ее таким простым путем?

Попробуем сравнить свойства серной кислоты и кислоты, только что полученной.

Прежде всего, серная кислота не имеет запаха, а вновь полученная очень сильно пахнет горящей серой. Может быть, можно очистить полученную нами кислоту? Ничуть не бывало. Если кипятить ее, запах усиливается. При этом весь газ из кислоты уходит. После такой «очистки» получается не «чистая» кислота, а чистая вода. Кислота исчезает. Вот еще одно отличие. Полученную нами кислоту никак нельзя сгустить, превратить в маслообразную жидкость, какой является, как всем известно, серная кислота.

особенность кислоты

содержит серу, но не похожа на кислоту из квасцов и купоросов

Но, пожалуй, самой интересной особенностью полученной нами кислоты являются ее белящие свойства. Возьмем немного воды, насыщенной парами, образовавшимися при горении серы, и прильем в нее какой-нибудь краски, например красной краски — фуксина.

Почти сразу же красный цвет уничтожается кислотой, раствор становится снова прозрачным.

Этой особенностью кислоты пользуются. Так отбеливают солому, загрязненную материю.

Значит, вновь полученная нами кислота хотя и содержит серу, но не похожа на кислоту из квасцов и купоросов. Вообще эта кислота гораздо слабее серной. Это «несовершенная» серная кислота, или, как ее называют химики, сернистая.

Дело, конечно, не в том, что эта кислота хуже серной, менее «совершенна». Дело в том, что она имеет другой химический состав.

Если мы посмотрим формулу обеих кислот, серной и сернистой, то заметим, что в сернистой кислорода на один атом меньше, чем в серной:

H2S03 — сернистая кислота, H2S04 — серная кислота.

Очевидно, чтобы получить серную кислоту из сернистой, надо попросту присоединить к сернистой кислоте один атом кислорода.

горение серы

соединяясь с кислородом, образует нечто вроде окалины

На деле это не так просто.

При горении сера, соединяясь с кислородом, образует нечто вроде окалины. Эту «окалину», представляющую пары горящей серы, называют сернистым газом, или «сернистым ангидридом». Попадая в воду, сернистый газ и дает знакомую уже нам сернистую кислоту.

Известно еще одно соединение серы с кислородом — серный ангидрид. Оно-то, соединяясь с водою, и дает серную кислоту. Так вот для получения серной кислоты надо последовательно проделать следующее:

а) получить сернистый газ, или сернистый ангидрид;

б) превратить сернистый ангидрид в серный ангидрид;

в) соединить серный ангидрид с водой.

Чем отличается сернистый газ от серного ангидрида? Почему при сжигании серы нельзя получить серный ангидрид?

Образующийся при горении серы сернистый газ содержит один атом серы на два атома кислорода. 

Серный же ангидрид имеет на один атом серы три атома кислорода:

(0) Кислород

Кислород

0) Кислород

горение серы

присоединяются только два атома кислорода

Оказывается, при горении к сере легко присоединяются только два атома кислорода. Присоединить третий атом кислорода к сере оказывается несравненно труднее, чем первые два. Такое присоединение происходит только при особых условиях. И потому серный ангидрид образуется сам собою весьма редко.

Чтобы сломить «упрямство» кислорода и заставить его присоединиться к сернистому ангидриду, применяют специальные вещества, называемые катализаторами.

Вот всем хорошо известная перекись водорода. Возьмем несколько кусочков твердого черного вещества — двуокиси марганца. Отвесим точно 0,5 грамма и бросим в стакан с перекисью. Начинается бурная реакция. Выделяются пузырьки газа. Перекись разлагается на воду и кислород. Теперь вынем из стакана двуокись марганца. Выделение газа прекратится. Высушим и взвесим кусочки. Опять 0,5 грамма! Вес вещества не изменился. Однако разложение ведь было налицо.

Каждая частица сернистого газа имеет приблизительно такой вид:

Сера

Кислород

Кислород

Здесь двуокись марганца сыграла роль катализатора.

Катализатором можно пользоваться и для получения серного ангидрида из сернистого газа. Сам по себе кислород к сернистому газу присоединяется с трудом. Но под воздействием катализатора этот процесс идет особенно быстро.

образования серного ангидрида

частичка сернистого газа встретилась с частичкой кислорода

Дело тут в том, что для образования серного ангидрида нужно, чтобы частичка сернистого газа встретилась с частичкой кислорода. Такая встреча, вообще говоря, происходит редко и не всегда бывает удачной: кислород не присоединяется. А вот катализатор ускоряет эту встречу и делает ее более эффективной.

На своей поверхности катализатор, хотя и не на долгое время и не очень прочно, задерживает частичку сернистого газа. Она перестает носиться в пространстве и останавливается. Но не только одну частицу сернистого газа привлекает катализатор. Он привлекает к себе и частичку кислорода.

И кислород и сернистый газ оказываются сидящими почти рядом, как бы на привязи. Тут им уже легко и соединиться. Соединившись, они очень скоро отрываются от поверхности и освобождают место для новой пары частиц.

Так катализатор, привлекая к своей поверхности частицы, способствует их соединению между собой.

Но помогает этому соединению не только простая близость двух частиц. Большое значение имеет и то, что поверхность катализатора как бы разрыхляет сами частицы. Удаленные от катализатора частицы очень прочны. На поверхности катализатора или вблизи нее они становятся менее прочными и более склонными к химическому взаимодействию.

Катализаторов очень много, и действие их всех нельзя объяснить так просто, как это мы только что сделали.

Однако общим для всех катализаторов остается одно: соприкасаясь с веществами, они нарушают стойкость частиц и способствуют их превращениям.

применение катализаторов

Катализаторы применяются сейчас при производстве каучука, производстве удобрений и красителей

Редкое химическое производство обходится сейчас без катализатора. Между тем, понятие о катализаторе было введено в науку всего 120 лет тому назад. Это слово впервые произнес шведский химик Берцелиус, один из крупнейших ученых прошлого столетия.

Схема действия катализатора. Внизу в кружках показаны последовательные стадии образования серного ангидрида из сернистого газа и кислорода. (Частички кислорода обычно представляют собою два атома, соединенные в пары).

Катализаторы применяются сейчас при производстве каучука, производстве удобрений и красителей, в производстве массы разнообразных сложных органических веществ.

Так же, как разнообразны получающиеся вещества, так же разнообразны и катализаторы; это могут быть и тонко раздробленные порошки драгоценных металлов, помещенные на поверхности асбеста, и песок, и сложные искусственные минералы, содержащие до десятка разных составных частей, и просто жидкости.

Катализаторы давно уже применяют и в процессе производства серной кислоты.

Сейчас на сернокислотных заводах в качестве катализатора чаще всего применяют платину и соединения металла ванадия.

Через специальный аппарат, с помещенным в нем катализатором, пропускают сернистый газ в смеси с воздухом. С помощью кислорода воздуха и под действием катализатора сернистый газ переходит в серный ангидрид, который можно соединить с водою и превратить в серную кислоту.

производство серной кислоты

сернистый газ получают не из серы

Такова схема производства серной кислоты. На практике же приходится преодолевать много усложнений и трудностей.

Прежде всего, сернистый газ получают не из серы. Это не всегда бывает выгодно. Вместо серы используют гораздо более дешевый материал — серный колчедан. Серный колчедан содержит вместе с серой и железо. Однако при сжигании колчедана получается сернистый газ, как будто горит чистая сера. Вместе с тем и железо, находящееся в колчедане, сгорает, образуя окись железа — колчеданные огарки.

Но сернистый газ, полученный при горении колчедана, нельзя пускать прямо на катализатор. Катализатор не терпит никаких загрязнений газа, никаких примесей. Он портится и перестает действовать.

«Катализатор отравился», — говорят химики в таких случаях.

И действительно, этот бережно приготовленный и сохраняемый порошок может «отравляться», например мышьяком. Поглощая мышьяк, находящийся в воздухе, катализатор покрывается темными наростами и пленками, которые служат верным признаком его гибели. Боится катализатор и пыли.

От всех таких примесей сернистый газ нужно очистить.

Схема аппарата, в котором происходит превращение сернистого газа в серный ангидрид.

От пыли газ очищают довольно просто. В специальных электрических пылеуловителях она оседает. Гораздо труднее избавиться от мышьяка. Для этого придумали такой способ: в газ пускают брызги серной кислоты. Стекая вниз, навстречу поднимающемуся сернистому газу, серная кислота разбивается на мельчайшие капельки и охлаждает газ.

Сернокислотный завод

За катализатором установлен непрерывный надзор

При этом мышьяк превращается в мельчайшую пыль, которую вместе с брызгами серной кислоты легко можно удалить из газа.

Сернокислотный завод состоит из ряда башен.

Пройдя ряд башен, полностью очищенный, лишенный пыли, влаги и капелек кислоты, сернистый газ, наконец, достигает цели — катализатора.

Понятно, что то отделение, в котором помещается катализатор, пользуется особым вниманием. За катализатором установлен непрерывный надзор. Газ, поступающий к нему, всё время анализируется химиками. Да это и понятно. От «поведения» катализатора зависит успех всего производства. К тому же катализатор чрезвычайно дорог. Если он испортится, придется останавливать завод.

В других отделениях завода серный ангидрид соединяют с водою. При этом образуется серная кислота.

Таков в самых общих чертах один из способов производства серной кислоты с помощью катализатора.

Есть и другие методы получения серной кислоты. Разнообразны также продукты, из которых добывают серную кислоту. Известный русский химик Н. Н. Бекетов нашел способ получать серную кислоту из дешевого материала — гипса, При нагревании гипса с углем выделяется сероводород, который уже легко превратить в серу или серную кислоту. Этот метод получения серной кислоты из гипса широко применялся во многих странах.