Bài học

Sản xuất sulfuric acid trong công nghiệp — phương pháp tiếp xúc

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em trình bày được bốn giai đoạn chính của phương pháp tiếp xúc sản xuất sulfuric acid trong công nghiệp, viết được phương trình hóa học của từng giai đoạn, và giải thích được vì sao SO3 không được hấp thụ trực tiếp bằng nước.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai bài trước em đã học $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ và SO2 có thể bị oxi hóa tiếp thành SO3 ( $2SO_2+O_2 \to 2SO_3$ , đã gặp trong chuỗi mưa acid). Phương pháp tiếp xúc trong công nghiệp thực chất là kiểm soát có chủ đích đúng hai phản ứng này, cộng thêm một bước hấp thụ để thu được sulfuric acid tinh khiết thay vì để SO3 phát tán ra khí quyển.

Hai bài trước em đã học $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ và SO2 có thể bị oxi hóa tiếp thành SO3 ($2SO_2+O_2 \to 2SO_3$, đã gặp trong chuỗi mưa acid). Phương pháp tiếp xúc trong công nghiệp thực chất là kiểm soát có chủ đích đúng hai phản ứng này, cộng thêm một bước hấp thụ để thu được sulfuric acid tinh khiết thay vì để SO3 phát tán ra khí quyển.

Khởi động

Sulfuric acid là hóa chất được sản xuất với sản lượng lớn nhất thế giới trong ngành công nghiệp hóa chất — hàng trăm triệu tấn mỗi năm, dùng làm nguyên liệu cho phân bón, ắc quy, luyện kim và nhiều ngành khác. Một nhà máy làm thế nào để biến quặng pyrite hay sulfur thô thành hàng nghìn tấn acid tinh khiết mỗi ngày, một cách an toàn?

Kiến thức trọng tâm

Nguyên liệu đầu vào là sulfur (S) tự nhiên hoặc thu hồi từ lọc dầu, hoặc quặng pyrite $FeS_2$ khi giá sulfur cao hơn.

Giai đoạn 1 — Đốt nguyên liệu tạo SO2: $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ ; hoặc với quặng pyrite: $4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$ .

Giai đoạn 2 — Oxi hóa SO2 thành SO3: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$ , xúc tác vanadium(V) oxide ( $V_2O_5$ ), nhiệt độ khoảng 450°C. Đây là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt; xúc tác không làm dịch chuyển cân bằng nhưng giúp phản ứng đạt trạng thái cân bằng nhanh hơn nhiều, và 450°C là điều kiện tối ưu giữa tốc độ phản ứng và hiệu suất chuyển hóa.

Giai đoạn 3 — Hấp thụ SO3 tạo oleum: SO3 KHÔNG được hấp thụ trực tiếp bằng nước, vì phản ứng $SO_3 + H_2O$ tỏa nhiệt cực mạnh, tạo ra sương mù acid (các hạt $H_2SO_4$ li ti lơ lửng) rất khó ngưng tụ và hấp thụ hết, gây thất thoát và ô nhiễm. Thay vào đó, SO3 được hấp thụ bằng chính $H_2SO_4$ đặc, tạo thành oleum: $SO_3 + H_2SO_4 \to H_2SO_4.SO_3$ (oleum, còn viết $H_2S_2O_7$ ).

Giai đoạn 4 — Pha loãng oleum: Oleum được pha loãng bằng lượng nước tính toán chính xác để thu được $H_2SO_4$ đặc ở nồng độ mong muốn (thường 98%): $H_2SO_4.nSO_3 + nH_2O \to (n+1)H_2SO_4$ .

Dù ở giai đoạn cuối vẫn dùng nước, nguyên tắc bất di bất dịch khi pha loãng $H_2SO_4$ đặc luôn là rót từ từ acid vào nước, vừa rót vừa khuấy đều — không làm ngược lại — vì phản ứng hòa tan $H_2SO_4$ đặc vào nước tỏa nhiệt rất mạnh; nếu đổ nước vào acid, nước có thể sôi đột ngột và bắn tóe acid gây bỏng nặng.

Nguyên liệu đầu vào là sulfur (S) tự nhiên hoặc thu hồi từ lọc dầu, hoặc quặng pyrite $FeS_2$ khi giá sulfur cao hơn. **Giai đoạn 1 — Đốt nguyên liệu tạo SO2:** $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$; hoặc với quặng pyrite: $4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$. **Giai đoạn 2 — Oxi hóa SO2 thành SO3:** $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$, xúc tác vanadium(V) oxide ($V_2O_5$), nhiệt độ khoảng 450°C. Đây là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt; xúc tác không làm dịch chuyển cân bằng nhưng giúp phản ứng đạt trạng thái cân bằng nhanh hơn nhiều, và 450°C là điều kiện tối ưu giữa tốc độ phản ứng và hiệu suất chuyển hóa. **Giai đoạn 3 — Hấp thụ SO3 tạo oleum:** SO3 KHÔNG được hấp thụ trực tiếp bằng nước, vì phản ứng $SO_3 + H_2O$ tỏa nhiệt cực mạnh, tạo ra sương mù acid (các hạt $H_2SO_4$ li ti lơ lửng) rất khó ngưng tụ và hấp thụ hết, gây thất thoát và ô nhiễm. Thay vào đó, SO3 được hấp thụ bằng chính $H_2SO_4$ đặc, tạo thành oleum: $SO_3 + H_2SO_4 \to H_2SO_4.SO_3$ (oleum, còn viết $H_2S_2O_7$). **Giai đoạn 4 — Pha loãng oleum:** Oleum được pha loãng bằng lượng nước tính toán chính xác để thu được $H_2SO_4$ đặc ở nồng độ mong muốn (thường 98%): $H_2SO_4.nSO_3 + nH_2O \to (n+1)H_2SO_4$. Dù ở giai đoạn cuối vẫn dùng nước, nguyên tắc bất di bất dịch khi pha loãng $H_2SO_4$ đặc luôn là rót từ từ acid vào nước, vừa rót vừa khuấy đều — không làm ngược lại — vì phản ứng hòa tan $H_2SO_4$ đặc vào nước tỏa nhiệt rất mạnh; nếu đổ nước vào acid, nước có thể sôi đột ngột và bắn tóe acid gây bỏng nặng.

Ví dụ

Viết đủ bốn phương trình của phương pháp tiếp xúc

1
Viết phương trình hóa học của bốn giai đoạn sản xuất sulfuric acid từ sulfur theo phương pháp tiếp xúc.
2
$S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ .
$S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$.
3
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$ (xúc tác $V_2O_5$ , $t^\circ$ ).
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$ (xúc tác $V_2O_5$, $t^\circ$).
4
$SO_3 + H_2SO_4 \to H_2SO_4.SO_3$ (oleum).
$SO_3 + H_2SO_4 \to H_2SO_4.SO_3$ (oleum).
5
$H_2SO_4.SO_3 + H_2O \to 2H_2SO_4$ .
$H_2SO_4.SO_3 + H_2O \to 2H_2SO_4$.
6
Bốn phương trình này là bốn giai đoạn liên tiếp, mỗi giai đoạn có điều kiện phản ứng riêng — không thể gộp hay đảo thứ tự, vì SO3 chỉ được hấp thụ an toàn khi đi qua trung gian oleum thay vì hấp thụ trực tiếp bằng nước.

Ví dụ

Tính hiệu suất và khối lượng sản phẩm

1
Một nhà máy đốt hoàn toàn 3,2 tấn sulfur để sản xuất sulfuric acid theo phương pháp tiếp xúc. Biết hiệu suất của cả quá trình (từ S đến H2SO4) đạt 90%, tính khối lượng H2SO4 nguyên chất thu được.
2
$M(S)=32$ ; $n(S) = 3\,200\,000/32 = 100\,000$ mol.
$M(S)=32$; $n(S) = 3\,200\,000/32 = 100\,000$ mol.
3
$S \to SO_2 \to SO_3 \to H_2SO_4$ , tỉ lệ mol $1{:}1{:}1{:}1$ qua cả chuỗi (mỗi nguyên tử S tạo đúng một phân tử H2SO4 nếu hiệu suất 100%). Vậy $n(H_2SO_4)$ lý thuyết $= n(S) = 100\,000$ mol.
$S \to SO_2 \to SO_3 \to H_2SO_4$, tỉ lệ mol $1{:}1{:}1{:}1$ qua cả chuỗi (mỗi nguyên tử S tạo đúng một phân tử H2SO4 nếu hiệu suất 100%). Vậy $n(H_2SO_4)$ lý thuyết $= n(S) = 100\,000$ mol.
4
$n(H_2SO_4)$ thực tế $= 100\,000 \times 90\% = 90\,000$ mol.
$n(H_2SO_4)$ thực tế $= 100\,000 \times 90\% = 90\,000$ mol.
5
$M(H_2SO_4) = 98$ g/mol; $m = 90\,000 \times 98 = 8\,820\,000$ gam $= 8{,}82$ tấn.
$M(H_2SO_4) = 98$ g/mol; $m = 90\,000 \times 98 = 8\,820\,000$ gam $= 8{,}82$ tấn.
6
Vậy nhà máy thu được 8,82 tấn H2SO4 nguyên chất. Dù mỗi giai đoạn của phương pháp tiếp xúc có hiệu suất riêng khác nhau, ta vẫn có thể gộp lại thành một tỉ lệ hợp thức S : H2SO4 = 1:1 rồi nhân với hiệu suất chung của toàn quá trình.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh viết luôn "SO3 + H2O → H2SO4" khi được hỏi về quy trình công nghiệp, quên mất lý do thực tế vì sao công nghiệp KHÔNG làm vậy. Phản ứng đó đúng về mặt hóa học nhưng sai về mặt công nghệ — SO3 phải qua trung gian oleum (hấp thụ bằng H2SO4 đặc) trước, vì hấp thụ trực tiếp bằng nước tạo sương mù acid khó thu hồi.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phương pháp tiếp xúc: đốt S/FeS2 → SO2; oxi hóa SO2 → SO3 (xúc tác V2O5); hấp thụ SO3 bằng H2SO4 đặc → oleum; pha loãng oleum → H2SO4. Luôn rót acid vào nước khi pha loãng, không làm ngược lại.

Bài tiếp theo học tính chất hóa học của chính sản phẩm vừa "sản xuất" — dung dịch sulfuric acid loãng, một acid mạnh hai lần acid điển hình.