Классификация и методы получения кислот

Кислоты — это соединения, которые при электролити­ческой диссоциации образуют ионы водорода. В водных растворах кислоты диссоциируют на ионы водорода и кислотный остаток. Количество атомов водорода, способ­ное замещаться металлами с образованием солей, опре­деляет основность кислот. Различают кислоты однооснов­ные (HCl, HNO₃), двухосновные (H₂SO₄) и трехоснов­ные (H₃PO₄).

По происхождению кислоты бывают органические (уксусная, лимонная) и неорганические (серная, соля­ная, азотная), по агрегатному состоянию — твердые (бор­ная, лимонная, стеариновая и др.) и жидкие (соляная, азотная, фосфорная, серная и др.).

Среди неорганических кислот наибольшее значение имеют серная, азотная и соляная кислоты.

Серная кислота (H₂SO₄) безводная — тяжелая, мас­лянистая, бесцветная, весьма гигроскопическая жидкость плотностью 1840,7 кг/м³, температура плавления 10,45°C, температура кипения 296,2°C. Реагируя с водой, серная кислота выделяет большое количество тепла, что сопро­вождается «кипением» и разбрызгиванием жидкости. Поэтому для приготовления разбавленных растворов не­обходимо более тяжелую концентрированную кислоту тонкой струей добавлять к воде. Концентрированная сер­ная кислота вступает в реакцию почти со всеми метал­лами, образуя кислые соли (гидросульфаты) и средние соли (сульфаты). Она причиняет сильные ожоги.

Сырьем для производства серной кислоты являются пирит (серный колчедан) Fe₂S, газы, образующиеся в качестве отходов при восстановлении цветных металлов из их руд, сероводород H₂S, содержащийся в газах при коксовании угля, а также свободная сера.

Существует два промышленных способа получения серной кислоты: контактный и нитрозный.

Контактный метод предполагает получение сернисто­го газа SO₂ (оксида серы), очищение его от примесей и окисление при 400—600°C кислородом воздуха в при­сутствии катализаторов (пятиокисла ванадия V₂O₅, пла­тины и других добавок) в специальных контактных аппа­ратах. Получаемый серный газ SO₃ орошают концентри­рованной 96—98%-й серной кислотой. При этом обра­зуется олеум H₂S₂O₇ (дымящаяся серная кислота, из которой выделяется серный газ). При нагревании оле­ума серный ангидрид выделяется до тех пор, пока кис­лота не станет 98,5%-й. Таким образом, контактный метод позволяет получать серную кислоту любой кон­центрации.

Нитрозный метод отличается тем, что окисление сер­нистого газа осуществляется нитрозой (раствором окис­лов азота в концентрированной серной кислоте). Процесс окисления производится в специальных башнях (каме­рах), футерованных кислотостойкой керамикой. Поэтому полученную кислоту называют башенной, или камерной. Серная кислота, получаемая нитрозным методом, имеет умеренную концентрацию (70—78 %).

Соляная (HCl), или хлористоводородная, кислота — раствор хлористого водорода в воде. Взаимодействует со многими металлами и окислами. Соляная кислота — бесцветная «дымящая» на воздухе жидкость (техничес­кая соляная кислота желтоватая из-за примесей Fe, Cl₂ и др.). Максимальная концентрация соляной кислоты (при температуре 20°C) 36 % по массе, плотность тако­го раствора 1180 кг/м³.

Процесс производства соляной кислоты состоит из двух этапов: получение газообразного хлористого водорода HCl и растворения его в воде.

Наиболее простой метод получения газообразного HCl — взаимодействие NaCl с серной кислотой. Наиболь­шее распространение получил метод производства соля­ной кислоты из водорода и хлора, которые реагируют с образованием хлористого водорода. Этот метод называ­ется синтетическим, а полученная соляная кислота — синтетической.

Азотная кислота (HNO₃) — сильная кислота, харак­теризующаяся ярко выраженными окислительными свой­ствами. По внешнему виду это бесцветная жидкость с резким удушливым запахом; плотность 1520 кг/м³; тем­пература плавления 41,15°C; температура кипения 84°C. При кипении и на свету разлагается, выделяя NO₂ и окрашиваясь в бурый цвет. С водой азотная кислота сме­шивается в любых соотношениях. Животные и раститель­ные ткани при действии на них азотной кислоты очень быстро разрушаются. Азотная кислота, реагируя с ме­таллами, образует соли (нитраты).

Существуют следующие способы получения азотной кислоты: аммиачный (промышленный), лабораторный и дуговой.

Аммиачный способ состоит в окислении аммиака NH₃ при его пропускании с избытком воздуха сквозь нагретый платиново-родиевый катализатор в присутствии железа и других металлов. Образующаяся двуокись азота NО₂ соединяется с водой и образуется 60—62 %-я кислота.

Для получения концентрированной азотной кислоты ее раствор испаряют в присутствии серной кислоты или растворяют (под давлением при температуре 60—80°C) двуокись азота в воде в присутствии большого излишка кислорода.

Лабораторный способ предполагает действие концен­трированной серной кислоты на нитрат натрия при не­большом нагреве. До разработки аммиачного способа данный процесс использовался для промышленного полу­чения азотной кислоты.

Дуговой способ заключается в пропускании струй воз­духа через электрическую дугу, окислении образующего­ся NO в NO₂, получении HNO₃. Однако этот способ не нашел широкого распространения из-за большого расхо­да электроэнергии и высокой стоимости кислоты.