Asid sulfurik dan proses Sentuh

Halaman ini meliputi satu standard kandungan Tingkatan 4 daripada bab Bahan Buatan dalam Industri: asid sulfurik dan proses Sentuh. Asid sulfurik ialah salah satu bahan kimia industri yang paling penting di dunia, dan peperiksaan bertanya kedua-dua kegunaannya dan tiga peringkat proses Sentuh, termasuk persamaan kimia, mangkin dan sebab oleum dibuat dan bukannya menambah air terus. Pelajari persamaan dan keadaan dengan tepat, kerana ini topik soalan berstruktur yang menjadi kegemaran.

Mengapa asid sulfurik penting

Asid sulfurik, H₂SO₄, digunakan untuk menghasilkan baja seperti ammonium sulfat dan superfosfat, membuat detergen, cat dan pigmen, gentian sintetik dan plastik, serta sebagai elektrolit dalam akumulator asid plumbum (bateri kereta). Asid sulfurik pekat juga ialah agen pengering dan agen penyahhidratan yang kuat. Kerana banyak industri bergantung padanya, jumlah asid sulfurik yang dihasilkan sesebuah negara sering dijadikan ukuran kasar aktiviti perindustriannya.

Proses Sentuh: tiga peringkat

Proses Sentuh menghasilkan asid sulfurik dalam tiga peringkat yang berkait.

Peringkat 1, Penghasilan sulfur dioksida. Sulfur lebur dibakar dalam udara kering, atau bijih sulfida dipanggang, untuk menghasilkan sulfur dioksida:

S + O₂ → SO₂

Peringkat 2, Penukaran sulfur dioksida kepada sulfur trioksida. Sulfur dioksida dan oksigen berlebihan (daripada udara) dialirkan di atas mangkin vanadium(V) oksida, V₂O₅, pada suhu kira-kira 450–500 °C dan tekanan 1 atmosfera. Peringkat ini berbalik:

2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃

Vanadium(V) oksida ialah mangkin, ia melajukan tindak balas dan tidak digunakan. Suhu sederhana dan tekanan biasa ialah satu kompromi yang memberi hasil sulfur trioksida yang baik pada kadar dan kos yang munasabah.

Peringkat 3, Pembentukan asid sulfurik. Sulfur trioksida tidak ditambah terus ke dalam air, kerana tindak balas itu sangat cergas sehingga membentuk kabus halus asid sulfurik yang sukar dikondensasikan. Sebaliknya, sulfur trioksida dilarutkan dalam asid sulfurik pekat untuk membentuk oleum, H₂S₂O₇:

SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇

Oleum kemudian dicairkan dengan jumlah air yang betul untuk menghasilkan asid sulfurik:

H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄

Masalah pencemaran

Sulfur dioksida yang dihasilkan dalam Peringkat 1, dan mana-mana yang terlepas, ialah pencemar udara utama. Ia larut dalam air hujan membentuk asid dan merupakan punca utama hujan asid, yang merosakkan bangunan, menghakis logam, merendahkan pH sungai dan tasik serta membahayakan tumbuhan dan hidupan akuatik. Kilang oleh itu mengawal dan menapis pelepasan sulfur dioksidanya.

Contoh penyelesaian

Soalan. Dalam proses Sentuh, sulfur ialah bahan mentah untuk asid sulfurik. Hitung jisim maksimum asid sulfurik, H₂SO₄, yang boleh dihasilkan daripada 64 g sulfur, dengan andaian setiap peringkat berlaku dengan lengkap. [Jisim atom relatif: H = 1, O = 16, S = 32]

Langkah 1, Jejak sulfur melalui proses. Setiap atom sulfur melalui rantai S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄, jadi 1 mol S memberi 1 mol H₂SO₄.

Langkah 2, Cari bilangan mol sulfur. Jisim molar S = 32 g mol⁻¹. Mol S = jisim ÷ jisim molar = 64 g ÷ 32 g mol⁻¹ = 2 mol.

Langkah 3, Guna nisbah 1 : 1. Mol H₂SO₄ = 2 mol.

Langkah 4, Tukar mol asid kepada jisim. Jisim molar H₂SO₄ = (2 × 1) + 32 + (4 × 16) = 2 + 32 + 64 = 98 g mol⁻¹. Jisim H₂SO₄ = mol × jisim molar = 2 mol × 98 g mol⁻¹ = 196 g.

Jawapan. Jisim maksimum asid sulfurik yang boleh dihasilkan ialah 196 g.

Soalan latihan

Soalan. (a) Namakan mangkin yang digunakan dalam Peringkat 2 proses Sentuh dan nyatakan suhu yang lazim digunakan. (b) Tulis persamaan seimbang untuk Peringkat 2. (c) Terangkan mengapa sulfur trioksida dilarutkan dalam asid sulfurik pekat dan bukannya dalam air.

Jawapan. (a) Mangkinnya ialah vanadium(V) oksida, V₂O₅, dan suhunya kira-kira 450–500 °C. (b) 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃. (c) Menambah sulfur trioksida terus ke dalam air adalah sangat eksotermik dan cergas serta menghasilkan kabus besar asid sulfurik yang sukar dikondensasikan dan dikumpulkan; melarutkannya dalam asid sulfurik pekat untuk membentuk oleum, yang kemudian dicairkan, mengawal tindak balas dan mengelakkan kabus itu.

Petua peperiksaan

Tiga perkara memperoleh markah hampir setiap kali topik ini muncul: tiga persamaan seimbang, mangkin (vanadium(V) oksida) dengan anak panah berbalik dalam Peringkat 2, dan sebab membuat oleum. Tulis persamaan Peringkat 2 dengan tanda ⇌ dan ingat mangkin tidak digunakan. Apabila anda ditanya mengapa air tidak digunakan terus, sentiasa beri sebab penuh, tindak balas terlalu cergas dan membentuk kabus asid sulfurik, bukan sekadar “ia berbahaya”. Jawapan keselamatan satu perkataan kehilangan markah penerangan.

Menaakul tentang keadaan industri

Pemeriksa sering bertanya mengapa keadaan tertentu dipilih. Dalam Peringkat 2, suhu yang sangat tinggi akan melajukan tindak balas tetapi, kerana tindak balas ke hadapan bersifat eksotermik, ia akan merendahkan hasil sulfur trioksida; suhu yang sangat rendah akan menaikkan hasil tetapi menjadikan tindak balas terlalu perlahan. Suhu terpilih kira-kira 450–500 °C oleh itu ialah kompromi antara kadar dan hasil, dan mangkin vanadium(V) oksida memberi kadar yang boleh diterima tanpa memerlukan suhu yang lebih tinggi. Tekanan biasa digunakan kerana hasilnya sudah tinggi, jadi kos tambahan peralatan bertekanan tinggi tidak berbaloi. Berupaya memberi penaakulan “kadar lawan hasil lawan kos” ini ialah tepatnya perkara yang dihargai oleh soalan markah tinggi, dan logik yang sama muncul semula dalam proses Haber untuk ammonia.

Kedudukan dalam bab

Ini standard kandungan 8.1 bab Bahan Buatan dalam Industri. Ia dibina atas idea mangkin dan kadar daripada Kadar Tindak Balas dan berpasangan secara semula jadi dengan proses Haber dalam standard berikutnya. Kukuhkannya dengan nota ulang kaji bab dan latih soalan persamaan dan pengiraan dalam contoh penyelesaian. Dalam kelas 1-ke-1 Kimia SPM dalam talian kami, diajar dalam bahasa Inggeris, dari RM50/jam, dengan percubaan satu jam berbayar, guru kami mengasah tiga persamaan dan penaakulan oleum sehingga automatik, kerana itulah bahagian 4541 yang paling kerap dikelirukan pelajar.

Ringkasan pantas

• Asid sulfurik digunakan dalam baja, detergen, cat, bateri dan sebagai agen pengering/penyahhidratan.
• Peringkat 1: S + O₂ → SO₂.
• Peringkat 2: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃, mangkin V₂O₅, kira-kira 450–500 °C, 1 atm.
• Peringkat 3: SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇ (oleum), kemudian H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄.
• Sulfur dioksida menyebabkan hujan asid, jadi pelepasan dikawal.