工業的製法3|接触法は濃硫酸の製法!3ステップで理解しよう

高校化学では,特に重要な工業的製法は5つあります.

そのうちの1つである[接触法]は濃硫酸の製法で,主な原料は硫黄Sです.

[接触法]は

硫黄S

二酸化硫黄$\ce{SO2}$

三酸化硫黄$\ce{SO3}$

濃硫酸

という流れで濃硫酸をつくります.

流れとしては,アンモニア$\ce{NH3}$をどんどん酸化させて硝酸$\ce{HNO3}$の製法である[オストワルト法]に似ていますね.

濃硫酸は化学のいたるところで用いられる極めて重要な物質なので,その作り方である[接触法]も理解しておきましょう.

接触法の流れ

[接触法]は濃硫酸の製法で,主な原料は硫黄Sです.

必要なものは

  1. 硫黄S
  2. 酸素O
  3. 酸化バナジウム(V)$\ce{V2O5}$
  4. 濃硫酸
  5. 希硫酸

です.なお,酸化バナジウム(V)$\ce{V2O5}$は触媒ですね.流れは

  1. 硫黄Sを酸化させて,二酸化硫黄$\ce{SO2}$をつくる.
  2. 二酸化硫黄$\ce{SO2}$を酸化させて,三酸化硫黄$\ce{SO3}$をつくる.
  3. 三酸化硫黄$\ce{SO3}$を濃硫酸に吸収させ,希硫酸で薄めて濃硫酸$\ce{H2SO4}$をつくる.

という3ステップです.

また,硫酸は化学のいたるところで用いられる物質なので,性質はしっかり把握しておいてください.

硫黄を燃焼させる

二酸化硫黄$\ce{SO2}$は硫黄Sを燃焼させると発生します.

\begin{align*} \ce{S + O2 -> SO2} \end{align*}

なお,一酸化硫黄$\ce{SO}$は非常に不安定な物質であり,硫黄を燃焼させると二酸化硫黄$\ce{SO2}$になります.

二酸化硫黄を三酸化硫黄SO3にする

酸化バナジウム(V)$\ce{V2O5}$に二酸化硫黄$\ce{SO2}$を触れさせ,酸素$\ce{O2}$を吹き付けると,酸化バナジウム(V)$\ce{V2O5}$は触媒としてはたらき,二酸化硫黄$\ce{SO2}$が酸化されて三酸化硫黄$\ce{SO3}$になります.

\begin{align*} \ce{2SO2 + O2 -> 2SO3} \end{align*}

なお,ここで酸化バナジウム(V)$\ce{V2O5}$に二酸化硫黄$\ce{SO2}$を「接触」させるので,「接触法」と言われます.

三酸化硫黄SO3を濃硫酸に吸収させる

三酸化硫黄$\ce{SO3}$を濃硫酸$\ce{H2SO4}aq$に溶かします.

\begin{align*} \ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7} \end{align*}

三酸化硫黄を溶かした濃硫酸$\ce{H2S2O7}$を「発煙硫酸」と言いますが,これは覚えていなくても構いません.

正確には,「発煙硫酸」は$\ce{H2SO4}$を含んだ平衡状態の溶液のことを言いますが,詳しいことは後述します.

発煙硫酸を希硫酸で希釈する

発煙硫酸$\ce{H2S2O7}$に希硫酸を加えると,希硫酸中の水$\ce{H2O}$が発煙硫酸$\ce{H2S2O7}$に溶けた三酸化硫黄$\ce{SO3}$と反応して濃硫酸となります.

\begin{align*} \ce{SO3 + H2O -> H2SO4} \end{align*}

ここでの注意点は,「発煙硫酸」はあくまで平衡溶液の名前であって,「発煙硫酸」という物質ではないことです.したがって,「発煙硫酸と反応する」という言い方は変であることに注意してください.

なんにせよ,結局は「発煙硫酸」に溶けている三酸化硫黄$\ce{SO3}$と希硫酸中の水$\ce{H2O}$が反応し,濃硫酸ができあがります.

硫黄S→二酸化硫黄$\ce{SO2}$→三酸化硫黄$\ce{SO3}$→(発煙硫酸$\ce{H2S2O7}$→)濃硫酸$\ce{H2SO4}$

三酸化硫黄を硫酸に溶かすステップについての補足

上の説明では,三酸化硫黄$\ce{SO3}$は

  1. 濃硫酸に溶かし(発煙硫酸にしてから)
  2. 希硫酸と反応させる

と2つのステップを踏みました.

しかし,高校化学ではこのあたりの細かい話を抜きにして,「三酸化硫黄$\ce{SO3}$を硫酸中の水と反応させて濃硫酸$\ce{H2SO4}$とする」としてしまうこともよくあります.

このため,3つ目の

\begin{align*} \ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7} \end{align*}

は高校化学では扱わないのが普通ですが,これだと三酸化硫黄$\ce{SO3}$を一旦濃硫酸に吸収させる理由が曖昧になるので,この記事では敢えて扱いました.

まとめ

以上をまとめると,接触法は

\begin{align*} \begin{matrix} \ce{S + O2}&\to&\ce{SO2}\\ \ce{2SO2 + O2}&\to&\ce{2SO3}\\ \big(\ce{SO3 + H2SO4}&\to&\ce{H2S2O7}\big)\\ \ce{SO3 + H2O}&\to&\ce{H2SO4} \end{matrix} \end{align*}

となり,流れは

\begin{align*} \ce{S ->C[+ O] SO2 ->C[+ O + V2O5] SO3 ( ->C[+ H2SO4] H2S2O7 ) ->C[+ H2O] H2SO4} \end{align*}

となりますね.

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