吕梁学院本科毕业设计
第1章 绪 论
硫酸是重要的基础化工原料之一，是化学工业中最重要的产品，主要用于制造无机化学肥料，其次作为基础化工原料用于有色金属的冶炼、石油精炼和石油化工、纺织印染、无机盐工业、某些无机酸和有机酸、橡胶工业、油漆工业以及国防军工、农药医药、制革、炼焦等工业部门，此外还用于钢铁酸洗。
1.1 硫酸的性质
1.1.1 硫酸的物理性质
硫酸是化学六大无机强酸：硫酸、硝酸、盐酸、氢酸、氢碘酸、高氯酸之一，它的分子式是H2SO4，相对分子质量是98.08。
纯硫酸是一种无色无味油状液体。常用的浓硫酸中H2SO4的质量分数为98.3％，其物质的量浓度为18.4mol·L-1。硫酸是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该“酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅”。若将浓硫酸中继续通入SO3，则会产生“发烟”现象，这样含有过量SO3的硫酸称为发烟硫酸[1]。
发烟硫酸是一种无色或微有颜色稠厚液体，能发出窒息性的三氧化硫烟雾，含三氧化硫50%以上的发烟硫酸遇冷呈结晶状，有吸水性。当它与水相混合时，三氧化硫即与水结合成硫酸，它的相对密度约为1.9(含20%的三氧化硫)，凝固点-11℃(含20%的三氧化硫)，遇水、有机物和氧化剂时，发烟硫酸容易引起爆炸，并且具有强烈腐蚀性。
100%的硫酸熔点为10℃，沸点为290℃。但是100%的硫酸并不是最稳定的，沸腾时会分解一部分，变为98.3%的浓硫酸，成为338℃硫酸水溶液的恒沸物。加热浓缩硫酸最高也只能达到98.3%的浓度[2]。
1.1.2 硫酸的化学性质
(1) 浓硫酸的化学性质 ① 吸水性
浓硫酸的吸水作用，指的是浓硫酸分子跟水分子强烈结合，生成一系列稳定的水合物，并放出大量的热：H2SO4 + nH2O = H2SO4·nH2O，因此浓硫酸吸水的过程是化学变化过程。吸水性是浓硫酸特有的化学性质。浓硫酸不仅能吸收一般的游离态水(如空气中的水)，而且还能吸收某些结晶水合物(如CuSO4· 5H2O、Na2CO3·10H2O)中的水。鉴于硫酸的这个特性，H2SO4 可用于干燥很多的气体，作为干燥剂使用。
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② 脱水性
脱水性是指浓硫酸脱去非游离态水分子或脱去有机物中氢氧元素的过程。就硫酸而言，脱水性是浓硫酸的性质，而非稀硫酸的性质，浓硫酸的脱水性很强。物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化的过程，反应时，浓硫酸按水分子中氢氧原子数的比(2:1)夺取被脱水物中的氢原子和氧原子或脱去非游离态的结晶水，如五水合硫酸铜(CuSO4·5H2O)。
炭化：可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物，其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物，被脱水后生成了黑色的炭。
???12C + 11H2O C12H22O11 ?浓硫酸③ 强氧化性
与金属反应，常温下浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。加热时，浓硫酸可以与除金、铂之外的所有金属反应，生成高价金属硫酸盐，本身一般被还原成SO2。
?Cu + 2H2SO4(浓)??? CuSO4 + SO2↑+ 2H2O
2Fe + 6H2SO4(浓)?Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O
在上述反应中，硫酸表现出了强氧化性和酸性。
与非金属反应，热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧酸，本身被还原为SO2。在这类反应中，浓硫酸只表现出氧化性。
?C + 2 H2SO4(浓) ??? CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O
S + 2 H2SO4(浓) ?3SO2↑ + 2H2O 2P + 5H2SO4(浓)?2H3PO4 + 5SO2↑ + 2H2O
由于浓硫酸具有强氧化性，实验室制取H2S、HBr、HI等还原性气体不能选用浓硫酸。
H2S + H2SO4(浓)?S↓ + SO2↑ + 2H2O 2HBr + H2SO4(浓) ?Br2↑ + SO2↑ + 2H2O 2HI + H2SO4(浓)?I2↑ + SO2↑ + 2H2O
④ 难挥发性(高沸点)
制氯化氢、硝酸(原理：由高沸点酸制取低沸点酸)如，用固体氯化钠与浓硫酸反应制取氯化氢气体：
NaCl(s)+H2SO4 (浓)?NaHSO4+HCl↑
???Na2SO4+2HCl↑ 2NaCl(s)+ H2SO4 (浓)?加热此外，利用浓盐酸与浓硫酸也可以制得氯化氢气体。 利用浓硫酸的酸性还可以制化肥，如氮肥、磷肥：
2NH3+ H2SO4?(NH4)2SO4
Ca3(PO4)2+2H2SO4?2CaSO4+Ca(H2PO4)2
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浓硫酸与亚硫酸盐反应体现了浓硫酸的稳定性：
Na2SO3+H2SO4?Na2SO4+H2O+SO2↑
⑤ 强酸性
纯硫酸具有很强的酸性，98%的硫酸与纯硫酸的酸性基本上没有差别，而溶解过量三氧化硫的发烟硫酸则是一种超酸体系，酸性强于纯硫酸。
但是广泛存在一种误区——稀硫酸的酸性强于浓硫酸，这种想法是错误的。稀硫酸第一步电离完全，产生大量的水合氢离子H3O+，但是浓硫酸和水一样，自身自偶电离会产生一部分硫酸合氢离子H3SO4+，正是这一部分硫酸合质子，就导致浓硫酸具有非常强的酸性，虽然少，但是酸性却要比水合质子强得多，所以浓硫酸的哈米特酸度函数高达-12.0(该值越小，酸性越强)。
2H2SO4 == H3SO4+ + HSO4- Kap(25°C)= [H3SO4+][ HSO4-] = 2.7×10-4 在硫酸溶剂体系中，H3SO4+经常起酸的作用，能质子化很多物质产生离子型化合物：
NaCl+ H2SO4→NaHSO4+HCl(不加热也能很快反应)
KNO3+ H2SO4→K++ H3SO4++HNO3 HNO3+ H2SO4→NO2++H3O++2HSO4- CH3COOH+ H2SO4→CH3C(OH)2++HSO4-
HSO3F+ H2SO4→H3SO4++SO3F- (氟磺酸的酸性比硫酸更强)
上述生成HNO3的反应所产生的NO2+，有助于芳香烃的硝化反应[3]。 (2) 稀硫酸的化学性质
① 可与多数金属(比铜活泼)和绝大多数金属氧化物反应，生成相应的硫酸盐和水；
② 可与所含酸根离子对应酸酸性比硫酸根离子弱的盐反应，生成相应的硫酸盐和弱酸；
③ 可与碱反应生成相应的硫酸盐和水；
④ 可与氢前金属在一定条件下反应，生成相应的硫酸盐和氢气； ⑤ 加热条件下可催化蛋白质、二糖和多糖的水解； ⑥ 强电解质，在水中发生电离H2SO4=2H+ + SO4 2-。
1.2 硫酸的用途
硫酸是基本化学工业中重要产品之一。它不仅作为许多化工产品的原料，而且还广泛地应用于其他国民经济部门，它的应用范围日益扩大，需要数量日益增加。
1.2.1 为农业生产服务
在农业生产中，越来越多地采用硫酸来改良高pH值的石灰质土壤。过去20年来，
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尿素-硫酸肥料的产量大幅度提高并在美国西部诸州的土壤中广泛施用。将硫酸注入牛奶场湖泊，改变湖水pH值，可解决圈养牲畜过程产生的若干空气和水质问题。将硫酸施入农用土壤和水中，其主要作用是溶解钙、镁的碳酸盐和碳酸氢盐。这些钙、镁盐然后取代可交换的钠盐，钠盐随后用水浸洗除去。当碳酸盐和碳酸氢盐被分解后，硫酸与更惰性的物质反应，释放出磷、铁等植物养分。简单地降低土壤的pH值可引起许多元素溶解度的变化，提高它们对植物的效力。在高pH值的石灰质土壤上施用硫酸，可使植物更加健壮，收成增加[4]。
用于肥料的生产硫酸铵(俗称硫铵或肥田粉)和过磷酸钙(俗称过磷酸石灰或普钙)这两种化肥的生产都要消耗大量的硫酸。
以下是它们反应的方程式：
2NH3+ H2SO4====(NH4)2 SO4
用于农业生产得许多农药都要以硫酸为原料，如硫酸铜、硫酸锌可作植物的杀菌剂，硫酸铊可作杀鼠剂，硫酸亚铁、硫酸铜可作除莠剂。最普通的杀虫剂，如1059乳剂(45%)和1605乳剂(45%)的生产都需用硫酸[5]。
1.2.2 为工业生产服务
在工业生产上，硫酸主要用于冶金工业和金属加工工业，特别是有色金属的生产过程需要使用硫酸。例如用电解法精炼铜、锌、镉、镍时，电解液就需要使用硫酸。某些贵金属的精炼，也需要硫酸来溶解夹杂的其他金属。在钢铁工业中进行冷轧、冷拔及冲压加工之前，都必须用硫酸清除钢铁表面的氧化铁。在轧制薄板、冷拔无缝钢管和其他质量要求较高的钢材，都必须每轧一次用硫酸洗涤一次。另外，有缝钢管、薄铁皮、铁丝等在进行镀锌之前，都要经过用硫酸进行的酸洗程序。在某些金属机械加工过程中，例如镀镍、镀铬等金属制件，也需用硫酸来洗净表面的锈。在黑色冶金企业部门里，需要酸洗的钢材一般约占钢总产量的5%～6%，而每吨钢材的酸洗，约消费98%的硫酸30kg～50kg。
在石油工业汽油、润滑油等石油产品的生产过程中，都需要浓硫酸精炼，以除去其中的含硫化合物和不饱和碳氢化合物。石油工业所使用的活性白土的制备，也需要消耗不少硫酸。
在其他许多部门的化工生产中都需要使用硫酸。例如，在浓缩硝酸中，以浓硫酸为脱水剂；氯碱工业中，以浓硫酸来干燥氯气、氯化氢气等；无机盐工业中，如冰晶石(Na3AlF6)、硼砂(Na2B4O7·10H2O)、磷酸三钠、磷酸氢二钠、硫酸铅、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁以及其他硫酸盐的制备都要用硫酸。许多无机酸如磷酸、硼酸、铬酸(H2CrO4，有时也指CrO3)、氢氟酸、氯磺酸(ClSO3H)；有机酸如草酸(COOH)2、醋酸等的制备，也常需要硫酸作原料。此外，炼焦化学工业(用硫酸和焦炉气中的氨反应
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副产硫酸铵)、电镀业、制革业、颜料工业、橡胶工业、造纸工业、油漆工业(有机溶剂的制备)、工业炸药和铅蓄电池制造业等，都要消耗相当数量的硫酸。
1.2.3 在人们日常生活中的作用
在化学纤维的生产中，人民所熟悉的粘胶丝，它需要使用硫酸、硫酸锌、硫酸钠的混合液作为粘胶抽丝的凝固浴。此外，在尼龙、醋酸纤维、聚丙烯腈纤维等化学纤维生产中，也使用相当数量的硫酸。用于化学纤维以外的高分子化合物生产塑料等高分子化合物，在国民经济中越来越占有重要的地位。有机硅树胶、硅油、丁苯橡胶及丁腈橡胶等的生产，也都要使用硫酸。
在染料工业中，几乎没有一种染料(或其中间体)的制备不需使用硫酸。偶氮染料中间体的制备需要进行磺化反应，苯胺染料中间体的制备需要进行硝化反应，两者都需使用大量浓硫酸或发烟硫酸。因此，有些染料厂就设有硫酸车间，以配合生产需要。
日用品生产合成洗涤剂需要使用发烟硫酸和浓硫酸。塑料的增塑剂(如苯二甲酸酐和苯二甲酸酯)、赛璐珞制品所需的原料硝化棉，都需要用硫酸来制备。玻璃纸、羊皮纸的制造，也需要使用硫酸。此外，纺织印染工业、搪瓷工业、小五金工业、肥皂工业、人造香料工业等生产部门，也都需要使用硫酸。
用于制药工业磺胺药物的制备过程中的磺化反应，强力杀菌剂呋喃西林的制备过程中的硝化反应，都需用硫酸。此外，许多抗生素的制备，常用药物如阿斯匹林、咖啡因、维生素B2、B12及维生素C、某些激素、异烟肼、红汞、糖精等的制备，都需要使用大量硫酸。
1.2.4 对巩固国防方面所起的作用
某些国家硫酸工业的发展，曾经是和军用炸药的生产紧密连结在一起的。无论军用炸药(发射药、爆炸药)或工业炸药，大都是以硝基化合物或硝酸酯为其主要成分。主要的有硝化棉、三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油、苦味酸等。虽然这些化合物的制备是依靠硝酸，但同时必须使用浓硫酸或发烟硫酸。
1.2.5 与原子能工业及火箭技术的关系
原子反应堆用的核燃料的生产，反应堆用的钛、铝等合金材料的制备，以及用于制造火箭、超声速喷气飞机和人造卫星的材料的钛合金，都和硫酸有直接或间接的关系。从硼砂制备硼烷的过程需要使用硫酸。硼烷的衍生物是最重要的一种高能燃料。硼烷又用做制备硼氢化铀用来分离铀235的一种原料。 由此可见，硫酸与尖端科学技术有着密切的关系。
1.3 硫酸的危险性概述
健康危害：对皮肤、粘膜等组织有强烈的刺激和腐蚀作用。硫酸蒸汽可引起结膜
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