IChO 1989 · Theory problem 3
Removal of sulphur dioxide from power-station flue gases
Sulphur dioxide is removed from waste gases of coal power stations by washing with aqueous suspensions of calcium carbonate or calcium hydroxide. The residue formed is recovered.
3.1 Write all reactions as balanced equations.
3.2 How many kilograms of calcium carbonate are daily consumed to remove 95 % of the sulphur dioxide if 10000 \(\mathrm{m^3/h}\) of waste gas (corrected to 0 °C and standard pressure) containing 0.15 % sulphur dioxide by volume are processed? How many kilograms of gypsum are recovered thereby?
3.3 Assuming that the sulphur dioxide is not being removed and equally spread in an atmospheric liquid water pool of 5000 \(\mathrm{m^3}\) and fully returned on earth as rain, what is the expected pH of the condensed water?
3.4 If a sodium sulphite solution is used for absorption, sulphur dioxide and the sulphite solution can be recovered. Write down the balanced equations and point out possible pathways to increase the recovery of sulphur dioxide from an aqueous solution.
Note:
Protolysis of sulphur dioxide in aqueous solutions can be described by the first step dissociation of sulphurous acid. The dissociation constant \(K_{a,1}(\ce{H2SO3})=10^{-2.25}\).
Assume ideal gases and a constant temperature of 0 °C at standard pressure.
\(M(\ce{CaCO3})=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\ M(\ce{CaSO4})=172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Official English text of the problem.
Answers
-
3.1 Absorption forms calcium sulphite, which is oxidized and recovered as gypsum. The overall equations are \[ \ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2} \] \[ \ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}. \]
-
3.2 Calcium carbonate consumed: approximately \(1.53\times10^3\ \mathrm{kg}\) per day. Gypsum recovered: approximately \(2.63\times10^3\ \mathrm{kg}\) per day.
-
3.3 For one hour’s untreated emissions, \(\mathrm{pH}\approx3.88\).
-
3.4 \[ \ce{Na2SO3 + SO2 + H2O <=> 2NaHSO3}. \] Absorption proceeds to the right; regeneration proceeds to the left. Heating and lowering the sulphur dioxide partial pressure promote recovery. Acidification also releases sulphur dioxide, but subsequent neutralization is needed to restore the absorbent.
Solution
The species used below have the following names and SMILES. For salts, disconnected SMILES components specify composition; they do not describe the crystal lattice or coordination of water in gypsum. Sulphurous acid is the formal aqueous species used in the problem’s dissociation model.
| Species | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{SO2}\) | Sulphur dioxide | O=S=O |
| \(\ce{H2O}\) | Water | O |
| \(\ce{H2SO3}\) | Sulphurous acid | OS(=O)O |
| \(\ce{CaCO3}\) | Calcium carbonate | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Ca(OH)2}\) | Calcium hydroxide | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{CaSO3}\) | Calcium sulphite | [Ca+2].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\) | Carbon dioxide | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Oxygen | O=O |
| \(\ce{CaSO4}\) | Calcium sulphate | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{CaSO4.2H2O}\) | Gypsum; calcium sulphate dihydrate | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-].O.O |
| \(\ce{H3O+}\) | Hydronium ion | [OH3+] |
| \(\ce{HSO3^-}\) | Hydrogen sulphite ion; bisulphite ion | OS(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO3}\) | Sodium sulphite | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{NaHSO3}\) | Sodium hydrogen sulphite; sodium bisulphite | [Na+].OS(=O)[O-] |
3.1 — Absorption and gypsum formation
Dissolved sulphur dioxide behaves as an acid, represented formally by \[ \ce{SO2(aq) + H2O(l) <=> H2SO3(aq)}. \]
Neutralization by calcium carbonate releases carbon dioxide: \[ \ce{CaCO3 + H2SO3 -> CaSO3 + CO2 + H2O}. \] Combining this with the formal hydration step gives \[ \ce{CaCO3 + SO2 -> CaSO3 + CO2}. \]
Neutralization by calcium hydroxide gives \[ \ce{Ca(OH)2 + H2SO3 -> CaSO3 + 2H2O}, \] or, after combining with hydration, \[ \ce{Ca(OH)2 + SO2 -> CaSO3 + H2O}. \]
Oxygen from the flue gas or supplied air oxidizes calcium sulphite to calcium sulphate: \[ \ce{2CaSO3 + O2 -> 2CaSO4}. \] The sulphur oxidation state increases from \(+4\) to \(+6\). The recovered hydrated solid is gypsum: \[ \ce{CaSO4 + 2H2O -> CaSO4.2H2O}. \]
Thus the overall equations are \[ \boxed{\ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2}} \] and \[ \boxed{\ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}}. \]
3.2 — Daily calcium carbonate consumption and gypsum recovery
At \(0\,^\circ\mathrm C\) and conventional standard pressure, the ideal-gas molar volume is \[ V_m\approx22.4\ \mathrm{L\,mol^{-1}} =22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}. \]
The volume of sulphur dioxide entering per hour is \[ \dot V_{\ce{SO2}} =(10000\ \mathrm{m^3\,h^{-1}})(0.0015) =15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}. \]
The volume captured per day is therefore \[ V_{\mathrm{captured}} =(15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}) (24\ \mathrm{h\,day^{-1}})(0.95) =342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Its amount is \[ n_{\mathrm{captured}} =\frac{342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}} {22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}} =15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}. \]
The overall reaction shows that one mole of captured sulphur dioxide consumes one mole of calcium carbonate and produces one mole of gypsum. Hence \[ m_{\ce{CaCO3}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (100\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{1.53\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
Gypsum is \(\ce{CaSO4.2H2O}\); the supplied molar mass \(172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) applies to this dihydrate. Thus \[ m_{\mathrm{gypsum}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (172\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{2.63\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
3.3 — pH of the rainwater
Taking one hour of untreated emissions as the basis, the entire \(15.0\ \mathrm{m^3}\) of sulphur dioxide enters the water: \[ n_{\ce{SO2}} =\frac{15.0\ \mathrm{m^3}} {22.4\times10^{-3}\ \mathrm{m^3\,mol^{-1}}} =669.6\ \mathrm{mol}. \]
The water volume is \[ 5000\ \mathrm{m^3}=5.000\times10^6\ \mathrm L. \] Consequently, the analytical concentration of dissolved sulphur dioxide, expressed as sulphurous acid, is \[ C=\frac{669.6\ \mathrm{mol}}{5.000\times10^6\ \mathrm L} =1.339\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
The prescribed dissociation equilibrium is \[ \ce{H2SO3 + H2O <=> H3O+ + HSO3^-}, \qquad K_{a,1}=10^{-2.25}=5.623\times10^{-3}. \]
Neglecting water’s self-ionization and using only the stipulated first dissociation, let \[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{HSO3^-}], \qquad [\ce{H2SO3}]=C-x. \]
Using numerical concentrations in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\), \[ K_{a,1}=\frac{x^2}{C-x}. \] The physically meaningful root is \[ x=\frac{-K_{a,1}+\sqrt{K_{a,1}^{\,2}+4K_{a,1}C}}{2} =1.309\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Therefore \[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \right) =3.88}. \]
Approximately \(97.7\%\) undergoes the first dissociation. Thus the usual weak-acid approximation \(x\ll C\) is inappropriate here; the quadratic is needed.
3.4 — Reversible absorption in sodium sulphite
Sodium sulphite absorbs acidic sulphur dioxide to form sodium hydrogen sulphite: \[ \boxed{\ce{Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l) <=> 2NaHSO3(aq)}}. \]
Heating and removing the evolved gas reverse the absorption, regenerating sodium sulphite: \[ \boxed{\ce{2NaHSO3(aq) <=> Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l)}}. \]
Sulphur remains in oxidation state \(+4\), allowing recovery through this reversible absorption process.
The following changes increase sulphur dioxide release:
- Raise the temperature. Heating reduces gas solubility and promotes regeneration from sodium hydrogen sulphite.
- Lower the sulphur dioxide partial pressure above the solution. Vacuum operation or continuous removal by steam or an inert gas promotes desorption and shifts the regeneration equilibrium toward the products.
- Acidify the solution. Protonation converts hydrogen sulphite into dissolved sulphur dioxide, which can escape: \[ \ce{HSO3^- + H3O+ -> SO2(g) + 2H2O}. \] This consumes the absorbent’s alkalinity, so additional neutralization is required before sodium sulphite can be reused.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1989 · Theorieaufgabe 3
Entfernung von Schwefeldioxid aus Kraftwerksrauchgasen
Schwefeldioxid wird aus den Abgasen von Kohlekraftwerken durch Waschen mit wässrigen Suspensionen von Calciumcarbonat oder Calciumhydroxid entfernt. Der dabei entstehende Rückstand wird gewonnen.
3.1 Geben Sie alle Reaktionen als ausgeglichene Reaktionsgleichungen an.
3.2 Wie viele Kilogramm Calciumcarbonat werden täglich verbraucht, um 95 % des Schwefeldioxids zu entfernen, wenn 10000 \(\mathrm{m^3/h}\) Abgas (auf 0 °C und Normaldruck umgerechnet) mit einem Schwefeldioxid-Volumenanteil von 0.15 % behandelt werden? Wie viele Kilogramm Gips werden dabei gewonnen?
3.3 Angenommen, das Schwefeldioxid wird nicht entfernt, verteilt sich gleichmäßig in einem Vorrat an flüssigem Wasser in der Atmosphäre von 5000 \(\mathrm{m^3}\) und gelangt vollständig als Regen zur Erde zurück: Welcher pH-Wert des kondensierten Wassers ist zu erwarten?
3.4 Wird zur Absorption eine Natriumsulfitlösung verwendet, können Schwefeldioxid und die Sulfitlösung zurückgewonnen werden. Geben Sie die ausgeglichenen Reaktionsgleichungen an und nennen Sie mögliche Wege, die Rückgewinnung von Schwefeldioxid aus einer wässrigen Lösung zu erhöhen.
Hinweis:
Die Protolyse von Schwefeldioxid in wässrigen Lösungen lässt sich durch die erste Dissoziationsstufe der schwefligen Säure beschreiben. Die Dissoziationskonstante beträgt \(K_{a,1}(\ce{H2SO3})=10^{-2.25}\).
Nehmen Sie ideale Gase und eine konstante Temperatur von 0 °C bei Normaldruck an.
\(M(\ce{CaCO3})=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\ M(\ce{CaSO4})=172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
3.1 Bei der Absorption entsteht Calciumsulfit, das oxidiert und als Gips gewonnen wird. Die Gesamtgleichungen lauten \[ \ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2} \] \[ \ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}. \]
-
3.2 Verbrauchtes Calciumcarbonat: ungefähr \(1.53\times10^3\ \mathrm{kg}\) pro Tag. Gewonnener Gips: ungefähr \(2.63\times10^3\ \mathrm{kg}\) pro Tag.
-
3.3 Für die unbehandelten Emissionen einer Stunde gilt \(\mathrm{pH}\approx3.88\).
-
3.4 \[ \ce{Na2SO3 + SO2 + H2O <=> 2NaHSO3}. \] Die Absorption verläuft nach rechts, die Regeneration nach links. Erwärmen und Absenken des Schwefeldioxidpartialdrucks fördern die Rückgewinnung. Auch Ansäuern setzt Schwefeldioxid frei; anschließend ist jedoch eine Neutralisation erforderlich, um das Absorptionsmittel wiederherzustellen.
Lösung
Die im Folgenden verwendeten Spezies haben die nachstehenden Namen und SMILES. Bei Salzen geben nicht miteinander verbundene SMILES-Komponenten die Zusammensetzung an; sie beschreiben weder das Kristallgitter noch die Koordination des Wassers im Gips. Schweflige Säure ist die formale wässrige Spezies, die im Dissoziationsmodell der Aufgabe verwendet wird.
| Spezies | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{SO2}\) | Schwefeldioxid | O=S=O |
| \(\ce{H2O}\) | Wasser | O |
| \(\ce{H2SO3}\) | Schweflige Säure | OS(=O)O |
| \(\ce{CaCO3}\) | Calciumcarbonat | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Ca(OH)2}\) | Calciumhydroxid | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{CaSO3}\) | Calciumsulfit | [Ca+2].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\) | Kohlenstoffdioxid | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Sauerstoff | O=O |
| \(\ce{CaSO4}\) | Calciumsulfat | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{CaSO4.2H2O}\) | Gips; Calciumsulfat-Dihydrat | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-].O.O |
| \(\ce{H3O+}\) | Oxoniumion | [OH3+] |
| \(\ce{HSO3^-}\) | Hydrogensulfition; Bisulfition | OS(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO3}\) | Natriumsulfit | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{NaHSO3}\) | Natriumhydrogensulfit; Natriumbisulfit | [Na+].OS(=O)[O-] |
3.1 — Absorption und Gipsbildung
Gelöstes Schwefeldioxid verhält sich wie eine Säure, was formal durch folgende Gleichung dargestellt wird: \[ \ce{SO2(aq) + H2O(l) <=> H2SO3(aq)}. \]
Bei der Neutralisation mit Calciumcarbonat wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt: \[ \ce{CaCO3 + H2SO3 -> CaSO3 + CO2 + H2O}. \] Durch Kombination mit dem formalen Hydratationsschritt ergibt sich \[ \ce{CaCO3 + SO2 -> CaSO3 + CO2}. \]
Die Neutralisation mit Calciumhydroxid ergibt \[ \ce{Ca(OH)2 + H2SO3 -> CaSO3 + 2H2O}, \] oder, nach Kombination mit der Hydratation, \[ \ce{Ca(OH)2 + SO2 -> CaSO3 + H2O}. \]
Sauerstoff aus dem Rauchgas oder aus zugeführter Luft oxidiert Calciumsulfit zu Calciumsulfat: \[ \ce{2CaSO3 + O2 -> 2CaSO4}. \] Die Oxidationszahl des Schwefels steigt von \(+4\) auf \(+6\). Der gewonnene wasserhaltige Feststoff ist Gips: \[ \ce{CaSO4 + 2H2O -> CaSO4.2H2O}. \]
Somit lauten die Gesamtgleichungen \[ \boxed{\ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2}} \] und \[ \boxed{\ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}}. \]
3.2 — Täglicher Calciumcarbonatverbrauch und Gipsgewinnung
Bei \(0\,^\circ\mathrm C\) und konventionellem Normaldruck beträgt das molare Volumen eines idealen Gases \[ V_m\approx22.4\ \mathrm{L\,mol^{-1}} =22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}. \]
Das pro Stunde eintretende Schwefeldioxidvolumen beträgt \[ \dot V_{\ce{SO2}} =(10000\ \mathrm{m^3\,h^{-1}})(0.0015) =15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}. \]
Das pro Tag abgeschiedene Volumen beträgt daher \[ V_{\mathrm{captured}} =(15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}) (24\ \mathrm{h\,day^{-1}})(0.95) =342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Die zugehörige Stoffmenge beträgt \[ n_{\mathrm{captured}} =\frac{342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}} {22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}} =15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}. \]
Die Gesamtreaktion zeigt, dass ein Mol abgeschiedenes Schwefeldioxid ein Mol Calciumcarbonat verbraucht und ein Mol Gips erzeugt. Daher gilt \[ m_{\ce{CaCO3}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (100\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{1.53\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
Gips ist \(\ce{CaSO4.2H2O}\); die angegebene molare Masse von \(172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) gilt für dieses Dihydrat. Somit gilt \[ m_{\mathrm{gypsum}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (172\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{2.63\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
3.3 — pH-Wert des Regenwassers
Legt man die unbehandelten Emissionen einer Stunde zugrunde, so gelangen die gesamten \(15.0\ \mathrm{m^3}\) Schwefeldioxid in das Wasser: \[ n_{\ce{SO2}} =\frac{15.0\ \mathrm{m^3}} {22.4\times10^{-3}\ \mathrm{m^3\,mol^{-1}}} =669.6\ \mathrm{mol}. \]
Das Wasservolumen beträgt \[ 5000\ \mathrm{m^3}=5.000\times10^6\ \mathrm L. \] Folglich beträgt die analytische Konzentration des gelösten Schwefeldioxids, ausgedrückt als schweflige Säure, \[ C=\frac{669.6\ \mathrm{mol}}{5.000\times10^6\ \mathrm L} =1.339\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Das vorgegebene Dissoziationsgleichgewicht lautet \[ \ce{H2SO3 + H2O <=> H3O+ + HSO3^-}, \qquad K_{a,1}=10^{-2.25}=5.623\times10^{-3}. \]
Unter Vernachlässigung der Autoprotolyse des Wassers und unter ausschließlicher Berücksichtigung der vorgegebenen ersten Dissoziationsstufe setzen wir \[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{HSO3^-}], \qquad [\ce{H2SO3}]=C-x. \]
Mit den Zahlenwerten der Konzentrationen in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) gilt \[ K_{a,1}=\frac{x^2}{C-x}. \] Die physikalisch sinnvolle Lösung ist \[ x=\frac{-K_{a,1}+\sqrt{K_{a,1}^{\,2}+4K_{a,1}C}}{2} =1.309\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Daher gilt \[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \right) =3.88}. \]
Ungefähr \(97.7\%\) durchlaufen die erste Dissoziationsstufe. Somit ist die übliche Näherung für schwache Säuren \(x\ll C\) hier nicht geeignet; die quadratische Gleichung muss gelöst werden.
3.4 — Reversible Absorption in Natriumsulfit
Natriumsulfit absorbiert das saure Schwefeldioxid unter Bildung von Natriumhydrogensulfit: \[ \boxed{\ce{Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l) <=> 2NaHSO3(aq)}}. \]
Erwärmen und Entfernen des entstehenden Gases kehren die Absorption um, wobei Natriumsulfit regeneriert wird: \[ \boxed{\ce{2NaHSO3(aq) <=> Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l)}}. \]
Schwefel verbleibt in der Oxidationsstufe \(+4\), wodurch die Rückgewinnung durch diesen reversiblen Absorptionsprozess möglich ist.
Die folgenden Änderungen erhöhen die Freisetzung von Schwefeldioxid:
- Temperatur erhöhen. Erwärmen verringert die Gaslöslichkeit und fördert die Regeneration aus Natriumhydrogensulfit.
- Schwefeldioxidpartialdruck über der Lösung senken. Der Betrieb unter Vakuum oder die kontinuierliche Entfernung durch Wasserdampf oder ein Inertgas fördert die Desorption und verschiebt das Regenerationsgleichgewicht zur Produktseite.
- Lösung ansäuern. Durch Protonierung wird Hydrogensulfit in gelöstes Schwefeldioxid umgewandelt, das entweichen kann: \[ \ce{HSO3^- + H3O+ -> SO2(g) + 2H2O}. \] Dabei wird die Alkalinität des Absorptionsmittels verbraucht, sodass eine zusätzliche Neutralisation erforderlich ist, bevor Natriumsulfit wiederverwendet werden kann.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1989 · Teori sorusu 3
Termik santrallerin baca gazlarından kükürt dioksitin giderilmesi
Kömürle çalışan termik santrallerin atık gazlarındaki kükürt dioksit, kalsiyum karbonat veya kalsiyum hidroksitin sulu süspansiyonlarıyla yıkanarak giderilir. Oluşan katı kalıntı geri kazanılır.
3.1 Tüm tepkimeleri denkleştirilmiş denklemler olarak yazınız.
3.2 Hacimce 0.15 % kükürt dioksit içeren 10000 \(\mathrm{m^3/h}\) atık gaz (0 °C ve standart basınca düzeltilmiş) işleniyorsa, kükürt dioksitin 95 %'ini gidermek için günde kaç kilogram kalsiyum karbonat tüketilir? Bu işlemle kaç kilogram alçı taşı geri kazanılır?
3.3 Kükürt dioksitin giderilmediği, atmosferdeki 5000 \(\mathrm{m^3}\) hacminde bir sıvı su kütlesinde eşit olarak dağıldığı ve tamamının yağmur olarak yeryüzüne döndüğü varsayılırsa, yoğuşan suyun beklenen pH değeri nedir?
3.4 Absorpsiyon için sodyum sülfit çözeltisi kullanılırsa, kükürt dioksit ve sülfit çözeltisi geri kazanılabilir. Denkleştirilmiş denklemleri yazınız ve sulu bir çözeltiden kükürt dioksitin geri kazanımını artırmak için olası yolları belirtiniz.
Not:
Kükürt dioksitin sulu çözeltilerdeki protolizi, sülfüroz asidin birinci basamak ayrışmasıyla açıklanabilir. Ayrışma sabiti \(K_{a,1}(\ce{H2SO3})=10^{-2.25}\).
Gazların ideal olduğunu ve standart basınçta sıcaklığın sabit olarak 0 °C olduğunu varsayınız.
\(M(\ce{CaCO3})=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\ M(\ce{CaSO4})=172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
3.1 Absorpsiyon sonucunda kalsiyum sülfit oluşur; bu bileşik yükseltgenir ve alçı taşı olarak geri kazanılır. Toplam tepkime denklemleri şöyledir: \[ \ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2} \] \[ \ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}. \]
-
3.2 Tüketilen kalsiyum karbonat: yaklaşık günde \(1.53\times10^3\ \mathrm{kg}\). Geri kazanılan alçı taşı: yaklaşık günde \(2.63\times10^3\ \mathrm{kg}\).
-
3.3 Bir saatlik arıtılmamış emisyon için \(\mathrm{pH}\approx3.88\).
-
3.4 \[ \ce{Na2SO3 + SO2 + H2O <=> 2NaHSO3}. \] Absorpsiyon sağa doğru, rejenerasyon ise sola doğru ilerler. Isıtma ve kükürt dioksitin kısmi basıncını düşürme geri kazanımı destekler. Asitlendirme de kükürt dioksitin açığa çıkmasını sağlar, ancak absorbanın yeniden elde edilmesi için sonrasında nötralleştirme gerekir.
Çözüm
Aşağıda kullanılan türlerin adları ve SMILES gösterimleri aşağıda verilmiştir. Tuzlar için birbirinden ayrı SMILES bileşenleri bileşimi belirtir; kristal örgüyü veya alçı taşındaki suyun koordinasyonunu tanımlamaz. Sülfüroz asit, sorunun ayrışma modelinde kullanılan biçimsel sulu türdür.
| Tür | Adı | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{SO2}\) | Kükürt dioksit | O=S=O |
| \(\ce{H2O}\) | Su | O |
| \(\ce{H2SO3}\) | Sülfüroz asit | OS(=O)O |
| \(\ce{CaCO3}\) | Kalsiyum karbonat | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Ca(OH)2}\) | Kalsiyum hidroksit | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{CaSO3}\) | Kalsiyum sülfit | [Ca+2].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\) | Karbon dioksit | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Oksijen | O=O |
| \(\ce{CaSO4}\) | Kalsiyum sülfat | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{CaSO4.2H2O}\) | Alçı taşı; kalsiyum sülfat dihidrat | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-].O.O |
| \(\ce{H3O+}\) | Hidronyum iyonu | [OH3+] |
| \(\ce{HSO3^-}\) | Hidrojen sülfit iyonu; bisülfit iyonu | OS(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO3}\) | Sodyum sülfit | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{NaHSO3}\) | Sodyum hidrojen sülfit; sodyum bisülfit | [Na+].OS(=O)[O-] |
3.1 — Absorpsiyon ve alçı taşı oluşumu
Çözünmüş kükürt dioksit bir asit gibi davranır; bu durum biçimsel olarak şöyle gösterilir: \[ \ce{SO2(aq) + H2O(l) <=> H2SO3(aq)}. \]
Kalsiyum karbonatla nötralleştirme, karbon dioksit açığa çıkarır: \[ \ce{CaCO3 + H2SO3 -> CaSO3 + CO2 + H2O}. \] Bu tepkime biçimsel hidratasyon basamağıyla birleştirildiğinde şu denklem elde edilir: \[ \ce{CaCO3 + SO2 -> CaSO3 + CO2}. \]
Kalsiyum hidroksitle nötralleştirme şu tepkimeyi verir: \[ \ce{Ca(OH)2 + H2SO3 -> CaSO3 + 2H2O}, \] veya hidratasyonla birleştirildikten sonra, \[ \ce{Ca(OH)2 + SO2 -> CaSO3 + H2O}. \]
Baca gazındaki veya dışarıdan verilen havadaki oksijen, kalsiyum sülfitin kalsiyum sülfata yükseltgenmesini sağlar: \[ \ce{2CaSO3 + O2 -> 2CaSO4}. \] Kükürdün yükseltgenme basamağı \(+4\)'ten \(+6\)'ya çıkar. Geri kazanılan hidratlı katı, alçı taşıdır: \[ \ce{CaSO4 + 2H2O -> CaSO4.2H2O}. \]
Böylece toplam tepkime denklemleri şöyledir: \[ \boxed{\ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2}} \] ve \[ \boxed{\ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}}. \]
3.2 — Günlük kalsiyum karbonat tüketimi ve alçı taşı geri kazanımı
\(0\,^\circ\mathrm C\)'de ve geleneksel standart basınçta ideal gazın molar hacmi şöyledir: \[ V_m\approx22.4\ \mathrm{L\,mol^{-1}} =22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}. \]
Saatte giren kükürt dioksitin hacmi şöyledir: \[ \dot V_{\ce{SO2}} =(10000\ \mathrm{m^3\,h^{-1}})(0.0015) =15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}. \]
Dolayısıyla günde tutulan hacim şöyledir: \[ V_{\mathrm{captured}} =(15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}) (24\ \mathrm{h\,day^{-1}})(0.95) =342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Bunun madde miktarı şöyledir: \[ n_{\mathrm{captured}} =\frac{342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}} {22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}} =15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}. \]
Toplam tepkime, tutulan bir mol kükürt dioksitin bir mol kalsiyum karbonat tükettiğini ve bir mol alçı taşı oluşturduğunu gösterir. Buna göre, \[ m_{\ce{CaCO3}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (100\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{1.53\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
Alçı taşı \(\ce{CaSO4.2H2O}\)'dur; verilen \(172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) molar kütlesi bu dihidrat için geçerlidir. Dolayısıyla, \[ m_{\mathrm{gypsum}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (172\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{2.63\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
3.3 — Yağmur suyunun pH değeri
Bir saatlik arıtılmamış emisyon esas alındığında, \(15.0\ \mathrm{m^3}\) kükürt dioksitin tamamı suya geçer: \[ n_{\ce{SO2}} =\frac{15.0\ \mathrm{m^3}} {22.4\times10^{-3}\ \mathrm{m^3\,mol^{-1}}} =669.6\ \mathrm{mol}. \]
Suyun hacmi şöyledir: \[ 5000\ \mathrm{m^3}=5.000\times10^6\ \mathrm L. \] Buna göre, çözünmüş kükürt dioksitin sülfüroz asit cinsinden ifade edilen analitik derişimi şöyledir: \[ C=\frac{669.6\ \mathrm{mol}}{5.000\times10^6\ \mathrm L} =1.339\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Verilen ayrışma dengesi şöyledir: \[ \ce{H2SO3 + H2O <=> H3O+ + HSO3^-}, \qquad K_{a,1}=10^{-2.25}=5.623\times10^{-3}. \]
Suyun kendi kendine iyonlaşmasını ihmal ederek ve yalnızca belirtilen birinci ayrışmayı kullanarak şu tanımları yapalım: \[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{HSO3^-}], \qquad [\ce{H2SO3}]=C-x. \]
Derişimlerin \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) birimindeki sayısal değerleri kullanıldığında, \[ K_{a,1}=\frac{x^2}{C-x}. \] Fiziksel olarak anlamlı kök şöyledir: \[ x=\frac{-K_{a,1}+\sqrt{K_{a,1}^{\,2}+4K_{a,1}C}}{2} =1.309\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Dolayısıyla, \[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \right) =3.88}. \]
Yaklaşık \(97.7\%\)'si birinci ayrışmaya uğrar. Dolayısıyla, yaygın olarak kullanılan \(x\ll C\) zayıf asit yaklaşımı burada uygun değildir; ikinci dereceden denklemin çözülmesi gerekir.
3.4 — Sodyum sülfit çözeltisinde tersinir absorpsiyon
Sodyum sülfit, asidik kükürt dioksiti absorplayarak sodyum hidrojen sülfit oluşturur: \[ \boxed{\ce{Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l) <=> 2NaHSO3(aq)}}. \]
Isıtma ve açığa çıkan gazı uzaklaştırma, absorpsiyonu tersine çevirerek sodyum sülfitin yeniden elde edilmesini sağlar: \[ \boxed{\ce{2NaHSO3(aq) <=> Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l)}}. \]
Kükürdün yükseltgenme basamağı \(+4\) olarak kalır; bu da söz konusu tersinir absorpsiyon süreciyle geri kazanımı mümkün kılar.
Aşağıdaki değişiklikler kükürt dioksitin açığa çıkmasını artırır:
- Sıcaklığı artırmak. Isıtma, gazın çözünürlüğünü azaltır ve sodyum hidrojen sülfitten rejenerasyonu destekler.
- Çözeltinin üzerindeki kükürt dioksit kısmi basıncını düşürmek. Vakum altında çalışmak veya su buharı ya da inert bir gazla sürekli uzaklaştırma, desorpsiyonu destekler ve rejenerasyon dengesini ürünler yönüne kaydırır.
- Çözeltiyi asitlendirmek. Protonlanma, hidrojen sülfitin çözünmüş kükürt dioksite dönüşmesini sağlar; kükürt dioksit de gaz olarak uzaklaşabilir: \[ \ce{HSO3^- + H3O+ -> SO2(g) + 2H2O}. \] Bu işlem absorbanın alkalinitesini tüketir; dolayısıyla sodyum sülfitin yeniden kullanılabilmesi için ek nötralleştirme gerekir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1989 · Problema teórico 3
Eliminación del dióxido de azufre de los gases de combustión de centrales eléctricas
El dióxido de azufre se elimina de los gases residuales de las centrales eléctricas de carbón mediante lavado con suspensiones acuosas de carbonato de calcio o hidróxido de calcio. El residuo formado se recupera.
3.1 Escriba todas las reacciones como ecuaciones ajustadas.
3.2 ¿Cuántos kilogramos de carbonato de calcio se consumen diariamente para eliminar el 95 % del dióxido de azufre si se procesan 10000 \(\mathrm{m^3/h}\) de gases residuales (corregidos a 0 °C y presión estándar) que contienen un 0.15 % de dióxido de azufre en volumen? ¿Cuántos kilogramos de yeso se recuperan de este modo?
3.3 Suponiendo que el dióxido de azufre no se elimina y se distribuye uniformemente en una masa de agua líquida atmosférica de 5000 \(\mathrm{m^3}\), y que retorna íntegramente a la Tierra en forma de lluvia, ¿cuál es el pH esperado del agua condensada?
3.4 Si se utiliza una disolución de sulfito de sodio para la absorción, se pueden recuperar el dióxido de azufre y la disolución de sulfito. Escriba las ecuaciones ajustadas e indique posibles vías para aumentar la recuperación del dióxido de azufre de una disolución acuosa.
Nota:
La protólisis del dióxido de azufre en disoluciones acuosas puede describirse mediante la primera etapa de disociación del ácido sulfuroso. La constante de disociación es \(K_{a,1}(\ce{H2SO3})=10^{-2.25}\).
Suponga gases ideales y una temperatura constante de 0 °C a presión estándar.
\(M(\ce{CaCO3})=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\ M(\ce{CaSO4})=172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
3.1 La absorción forma sulfito de calcio, que se oxida y se recupera como yeso. Las ecuaciones globales son \[ \ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2} \] \[ \ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}. \]
-
3.2 Carbonato de calcio consumido: aproximadamente \(1.53\times10^3\ \mathrm{kg}\) al día. Yeso recuperado: aproximadamente \(2.63\times10^3\ \mathrm{kg}\) al día.
-
3.3 Para las emisiones sin tratar de una hora, \(\mathrm{pH}\approx3.88\).
-
3.4 \[ \ce{Na2SO3 + SO2 + H2O <=> 2NaHSO3}. \] La absorción transcurre hacia la derecha; la regeneración, hacia la izquierda. El calentamiento y la reducción de la presión parcial del dióxido de azufre favorecen la recuperación. La acidificación también libera dióxido de azufre, pero se necesita una neutralización posterior para restablecer el absorbente.
Solución
Las especies utilizadas a continuación tienen los siguientes nombres y SMILES. En el caso de las sales, los componentes desconectados de los SMILES especifican la composición; no describen la red cristalina ni la coordinación del agua en el yeso. El ácido sulfuroso es la especie acuosa formal utilizada en el modelo de disociación del problema.
| Especie | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{SO2}\) | Dióxido de azufre | O=S=O |
| \(\ce{H2O}\) | Agua | O |
| \(\ce{H2SO3}\) | Ácido sulfuroso | OS(=O)O |
| \(\ce{CaCO3}\) | Carbonato de calcio | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Ca(OH)2}\) | Hidróxido de calcio | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{CaSO3}\) | Sulfito de calcio | [Ca+2].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\) | Dióxido de carbono | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Oxígeno | O=O |
| \(\ce{CaSO4}\) | Sulfato de calcio | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{CaSO4.2H2O}\) | Yeso; sulfato de calcio dihidrato | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-].O.O |
| \(\ce{H3O+}\) | Ion hidronio | [OH3+] |
| \(\ce{HSO3^-}\) | Ion hidrogenosulfito; ion bisulfito | OS(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO3}\) | Sulfito de sodio | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{NaHSO3}\) | Hidrogenosulfito de sodio; bisulfito de sodio | [Na+].OS(=O)[O-] |
3.1 — Absorción y formación de yeso
El dióxido de azufre disuelto se comporta como un ácido, representado formalmente por \[ \ce{SO2(aq) + H2O(l) <=> H2SO3(aq)}. \]
La neutralización con carbonato de calcio libera dióxido de carbono: \[ \ce{CaCO3 + H2SO3 -> CaSO3 + CO2 + H2O}. \] Al combinar esta reacción con la etapa formal de hidratación se obtiene \[ \ce{CaCO3 + SO2 -> CaSO3 + CO2}. \]
La neutralización con hidróxido de calcio da \[ \ce{Ca(OH)2 + H2SO3 -> CaSO3 + 2H2O}, \] o, tras combinarla con la hidratación, \[ \ce{Ca(OH)2 + SO2 -> CaSO3 + H2O}. \]
El oxígeno de los gases de combustión o del aire suministrado oxida el sulfito de calcio a sulfato de calcio: \[ \ce{2CaSO3 + O2 -> 2CaSO4}. \] El estado de oxidación del azufre aumenta de \(+4\) a \(+6\). El sólido hidratado recuperado es yeso: \[ \ce{CaSO4 + 2H2O -> CaSO4.2H2O}. \]
Por tanto, las ecuaciones globales son \[ \boxed{\ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2}} \] y \[ \boxed{\ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}}. \]
3.2 — Consumo diario de carbonato de calcio y recuperación de yeso
A \(0\,^\circ\mathrm C\) y a la presión estándar convencional, el volumen molar de un gas ideal es \[ V_m\approx22.4\ \mathrm{L\,mol^{-1}} =22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}. \]
El volumen de dióxido de azufre que entra por hora es \[ \dot V_{\ce{SO2}} =(10000\ \mathrm{m^3\,h^{-1}})(0.0015) =15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}. \]
Por tanto, el volumen capturado al día es \[ V_{\mathrm{captured}} =(15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}) (24\ \mathrm{h\,day^{-1}})(0.95) =342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Su cantidad de sustancia es \[ n_{\mathrm{captured}} =\frac{342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}} {22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}} =15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}. \]
La reacción global muestra que un mol de dióxido de azufre capturado consume un mol de carbonato de calcio y produce un mol de yeso. Por tanto, \[ m_{\ce{CaCO3}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (100\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{1.53\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
El yeso es \(\ce{CaSO4.2H2O}\); la masa molar proporcionada, \(172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), corresponde a este dihidrato. Así, \[ m_{\mathrm{gypsum}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (172\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{2.63\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
3.3 — pH del agua de lluvia
Tomando como base las emisiones sin tratar de una hora, la totalidad de los \(15.0\ \mathrm{m^3}\) de dióxido de azufre pasa al agua: \[ n_{\ce{SO2}} =\frac{15.0\ \mathrm{m^3}} {22.4\times10^{-3}\ \mathrm{m^3\,mol^{-1}}} =669.6\ \mathrm{mol}. \]
El volumen de agua es \[ 5000\ \mathrm{m^3}=5.000\times10^6\ \mathrm L. \] En consecuencia, la concentración analítica de dióxido de azufre disuelto, expresada como ácido sulfuroso, es \[ C=\frac{669.6\ \mathrm{mol}}{5.000\times10^6\ \mathrm L} =1.339\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
El equilibrio de disociación indicado es \[ \ce{H2SO3 + H2O <=> H3O+ + HSO3^-}, \qquad K_{a,1}=10^{-2.25}=5.623\times10^{-3}. \]
Despreciando la autoionización del agua y considerando únicamente la primera disociación estipulada, sea \[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{HSO3^-}], \qquad [\ce{H2SO3}]=C-x. \]
Utilizando los valores numéricos de las concentraciones en \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\), \[ K_{a,1}=\frac{x^2}{C-x}. \] La raíz con sentido físico es \[ x=\frac{-K_{a,1}+\sqrt{K_{a,1}^{\,2}+4K_{a,1}C}}{2} =1.309\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Por tanto, \[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \right) =3.88}. \]
Aproximadamente el \(97.7\%\) experimenta la primera disociación. Por tanto, la aproximación habitual para ácidos débiles, \(x\ll C\), no es apropiada aquí; es necesario resolver la ecuación cuadrática.
3.4 — Absorción reversible en sulfito de sodio
El sulfito de sodio absorbe el dióxido de azufre, de carácter ácido, para formar hidrogenosulfito de sodio: \[ \boxed{\ce{Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l) <=> 2NaHSO3(aq)}}. \]
El calentamiento y la retirada del gas desprendido invierten la absorción y regeneran el sulfito de sodio: \[ \boxed{\ce{2NaHSO3(aq) <=> Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l)}}. \]
El azufre permanece en el estado de oxidación \(+4\), lo que permite su recuperación mediante este proceso de absorción reversible.
Los siguientes cambios aumentan la liberación de dióxido de azufre:
- Elevar la temperatura. El calentamiento reduce la solubilidad del gas y favorece la regeneración a partir del hidrogenosulfito de sodio.
- Reducir la presión parcial del dióxido de azufre sobre la disolución. La operación a vacío o la retirada continua mediante vapor de agua o un gas inerte favorece la desorción y desplaza el equilibrio de regeneración hacia los productos.
- Acidificar la disolución. La protonación convierte el hidrogenosulfito en dióxido de azufre disuelto, que puede escapar: \[ \ce{HSO3^- + H3O+ -> SO2(g) + 2H2O}. \] Esto consume la alcalinidad del absorbente, por lo que se requiere una neutralización adicional antes de poder reutilizar el sulfito de sodio.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1989 · 理论题 3
去除发电厂烟气中的二氧化硫
燃煤发电厂废气中的二氧化硫通过用碳酸钙或氢氧化钙的水悬浮液洗涤而除去。生成的残渣予以回收。
3.1 写出所有反应的配平化学方程式。
3.2 若处理 10000 \(\mathrm{m^3/h}\) 的废气(已折算至 0 °C 和标准压力),其中二氧化硫的体积分数为 0.15 %,则每天除去其中 95 % 的二氧化硫需要消耗多少千克碳酸钙?由此可回收多少千克石膏?
3.3 假设二氧化硫未被除去,而是均匀分布在大气中总体积为 5000 \(\mathrm{m^3}\) 的液态水中,并全部以雨水的形式返回地面,预计凝结水的 pH 是多少?
3.4 如果用亚硫酸钠溶液吸收,则可回收二氧化硫和亚硫酸钠溶液。写出配平的化学方程式,并指出提高二氧化硫从水溶液中回收程度的可行途径。
注:
二氧化硫在水溶液中的质子转移反应可用亚硫酸的第一级解离来描述。解离常数为 \(K_{a,1}(\ce{H2SO3})=10^{-2.25}\)。
假设气体均为理想气体,温度恒为 0 °C,压力为标准压力。
\(M(\ce{CaCO3})=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\ M(\ce{CaSO4})=172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
题目译自官方英文原文。
答案
-
3.1 吸收过程生成亚硫酸钙,随后被氧化并以石膏的形式回收。总反应方程式为 \[ \ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2} \] \[ \ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}. \]
-
3.2 碳酸钙消耗量:约为每天 \(1.53\times10^3\ \mathrm{kg}\)。石膏回收量:约为每天 \(2.63\times10^3\ \mathrm{kg}\)。
-
3.3 对于一小时未经处理的排放量,\(\mathrm{pH}\approx3.88\)。
-
3.4 \[ \ce{Na2SO3 + SO2 + H2O <=> 2NaHSO3}. \] 吸收反应向右进行;再生反应向左进行。加热和降低二氧化硫分压有利于回收。酸化也可释放二氧化硫,但随后需要中和才能恢复吸收剂。
解答
下文所用物种的名称及 SMILES 如下。对于盐,SMILES 中彼此断开的组分表示组成,并不描述晶格或石膏中水的配位方式。亚硫酸是题目解离模型中采用的形式上的水溶液物种。
| 物种 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{SO2}\) | 二氧化硫 | O=S=O |
| \(\ce{H2O}\) | 水 | O |
| \(\ce{H2SO3}\) | 亚硫酸 | OS(=O)O |
| \(\ce{CaCO3}\) | 碳酸钙 | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Ca(OH)2}\) | 氢氧化钙 | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{CaSO3}\) | 亚硫酸钙 | [Ca+2].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\) | 二氧化碳 | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | 氧气 | O=O |
| \(\ce{CaSO4}\) | 硫酸钙 | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{CaSO4.2H2O}\) | 石膏;二水合硫酸钙 | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-].O.O |
| \(\ce{H3O+}\) | 水合氢离子 | [OH3+] |
| \(\ce{HSO3^-}\) | 亚硫酸氢根离子;重亚硫酸根离子 | OS(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO3}\) | 亚硫酸钠 | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{NaHSO3}\) | 亚硫酸氢钠;重亚硫酸钠 | [Na+].OS(=O)[O-] |
3.1 — 吸收与石膏的生成
溶解的二氧化硫表现出酸性,在形式上可表示为 \[ \ce{SO2(aq) + H2O(l) <=> H2SO3(aq)}. \]
用碳酸钙中和会释放二氧化碳: \[ \ce{CaCO3 + H2SO3 -> CaSO3 + CO2 + H2O}. \] 将此反应与形式上的水合步骤合并,得到 \[ \ce{CaCO3 + SO2 -> CaSO3 + CO2}. \]
用氢氧化钙中和,得到 \[ \ce{Ca(OH)2 + H2SO3 -> CaSO3 + 2H2O}, \] 或与水合步骤合并后,得到 \[ \ce{Ca(OH)2 + SO2 -> CaSO3 + H2O}. \]
烟气或通入的空气中的氧气将亚硫酸钙氧化为硫酸钙: \[ \ce{2CaSO3 + O2 -> 2CaSO4}. \] 硫的氧化态由 \(+4\) 升高至 \(+6\)。回收的水合固体为石膏: \[ \ce{CaSO4 + 2H2O -> CaSO4.2H2O}. \]
因此,总反应方程式为 \[ \boxed{\ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2}} \] 和 \[ \boxed{\ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}}. \]
3.2 — 每日碳酸钙消耗量与石膏回收量
在 \(0\,^\circ\mathrm C\) 和通常采用的标准压力下,理想气体的摩尔体积为 \[ V_m\approx22.4\ \mathrm{L\,mol^{-1}} =22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}. \]
每小时进入的二氧化硫体积为 \[ \dot V_{\ce{SO2}} =(10000\ \mathrm{m^3\,h^{-1}})(0.0015) =15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}. \]
因此,每天捕集的体积为 \[ V_{\mathrm{captured}} =(15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}) (24\ \mathrm{h\,day^{-1}})(0.95) =342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
其物质的量为 \[ n_{\mathrm{captured}} =\frac{342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}} {22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}} =15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}. \]
总反应表明,每捕集一摩尔二氧化硫,就消耗一摩尔碳酸钙并生成一摩尔石膏。因此 \[ m_{\ce{CaCO3}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (100\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{1.53\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
石膏为 \(\ce{CaSO4.2H2O}\);所给的摩尔质量 \(172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 适用于这种二水合物。因此 \[ m_{\mathrm{gypsum}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (172\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{2.63\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
3.3 — 雨水的 pH
以一小时未经处理的排放量为基准,全部 \(15.0\ \mathrm{m^3}\) 二氧化硫进入水中: \[ n_{\ce{SO2}} =\frac{15.0\ \mathrm{m^3}} {22.4\times10^{-3}\ \mathrm{m^3\,mol^{-1}}} =669.6\ \mathrm{mol}. \]
水的体积为 \[ 5000\ \mathrm{m^3}=5.000\times10^6\ \mathrm L. \] 因此,以亚硫酸表示的溶解二氧化硫的分析浓度为 \[ C=\frac{669.6\ \mathrm{mol}}{5.000\times10^6\ \mathrm L} =1.339\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
题目指定的解离平衡为 \[ \ce{H2SO3 + H2O <=> H3O+ + HSO3^-}, \qquad K_{a,1}=10^{-2.25}=5.623\times10^{-3}. \]
忽略水的自电离,并仅考虑题目规定的第一级解离,令 \[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{HSO3^-}], \qquad [\ce{H2SO3}]=C-x. \]
采用以 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) 为单位的浓度数值, \[ K_{a,1}=\frac{x^2}{C-x}. \] 具有物理意义的根为 \[ x=\frac{-K_{a,1}+\sqrt{K_{a,1}^{\,2}+4K_{a,1}C}}{2} =1.309\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
因此 \[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \right) =3.88}. \]
约有 \(97.7\%\) 发生第一级解离。因此,通常的弱酸近似 \(x\ll C\) 在此不适用;需要求解二次方程。
3.4 — 亚硫酸钠中的可逆吸收
亚硫酸钠吸收酸性的二氧化硫,生成亚硫酸氢钠: \[ \boxed{\ce{Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l) <=> 2NaHSO3(aq)}}. \]
加热并移走逸出的气体可使吸收反应逆向进行,使亚硫酸钠再生: \[ \boxed{\ce{2NaHSO3(aq) <=> Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l)}}. \]
硫始终保持 \(+4\) 氧化态,因此可以通过这一可逆吸收过程实现回收。
以下变化可增加二氧化硫的释放:
- 升高温度。 加热可降低气体溶解度,并促进亚硫酸氢钠的再生反应。
- 降低溶液上方的二氧化硫分压。 真空操作或用蒸汽或惰性气体连续带走二氧化硫,可促进解吸,并使再生平衡向生成物方向移动。
- 使溶液酸化。 质子化使亚硫酸氢根转化为溶解的二氧化硫,后者可逸出: \[ \ce{HSO3^- + H3O+ -> SO2(g) + 2H2O}. \] 这会消耗吸收剂的碱度,因此亚硫酸钠再次使用前需要额外进行中和。
解答已与官方解答核对。
IChO 1989 · Теоретическая задача 3
Удаление диоксида серы из дымовых газов электростанций
Диоксид серы удаляют из отходящих газов угольных электростанций промывкой водными суспензиями карбоната кальция или гидроксида кальция. Образующийся осадок выделяют.
3.1 Запишите все реакции в виде уравнений с расставленными коэффициентами.
3.2 Сколько килограммов карбоната кальция расходуется ежедневно для удаления 95 % диоксида серы, если обрабатывают 10000 \(\mathrm{m^3/h}\) отходящих газов (объём приведён к 0 °C и стандартному давлению), содержащих 0.15 % диоксида серы по объёму? Сколько килограммов гипса при этом получают?
3.3 Если предположить, что диоксид серы не удаляется, равномерно распределяется в содержащейся в атмосфере жидкой воде объёмом 5000 \(\mathrm{m^3}\) и полностью возвращается на землю с дождём, каким будет ожидаемое значение pH сконденсировавшейся воды?
3.4 Если для поглощения использовать раствор сульфита натрия, можно регенерировать диоксид серы и раствор сульфита. Запишите уравнения реакций с расставленными коэффициентами и укажите возможные способы увеличения степени извлечения диоксида серы из водного раствора.
Примечание:
Протолиз диоксида серы в водных растворах можно описать диссоциацией сернистой кислоты по первой ступени. Константа диссоциации \(K_{a,1}(\ce{H2SO3})=10^{-2.25}\).
Считайте газы идеальными, а температуру постоянной и равной 0 °C при стандартном давлении.
\(M(\ce{CaCO3})=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\ M(\ce{CaSO4})=172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
3.1 При поглощении образуется сульфит кальция, который окисляется и выделяется в виде гипса. Суммарные уравнения имеют вид \[ \ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2} \] \[ \ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}. \]
-
3.2 Расход карбоната кальция: приблизительно \(1.53\times10^3\ \mathrm{kg}\) в сутки. Выход гипса: приблизительно \(2.63\times10^3\ \mathrm{kg}\) в сутки.
-
3.3 Для неочищенных выбросов за один час \(\mathrm{pH}\approx3.88\).
-
3.4 \[ \ce{Na2SO3 + SO2 + H2O <=> 2NaHSO3}. \] Поглощение протекает вправо; регенерация — влево. Нагревание и понижение парциального давления диоксида серы способствуют его извлечению. Подкисление также приводит к выделению диоксида серы, но для восстановления поглотителя требуется последующая нейтрализация.
Решение
Используемые ниже химические вещества и ионы имеют следующие названия и записи SMILES. Для солей несвязанные компоненты SMILES задают состав; они не описывают кристаллическую решётку или координацию воды в гипсе. Сернистая кислота — это формальная частица в водном растворе, используемая в принятой в задаче модели диссоциации.
| Вещество или ион | Название | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{SO2}\) | Диоксид серы | O=S=O |
| \(\ce{H2O}\) | Вода | O |
| \(\ce{H2SO3}\) | Сернистая кислота | OS(=O)O |
| \(\ce{CaCO3}\) | Карбонат кальция | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Ca(OH)2}\) | Гидроксид кальция | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{CaSO3}\) | Сульфит кальция | [Ca+2].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\) | Диоксид углерода | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Кислород | O=O |
| \(\ce{CaSO4}\) | Сульфат кальция | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{CaSO4.2H2O}\) | Гипс; дигидрат сульфата кальция | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-].O.O |
| \(\ce{H3O+}\) | Ион гидроксония | [OH3+] |
| \(\ce{HSO3^-}\) | Гидросульфит-ион; бисульфит-ион | OS(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO3}\) | Сульфит натрия | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{NaHSO3}\) | Гидросульфит натрия; бисульфит натрия | [Na+].OS(=O)[O-] |
3.1 — Поглощение и образование гипса
Растворённый диоксид серы проявляет кислотные свойства, что формально описывается уравнением \[ \ce{SO2(aq) + H2O(l) <=> H2SO3(aq)}. \]
При нейтрализации карбонатом кальция выделяется диоксид углерода: \[ \ce{CaCO3 + H2SO3 -> CaSO3 + CO2 + H2O}. \] Суммирование этого уравнения с формальной стадией гидратации даёт \[ \ce{CaCO3 + SO2 -> CaSO3 + CO2}. \]
Нейтрализация гидроксидом кальция описывается уравнением \[ \ce{Ca(OH)2 + H2SO3 -> CaSO3 + 2H2O}, \] или, после суммирования со стадией гидратации, \[ \ce{Ca(OH)2 + SO2 -> CaSO3 + H2O}. \]
Кислород дымовых газов или подаваемого воздуха окисляет сульфит кальция до сульфата кальция: \[ \ce{2CaSO3 + O2 -> 2CaSO4}. \] Степень окисления серы повышается от \(+4\) до \(+6\). Выделяемое твёрдое вещество, содержащее кристаллизационную воду, представляет собой гипс: \[ \ce{CaSO4 + 2H2O -> CaSO4.2H2O}. \]
Таким образом, суммарные уравнения имеют вид \[ \boxed{\ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2}} \] и \[ \boxed{\ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}}. \]
3.2 — Суточный расход карбоната кальция и выход гипса
При \(0\,^\circ\mathrm C\) и общепринятом стандартном давлении молярный объём идеального газа равен \[ V_m\approx22.4\ \mathrm{L\,mol^{-1}} =22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}. \]
Объём диоксида серы, поступающего за час, составляет \[ \dot V_{\ce{SO2}} =(10000\ \mathrm{m^3\,h^{-1}})(0.0015) =15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}. \]
Следовательно, объём, улавливаемый за сутки, равен \[ V_{\mathrm{captured}} =(15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}) (24\ \mathrm{h\,day^{-1}})(0.95) =342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Его количество вещества составляет \[ n_{\mathrm{captured}} =\frac{342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}} {22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}} =15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}. \]
Из суммарной реакции следует, что на один моль уловленного диоксида серы расходуется один моль карбоната кальция и образуется один моль гипса. Отсюда \[ m_{\ce{CaCO3}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (100\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{1.53\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
Гипс имеет формулу \(\ce{CaSO4.2H2O}\); приведённая молярная масса \(172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) относится к этому дигидрату. Таким образом, \[ m_{\mathrm{gypsum}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (172\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{2.63\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
3.3 — pH дождевой воды
Принимая за основу расчёта неочищенные выбросы за один час, получаем, что все \(15.0\ \mathrm{m^3}\) диоксида серы поступают в воду: \[ n_{\ce{SO2}} =\frac{15.0\ \mathrm{m^3}} {22.4\times10^{-3}\ \mathrm{m^3\,mol^{-1}}} =669.6\ \mathrm{mol}. \]
Объём воды равен \[ 5000\ \mathrm{m^3}=5.000\times10^6\ \mathrm L. \] Следовательно, аналитическая концентрация растворённого диоксида серы, выраженная через сернистую кислоту, составляет \[ C=\frac{669.6\ \mathrm{mol}}{5.000\times10^6\ \mathrm L} =1.339\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Заданное равновесие диссоциации имеет вид \[ \ce{H2SO3 + H2O <=> H3O+ + HSO3^-}, \qquad K_{a,1}=10^{-2.25}=5.623\times10^{-3}. \]
Пренебрегая автоионизацией воды и учитывая только предусмотренную условием первую ступень диссоциации, положим \[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{HSO3^-}], \qquad [\ce{H2SO3}]=C-x. \]
Используя численные значения концентраций в \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\), получаем \[ K_{a,1}=\frac{x^2}{C-x}. \] Корень, имеющий физический смысл, равен \[ x=\frac{-K_{a,1}+\sqrt{K_{a,1}^{\,2}+4K_{a,1}C}}{2} =1.309\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Следовательно, \[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \right) =3.88}. \]
По первой ступени диссоциирует приблизительно \(97.7\%\) кислоты. Поэтому обычное для слабых кислот приближение \(x\ll C\) здесь неприменимо; необходимо решить квадратное уравнение.
3.4 — Обратимое поглощение раствором сульфита натрия
Сульфит натрия поглощает кислотный оксид — диоксид серы — с образованием гидросульфита натрия: \[ \boxed{\ce{Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l) <=> 2NaHSO3(aq)}}. \]
При нагревании и удалении выделяющегося газа процесс поглощения протекает в обратном направлении, и сульфит натрия регенерируется: \[ \boxed{\ce{2NaHSO3(aq) <=> Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l)}}. \]
Сера сохраняет степень окисления \(+4\), что позволяет осуществлять регенерацию в этом обратимом процессе поглощения.
Следующие изменения усиливают выделение диоксида серы:
- Повысить температуру. Нагревание снижает растворимость газа и способствует регенерации из гидросульфита натрия.
- Понизить парциальное давление диоксида серы над раствором. Работа под вакуумом или непрерывное удаление водяным паром либо инертным газом способствует десорбции и смещает равновесие регенерации в сторону продуктов.
- Подкислить раствор. Протонирование превращает гидросульфит в растворённый диоксид серы, который может выделяться из раствора: \[ \ce{HSO3^- + H3O+ -> SO2(g) + 2H2O}. \] При этом расходуется щёлочность поглотителя, поэтому перед повторным использованием сульфита натрия требуется дополнительная нейтрализация.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1989 · مسألة نظرية 3
إزالة ثاني أكسيد الكبريت من غازات مداخن محطات توليد الكهرباء
يُزال ثاني أكسيد الكبريت من الغازات العادمة لمحطات توليد الكهرباء العاملة بالفحم بغسلها بمعلقات مائية من كربونات الكالسيوم أو هيدروكسيد الكالسيوم. وتُسترد البقايا المتكوّنة.
3.1 اكتب جميع التفاعلات في صورة معادلات موزونة.
3.2 كم كيلوغرامًا من كربونات الكالسيوم يُستهلك يوميًا لإزالة 95 % من ثاني أكسيد الكبريت إذا عولجت كمية من الغاز العادم مقدارها 10000 \(\mathrm{m^3/h}\) (مصحّحة إلى 0 °C والضغط القياسي)، تحتوي على ثاني أكسيد الكبريت بنسبة حجمية قدرها 0.15 %؟ وكم كيلوغرامًا من الجبس يُسترد بذلك؟
3.3 بافتراض أن ثاني أكسيد الكبريت لا يُزال، وأنه يتوزع بالتساوي في كمية من الماء السائل في الغلاف الجوي حجمها 5000 \(\mathrm{m^3}\)، وتعود هذه الكمية بأكملها إلى الأرض على هيئة مطر، فما الأسّ الهيدروجيني المتوقع للماء المتكثّف؟
3.4 إذا استُخدم محلول كبريتيت الصوديوم للامتصاص، أمكن استرداد ثاني أكسيد الكبريت ومحلول الكبريتيت. اكتب المعادلات الموزونة، وبيّن الطرق الممكنة لزيادة استرداد ثاني أكسيد الكبريت من محلول مائي.
ملاحظة:
يمكن وصف انتقال البروتون في تفاعل ثاني أكسيد الكبريت في المحاليل المائية بالخطوة الأولى لتفكك حمض الكبريتوز. ثابت التفكك هو \(K_{a,1}(\ce{H2SO3})=10^{-2.25}\).
افترض أن الغازات مثالية، وأن درجة الحرارة ثابتة عند 0 °C والضغط قياسي.
\(M(\ce{CaCO3})=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}};\ M(\ce{CaSO4})=172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
3.1 يؤدي الامتصاص إلى تكوّن كبريتيت الكالسيوم، الذي يتأكسد ويُسترد على هيئة جبس. والمعادلتان الإجماليتان هما \[ \ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2} \] \[ \ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}. \]
-
3.2 كربونات الكالسيوم المستهلكة: نحو \(1.53\times10^3\ \mathrm{kg}\) يوميًا. الجبس المسترد: نحو \(2.63\times10^3\ \mathrm{kg}\) يوميًا.
-
3.3 لانبعاثات ساعة واحدة دون معالجة، \(\mathrm{pH}\approx3.88\).
-
3.4 \[ \ce{Na2SO3 + SO2 + H2O <=> 2NaHSO3}. \] يجري الامتصاص نحو اليمين، ويجري التجديد نحو اليسار. يعزز التسخين وخفض الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكبريت استرداده. ويؤدي التحميض أيضًا إلى تحرير ثاني أكسيد الكبريت، لكن يلزم إجراء تعادل لاحق لاستعادة المادة الماصّة.
الحل
للأنواع الكيميائية المستخدمة أدناه الأسماء وتمثيلات SMILES الآتية. في حالة الأملاح، تحدد مكونات SMILES غير المتصلة التركيب؛ ولا تصف الشبكة البلورية أو تناسق الماء في الجبس. حمض الكبريتوز هو النوع الكيميائي المائي الصوري المستخدم في نموذج التفكك الوارد في المسألة.
| النوع الكيميائي | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{SO2}\) | ثاني أكسيد الكبريت | O=S=O |
| \(\ce{H2O}\) | الماء | O |
| \(\ce{H2SO3}\) | حمض الكبريتوز | OS(=O)O |
| \(\ce{CaCO3}\) | كربونات الكالسيوم | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Ca(OH)2}\) | هيدروكسيد الكالسيوم | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{CaSO3}\) | كبريتيت الكالسيوم | [Ca+2].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\) | ثاني أكسيد الكربون | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | الأكسجين | O=O |
| \(\ce{CaSO4}\) | كبريتات الكالسيوم | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{CaSO4.2H2O}\) | الجبس؛ كبريتات الكالسيوم ثنائية الماء | [Ca+2].[O-]S(=O)(=O)[O-].O.O |
| \(\ce{H3O+}\) | أيون الهيدرونيوم | [OH3+] |
| \(\ce{HSO3^-}\) | أيون الهيدروجين كبريتيت؛ أيون البيكبريتيت | OS(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO3}\) | كبريتيت الصوديوم | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)[O-] |
| \(\ce{NaHSO3}\) | هيدروجين كبريتيت الصوديوم؛ بيكبريتيت الصوديوم | [Na+].OS(=O)[O-] |
3.1 — الامتصاص وتكوّن الجبس
يسلك ثاني أكسيد الكبريت المذاب سلوك حمض، ويُمثَّل ذلك صوريًا بالمعادلة \[ \ce{SO2(aq) + H2O(l) <=> H2SO3(aq)}. \]
يؤدي التعادل بكربونات الكالسيوم إلى تحرير ثاني أكسيد الكربون: \[ \ce{CaCO3 + H2SO3 -> CaSO3 + CO2 + H2O}. \] وبجمع هذا التفاعل مع خطوة الإماهة الصورية نحصل على \[ \ce{CaCO3 + SO2 -> CaSO3 + CO2}. \]
يعطي التعادل بهيدروكسيد الكالسيوم \[ \ce{Ca(OH)2 + H2SO3 -> CaSO3 + 2H2O}, \] أو، بعد الجمع مع الإماهة، \[ \ce{Ca(OH)2 + SO2 -> CaSO3 + H2O}. \]
يؤكسد الأكسجين الموجود في غاز المداخن أو في الهواء المزوَّد كبريتيت الكالسيوم إلى كبريتات الكالسيوم: \[ \ce{2CaSO3 + O2 -> 2CaSO4}. \] تزداد حالة أكسدة الكبريت من \(+4\) إلى \(+6\). والمادة الصلبة المميّهة المستردة هي الجبس: \[ \ce{CaSO4 + 2H2O -> CaSO4.2H2O}. \]
إذن، المعادلتان الإجماليتان هما \[ \boxed{\ce{2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O -> 2CaSO4.2H2O + 2CO2}} \] و \[ \boxed{\ce{2Ca(OH)2 + 2SO2 + O2 + 2H2O -> 2CaSO4.2H2O}}. \]
3.2 — الاستهلاك اليومي لكربونات الكالسيوم واسترداد الجبس
عند \(0\,^\circ\mathrm C\) والضغط القياسي المتعارف عليه، يكون الحجم المولي للغاز المثالي \[ V_m\approx22.4\ \mathrm{L\,mol^{-1}} =22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}. \]
حجم ثاني أكسيد الكبريت الداخل في الساعة هو \[ \dot V_{\ce{SO2}} =(10000\ \mathrm{m^3\,h^{-1}})(0.0015) =15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}. \]
وعليه، فإن الحجم المحتجز يوميًا هو \[ V_{\mathrm{captured}} =(15.0\ \mathrm{m^3\,h^{-1}}) (24\ \mathrm{h\,day^{-1}})(0.95) =342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
وكمية مادته هي \[ n_{\mathrm{captured}} =\frac{342\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}} {22.4\ \mathrm{m^3\,kmol^{-1}}} =15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}. \]
يوضح التفاعل الإجمالي أن مولًا واحدًا من ثاني أكسيد الكبريت المحتجز يستهلك مولًا واحدًا من كربونات الكالسيوم وينتج مولًا واحدًا من الجبس. ومن ثم \[ m_{\ce{CaCO3}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (100\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{1.53\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
الجبس هو \(\ce{CaSO4.2H2O}\)؛ وتنطبق الكتلة المولية المعطاة \(172\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) على هذا المركب ثنائي الماء. لذلك \[ m_{\mathrm{gypsum}} =(15.27\ \mathrm{kmol\,day^{-1}}) (172\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}) \approx\boxed{2.63\times10^3\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
3.3 — الأسّ الهيدروجيني لماء المطر
باتخاذ انبعاثات ساعة واحدة دون معالجة أساسًا للحساب، يدخل حجم ثاني أكسيد الكبريت البالغ \(15.0\ \mathrm{m^3}\) بأكمله إلى الماء: \[ n_{\ce{SO2}} =\frac{15.0\ \mathrm{m^3}} {22.4\times10^{-3}\ \mathrm{m^3\,mol^{-1}}} =669.6\ \mathrm{mol}. \]
حجم الماء هو \[ 5000\ \mathrm{m^3}=5.000\times10^6\ \mathrm L. \] وبناءً عليه، فإن التركيز التحليلي لثاني أكسيد الكبريت المذاب، معبَّرًا عنه بحمض الكبريتوز، هو \[ C=\frac{669.6\ \mathrm{mol}}{5.000\times10^6\ \mathrm L} =1.339\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
اتزان التفكك المحدد في المسألة هو \[ \ce{H2SO3 + H2O <=> H3O+ + HSO3^-}, \qquad K_{a,1}=10^{-2.25}=5.623\times10^{-3}. \]
بإهمال التأين الذاتي للماء والاقتصار على التفكك الأول المنصوص عليه، لنضع \[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{HSO3^-}], \qquad [\ce{H2SO3}]=C-x. \]
باستخدام القيم العددية للتراكيز بوحدة \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\)، \[ K_{a,1}=\frac{x^2}{C-x}. \] الجذر ذو المعنى الفيزيائي هو \[ x=\frac{-K_{a,1}+\sqrt{K_{a,1}^{\,2}+4K_{a,1}C}}{2} =1.309\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
إذن \[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \right) =3.88}. \]
تخضع نسبة تقارب \(97.7\%\) للتفكك الأول. ولذلك فإن التقريب المعتاد للحمض الضعيف \(x\ll C\) غير ملائم هنا؛ ويلزم حل المعادلة التربيعية.
3.4 — الامتصاص العكوس في كبريتيت الصوديوم
تمتص كبريتيت الصوديوم ثاني أكسيد الكبريت الحمضي لتكوّن هيدروجين كبريتيت الصوديوم: \[ \boxed{\ce{Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l) <=> 2NaHSO3(aq)}}. \]
يؤدي التسخين وإزالة الغاز المتصاعد إلى عكس الامتصاص وتجديد كبريتيت الصوديوم: \[ \boxed{\ce{2NaHSO3(aq) <=> Na2SO3(aq) + SO2(g) + H2O(l)}}. \]
يبقى الكبريت في حالة الأكسدة \(+4\)، مما يتيح الاسترداد من خلال عملية الامتصاص العكوسة هذه.
تزيد التغييرات الآتية من تحرر ثاني أكسيد الكبريت:
- رفع درجة الحرارة. يقلل التسخين ذوبانية الغاز ويعزز التجديد انطلاقًا من هيدروجين كبريتيت الصوديوم.
- خفض الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكبريت فوق المحلول. يعزز التشغيل تحت التفريغ أو الإزالة المستمرة بالبخار أو بغاز خامل عملية نزع الامتصاص، ويزيح اتزان التجديد نحو النواتج.
- تحميض المحلول. تحوّل البروتنة أيون الهيدروجين كبريتيت إلى ثاني أكسيد الكبريت المذاب، الذي يمكن أن ينطلق: \[ \ce{HSO3^- + H3O+ -> SO2(g) + 2H2O}. \] يستهلك ذلك قلوية المادة الماصّة، لذا يلزم إجراء تعادل إضافي قبل إمكان إعادة استخدام كبريتيت الصوديوم.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.