三酸化硫黄は、化学式 SO3 を持つ化合物です。通称ニッソスルファンとも呼ばれています。
三酸化硫黄は、さまざまな形で存在します。ガス状モノマー、結晶性三量体、固体ポリマーとして存在します。室温を少し下回る温度では、固体として存在します。
三酸化硫黄の性質
| 化学式 | SO3 |
| 密度 | 1.92g/cm³ |
| モル質量 | 80.066 g/mol |
| 外観 | 無色から白色の結晶性固体。無色の液体と気体 |
| 溶解性 | 水に溶ける |
| 沸点 | 45 °C (113 °F; 318 K) |
| 融点 | 16.9 °C (62.4 °F; 290.0 K) |
| におい | 蒸気は二酸化硫黄に似た刺激性があります。ただし、ミストは無臭です。 |
| 標準モルエントロピー | 256.77 JK−1mol−1 |
| 標準生成エンタルピー | −395.7 kJ/mol |
三酸化硫黄の化学反応
- 水分補給
三酸化硫黄 (SO3) は、硫酸 (H2SO4) の無水物です。したがって、水分補給に対して非常に脆弱です:
SO3 + H2O → H2SO4 (ΔHf =−200 kJ/mol)
ガス状の三酸化硫黄は、比較的乾燥した雰囲気でも激しく発煙します。これは、硫酸ミストの形成によるものです。
SO3 は吸湿性の高い化合物です。水和中に発生する熱は、SO3 と混合すると、木材や綿を発火させるのに十分です。この場合、SO3 はこれらの炭水化物自体を脱水します。
- 塩基との反応
硫酸水素ナトリウムは、三酸化硫黄と水酸化ナトリウム（塩基）との反応によって形成されます。
SO3 + NaOH → NaHSO4
二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換
SO2 が酸化されると、三酸化硫黄が生成されます。二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換は、大気中で自然に発生し、実験室での実験や、さまざまな産業用途での商業利用が可能です。
酸性雨としての大気中
二酸化硫黄は、燃料が燃焼すると大気中に放出されます。大気中の酸素の存在下で酸化を受け、SO3 を生成します。三酸化硫黄は、湿気にさらされると、「酸性雨」としても知られる希硫酸を形成します。この反応は、自然界では非常に遅いペースで発生します。
SO2 + 12O2 =SO3 (ΔH =-198.4 kJ/mol)
実験室で
三酸化硫黄は、化合物重硫酸ナトリウムの 2 段階の熱分解によって実験室で調製されます。
ステップ 1:
315 °C で重硫酸ナトリウムの脱水を開始すると、次の化学反応が起こります:
2 NaHSO4 → Na2S2O7 + H2O
中間生成物としてピロ硫酸ナトリウム (Na2S2O7) が生成されます。
ステップ 2:
ピロ硫酸ナトリウムを460℃で分解すると、次の反応が起こります。
Na2S2O7 → Na2SO4 + SO3
接触プロセスによる三酸化硫黄の工業的調製
硫酸は、接触法として知られる方法で商業的に製造されています。二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換は、このプロセスの重要なステップを形成します。次の 3 つの手順が含まれます。
ステップ1：二酸化硫黄を作る
これは、大量の空気中で硫黄を燃焼させることによって行われます。
S (硫黄) + O2 (酸素) + Δ (加熱) → SO2 (二酸化硫黄)
ステップ 2:二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換
このステップは、プロセス全体で最も重要です。このステップでは、二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換は、触媒として V2O5 の存在下で SO2 を大気中の酸素と混合して酸化し、SO3 を形成することによって行われます。
2SO2 (二酸化硫黄) + O2 (酸素) + [V2O5 (触媒)] → 2SO3 (三酸化硫黄)
(ΔH =−196 kJ/mol)
この反応は次の条件で発生します:
<オール>ステップ 3:三酸化硫黄から硫酸への変換
最後のステップでは、三酸化硫黄が濃硫酸に吸収され、ピロ硫酸または発煙硫酸が生成されます。発煙硫酸は、必要な濃度の硫酸を得るために、制御された量の水で希釈されます。
二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換に関する質問
二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換式を調べる
2SO2 + O2 + [V2O5 (触媒)] → 2SO3 (ΔH =−196 kJ/mol)
この反応が起こる条件を考えると、いくつかの疑問が生じます。
- SO2 と酸素が 1:1 の比率で混合されているのはなぜですか?反応が起こるのに半分の量の酸素しか必要としないことを式が明確に示しているのに、
ルシャトリエの原理によると、混合物中の酸素濃度を増加させると、平衡点が右にシフトします。これは、SO3 の生成を促進することを意味します。酸素は比較的自由に入手できる空気から得られるため、これは二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換を促進する安価な方法です。
- 反応は発熱性であるため、温度が低いほど反応が促進されます。では、なぜ温度を 400 ℃ 未満に下げないのでしょうか?
温度を下げると、実際に平衡が右側にシフトするのに役立ちます。しかし、化学反応速度論は、低温では反応速度が遅くなることを示しています。接触プロセスは硫酸の商業生産に使用されるため、時間も考慮すべき要素になります。したがって、400-450 oC は、SO3 のかなりの量を短期間で生成する最適な温度です。
- 生成される SO3 の分子数は式の左辺の分子数よりも少ないため、圧力を上げると反応が促進されます。ただし、大気圧付近で反応させる。なぜですか?
1 ～ 2 気圧の低圧でも、二酸化硫黄から三酸化硫黄への 99.5% の変換が得られます。したがって、圧力を上げることによって得られる増分収量は、より高い圧力を維持するために必要となるより高いコストを正当化することはできません.
結論
この記事では、三酸化硫黄とその特性について学びました。私たちは、二酸化硫黄から三酸化硫黄への変換が、大気中、制御された実験室条件、および産業用途の商業規模でどのように自然に起こるかを理解しました。上記の概念をさらに詳しく知りたい場合は、参照セクションに記載されているリンクを参照してください。
