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大学 · 20分

接触法：硫酸の製造

工業的な連鎖 S → SO₂ → SO₃ → オレウム → H₂SO₄ をたどり、各ユニットがなぜ必要かを理解する。

目的

物質の流れを追い、接触法における精製・触媒・オレウム吸収の役割を説明する。

器具と試薬

仮想接触法プラント：硫黄原料、空気供給、V₂O₅ 触媒床、オレウム吸収塔、希釈用水。

手順

  1. 流量スライダーを遅くし、気体が通る各ユニットを名づける：S\ce{S}、SOX2\ce{SO2}、SOX3\ce{SO3}、オレウム、HX2SOX4\ce{H2SO4}。
  2. 3つの主要反応を書く：S+OX2→SOX2\ce{S + O2 -> SO2}、2 SOX2+OX2⇌VX2OX52 SOX3\ce{2SO2 + O2 <=>[V2O5] 2SO3}、HX2SOX4+SOX3→HX2SX2OX7\ce{H2SO4 + SO3 -> H2S2O7}、続いて希釈。
  3. 流量を上げ、高いスループットに大きな熱交換が必要な理由、原料の純度が触媒を守る理由を考察する。
  4. なぜ SOX3\ce{SO3} を水ではなく濃硫酸（オレウム）に吸収させるかを説明する。

観察すること

  • 発熱工程 2 SOX2+OX2⇌2 SOX3\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3} は V₂O₅ 上で約450 °C が最適——速度と平衡の妥協。
  • SOX3\ce{SO3} を水に直接吸収させると制御不能な酸霧ができる。オレウムなら穏やかに溶ける。

解説

接触法は化学産業の基幹であり、硫酸はあらゆる化学品中最大の生産量を誇る。精製は触媒毒を除き、V₂O₅ 床は SO₃ への酸化を速め、オレウムへの段階吸収は SO₃ の激しい水和を制御する。各ユニットは熱力学・速度論・安全性がそれぞれ課す制約のために存在する。

ゆかりの化学者

ヴィルヘルム・オストヴァルト

関連トピック

H₂SO₄・NH₃（ハーバー・ボッシュ法）・HNO₃・NaOHの製造反応工学・熱移動と物質移動

バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。