濃硫酸の工業的製法である「接触法」の仕組みや反応式・触媒など完全まとめ!!

はじめに

濃硫酸の工業的製法である接触法。
その仕組みや反応式・使われる触媒などについて完全に理解して覚えきっている人は以外と少ない。ここではそれらの重要事項についてキソから丁寧に解説していく。しっかり覚えて「接触法マスター」になろう!


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接触法の仕組み

STEP1 硫黄Sを含む化合物を燃焼させる
→ 二酸化硫黄SO2が生成
STEP2 STEP1で得たSO2をO2により酸化させる
→ 三酸化硫黄SO3が生成
STEP3 STEP2で得たSO3をH2Oと反応させる
→ 濃硫酸H2SO4が生成
Point!

接触法の流れは上の通り。
これから、各STEPについて順番に解説していく。

STEP1

硫黄Sを含む化合物を燃焼させ、二酸化硫黄SO2をつくる

まずは、硫黄Sを含む化合物を燃焼させることで二酸化硫黄SO2を発生させる。

\[
S + O_{2} → SO_{2}
\]

硫黄を含む化合物として昔はよく”黄鉄鉱(FeS2)”というものを用いていた。
黄鉄鉱を燃焼させたときの反応式も一応確認しておこう。

\[
4FeS_{2} + 11O_{2} → 2Fe_{2}O_{3} + 8SO_{2}
\]

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STEP2

STEP1で得たSO2を空気中のO2により酸化させる

次に、STEP1で得たSO2を空気中のO2によって酸化させる。

\[
2SO_{2} + O_{2} → 2SO_{3}
\]

この反応は活性化エネルギーが非常に高く、反応の進行が遅い。そこで、「酸化バナジウム(Ⅴ)V2O5」を触媒として用いることで、活性化エネルギーを下げて反応を起こりやすくしている。

反応式中には書く必要はないが、非常に重要なことなのでしっかり覚えておこう。

また、この反応は”可逆反応”で正反応が”発熱反応”なので、逆反応が進まないかつ正反応の反応速度が小さくならないような温度(200〜600℃)くらいで操作を行う必要がある。
頻出ではないが、余裕があるひとは触媒と併せて覚えておこう。

STEP3

STEP2で得たSO3をH2Oと反応させ、濃硫酸を得る

最後に、STEP2で得たSO3をH2Oと反応させて濃硫酸を得る。

\[
SO_{3} + H_{2}O → H_{2}SO_{4}
\]
(注)実際は、SO3を濃硫酸に加えて発煙硫酸とし、これを希硫酸に溶かして濃硫酸とする。

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接触法の反応式

上のSTEP1〜STEP3で出てきた反応式をもう一度確認した後、それらをまとめて1つの反応式にしていこう。

\[
【STEP1】4FeS_{2} + 11O_{2} → 2Fe_{2}O_{3} + 8SO_{2}\\
【STEP2】2SO_{2} + O_{2} → 2SO_{3}\\
【STEP3】SO_{3} + H_{2}O → H_{2}SO_{4}
\]

これら3つの式をまとめて…

中間生成物(一連の反応の中で生成し消えるもの)が消えるように係数を調整するんだね。

\[
4FeS_{2} + 15O_{2} + 8H_{2}O → 2Fe_{2}O_{3} + 8H_{2}SO_{4}
\]

これが接触法の全体式となる。


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