H2SO4 98% hấp thụ SO3 tạo oleum: chiều chuyển dịch cân bằng

Trả lời nhanh

H2so4 98% hấp thụ so3. Với phản ứng 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g), Δ_rH°₂₉₈ = −198,4 kJ (tỏa nhiệt): a) tăng nhiệt độ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt); b) tăng nồng độ SO₂ và c) tăng nồng độ O₂ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận; d) dùng H₂SO₄ 98% hấp thụ SO₃ làm nồng độ SO₃ giảm nên cân bằng cũng chuyển dịch theo chiều thuận. Oleum H₂SO₄·nSO₃ sau đó được pha loãng bằng nước để ra H₂SO₄.

Đề bài (Bài 1.6, SBT Hóa học 11 – Chân trời sáng tạo)

Bài tập nằm trong Bài 1 – Khái niệm về cân bằng hóa học. Tóm tắt đề: trong sản xuất sulfuric acid, người ta dùng dung dịch H₂SO₄ 98% hấp thụ sulfur trioxide để thu được oleum H₂SO₄·nSO₃. Khí SO₃ được tạo ra khi oxi hóa SO₂ bằng oxygen (hoặc không khí dư) ở 450 – 500 °C, xúc tác V₂O₅:

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g), Δ_rH°₂₉₈ = −198,4 kJ

Hỏi cân bằng chuyển dịch theo chiều nào khi: a) tăng nhiệt độ; b) tăng nồng độ SO₂; c) tăng nồng độ O₂; d) dùng H₂SO₄ 98% hấp thụ SO₃ sinh ra. Giải thích.

Lưu ý: một số bản chép đề ghi nhầm “sulfur trioxide (SO₂)”. Chất được hấp thụ là SO₃; SO₂ là sulfur dioxide.

Lời giải chi tiết từng ý

Cả bốn ý đều dùng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: khi một hệ đang cân bằng bị tác động (thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động đó.

a) Tăng nhiệt độ của hệ

Δ_rH° < 0 nên chiều thuận tỏa nhiệt, chiều nghịch thu nhiệt. Khi nhiệt độ tăng, hệ “chống lại” bằng cách hấp thụ bớt nhiệt, tức ưu tiên chiều thu nhiệt. Vậy cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, lượng SO₃ ở trạng thái cân bằng giảm.

b) Tăng nồng độ khí SO₂

SO₂ là chất tham gia. Thêm SO₂ thì hệ sẽ tiêu thụ bớt SO₂, nghĩa là phản ứng thuận xảy ra mạnh hơn. Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

c) Tăng nồng độ khí O₂

Tương tự, O₂ cũng là chất tham gia, nên cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận để làm giảm lượng O₂ thêm vào. Đây chính là lí do nhà máy dùng không khí dư: oxygen rẻ, dùng dư giúp chuyển hóa SO₂ gần như hoàn toàn.

d) Dùng H₂SO₄ 98% hấp thụ SO₃ sinh ra

SO₃ là sản phẩm. Khi SO₃ bị hấp thụ liên tục, nồng độ SO₃ trong hệ giảm, nên cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo thêm SO₃, tức chiều thuận. Việc “lấy sản phẩm ra khỏi hệ” là cách đơn giản và hiệu quả để tăng hiệu suất.

Tác động	Hệ phản ứng để giảm tác động	Chiều chuyển dịch
Tăng nhiệt độ	Ưu tiên chiều thu nhiệt	Nghịch
Tăng [SO₂]	Tiêu thụ bớt SO₂	Thuận
Tăng [O₂]	Tiêu thụ bớt O₂	Thuận
Hấp thụ (giảm) SO₃	Tạo thêm SO₃	Thuận

Từ oleum ra H2SO4: vì sao phải qua oleum?

Nhìn phương trình SO₃ + H₂O → H₂SO₄, em có thể nghĩ chỉ cần sục SO₃ vào nước. Thực tế phản ứng này tỏa nhiệt rất mạnh, làm nước bay hơi và tạo ra sương mù acid (các hạt H₂SO₄ li ti lơ lửng), rất khó thu hồi, gây thất thoát và ô nhiễm. Vì vậy nhà máy dùng H₂SO₄ 98% để hấp thụ SO₃, tạo oleum:

Hấp thụ: H₂SO₄ + nSO₃ → H₂SO₄·nSO₃ (oleum)
Pha loãng oleum ra H₂SO₄: H₂SO₄·nSO₃ + nH₂O → (n + 1)H₂SO₄

Như vậy 1 mol oleum H₂SO₄·nSO₃ tạo ra (n + 1) mol H₂SO₄. Khối lượng mol của oleum là M = 98 + 80n (g/mol). Một số oleum thường gặp:

Oleum	M (g/mol)	%S theo khối lượng	Số mol H₂SO₄ tạo ra từ 1 mol
H₂SO₄·SO₃ (H₂S₂O₇)	178	35,96%	2
H₂SO₄·2SO₃	258	37,21%	3
H₂SO₄·3SO₃	338	37,87%	4

Quy trình sản xuất sulfuric acid và điều kiện tối ưu

Sơ đồ ba giai đoạn sản xuất sulfuric acid: đốt S hoặc FeS2 tạo SO2, oxi hóa SO2 thành SO3 với xúc tác V2O5, hấp thụ SO3 bằng H2SO4 98% tạo oleum rồi pha loãng thành H2SO4 — Hình 1. Ba giai đoạn sản xuất sulfuric acid, trong đó SO3 được hấp thụ bằng H2SO4 98% tạo oleum.

Tạo SO₂: đốt sulfur S + O₂ → SO₂, hoặc đốt quặng pyrite 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂.
Oxi hóa SO₂ thành SO₃ trong tháp tiếp xúc: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃, xúc tác V₂O₅, 450 – 500 °C.
Hấp thụ SO₃ bằng H₂SO₄ 98% thành oleum, rồi pha loãng oleum bằng lượng nước tính toán để được acid có nồng độ mong muốn.

Vì sao chọn các điều kiện này?

Nhiệt độ 450 – 500 °C là mức dung hòa. Theo ý a, nhiệt độ thấp có lợi cho hiệu suất nhưng phản ứng lại quá chậm và xúc tác không hoạt động tốt. Nhiệt độ cao làm phản ứng nhanh nhưng cân bằng lệch về chiều nghịch. Khoảng 450 – 500 °C cho tốc độ đủ lớn mà hiệu suất vẫn cao.
Xúc tác V₂O₅ không làm chuyển dịch cân bằng. Chất xúc tác tăng tốc độ cả chiều thuận lẫn chiều nghịch như nhau, chỉ giúp hệ đạt cân bằng nhanh hơn.
Áp suất: chiều thuận làm giảm số mol khí (3 mol → 2 mol), nên tăng áp suất có lợi. Tuy vậy hiệu suất chuyển hóa ở áp suất gần khí quyển đã rất cao, nên các nhà máy thường chỉ dùng áp suất hơi cao hơn áp suất thường để tiết kiệm chi phí thiết bị.
Không khí dư và hấp thụ SO₃ liên tục đều đẩy cân bằng sang phải như đã giải thích ở ý c và d.

Bài tập vận dụng về cân bằng và oleum có lời giải

Bài 1. Một oleum có công thức H₂SO₄·nSO₃ chứa 37,21% sulfur về khối lượng. Tìm n.

Lời giải: %S = 32(n + 1) : (98 + 80n) = 0,3721. Giải ra 32n + 32 = 36,47 + 29,77n, nên 2,23n ≈ 4,47 và n ≈ 2. Công thức oleum là H₂SO₄·2SO₃.

Bài 2. Hòa tan 25,8 g oleum H₂SO₄·2SO₃ vào nước được dung dịch X. Tính số mol NaOH cần để trung hòa hết X.

Lời giải: n_oleum = 25,8 : 258 = 0,1 mol. Pha loãng: H₂SO₄·2SO₃ + 2H₂O → 3H₂SO₄, nên n_H2SO4 = 0,3 mol. Phản ứng H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O cần n_NaOH = 0,6 mol.

Bài 3. Hòa tan 33,8 g oleum H₂SO₄·3SO₃ vào nước, thu được 200 g dung dịch. Tính nồng độ phần trăm của H₂SO₄.

Lời giải: n_oleum = 33,8 : 338 = 0,1 mol → n_H2SO4 = 0,4 mol → m = 39,2 g. C% = 39,2 : 200 · 100% = 19,6%.

Bài 4. Cần thêm bao nhiêu gam oleum H₂SO₄·3SO₃ vào 100 g dung dịch H₂SO₄ 10% để được dung dịch H₂SO₄ 20%?

Lời giải: Gọi x là số mol oleum; mỗi mol tạo 4 mol H₂SO₄ (392 g). Ta có (10 + 392x) : (100 + 338x) = 0,2, suy ra 10 + 392x = 20 + 67,6x, nên x = 10 : 324,4 ≈ 0,0308 mol. Khối lượng oleum ≈ 0,0308 · 338 ≈ 10,42 g.

Bài 5. Trong bình kín, nồng độ ban đầu của SO₂ và O₂ lần lượt là 2 M và 1 M (giả thiết minh họa). Khi cân bằng, 80% SO₂ đã phản ứng. Tính hằng số cân bằng K_C.

Lời giải: SO₂ phản ứng 1,6 M, O₂ phản ứng 0,8 M, SO₃ tạo thành 1,6 M. Tại cân bằng: [SO₂] = 0,4 M; [O₂] = 0,2 M; [SO₃] = 1,6 M. K_C = [SO₃]² : ([SO₂]²·[O₂]) = 2,56 : (0,16 · 0,2) = 80.

Những lỗi thường gặp

Cho rằng tăng nhiệt độ luôn làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận vì “phản ứng nhanh hơn”. Tốc độ và chiều chuyển dịch là hai chuyện khác nhau: với phản ứng tỏa nhiệt, tăng nhiệt độ làm cân bằng lệch về chiều nghịch.
Nghĩ rằng chất xúc tác V₂O₅ làm tăng hiệu suất SO₃. Xúc tác chỉ rút ngắn thời gian đạt cân bằng.
Viết sai phương trình pha loãng oleum: phải là H₂SO₄·nSO₃ + nH₂O → (n + 1)H₂SO₄, không phải n mol H₂SO₄.
Khi pha loãng acid đặc hoặc oleum trong phòng thí nghiệm, luôn rót từ từ acid vào nước (không làm ngược lại) và đeo kính, găng tay bảo hộ.

Câu hỏi thường gặp

Oleum là gì?

Oleum là dung dịch SO3 tan trong H2SO4 đặc, có công thức chung H2SO4·nSO3. Oleum thu được khi dùng H2SO4 98% hấp thụ SO3 trong sản xuất sulfuric acid.

Pha oleum ra H2SO4 theo phương trình nào?

H2SO4·nSO3 + nH2O → (n + 1)H2SO4. Ví dụ 1 mol H2SO4·3SO3 cho 4 mol H2SO4.

Vì sao không dùng nước để hấp thụ SO3?

SO3 tác dụng với nước tỏa rất nhiều nhiệt, tạo sương mù acid khó thu hồi, gây thất thoát và ô nhiễm, nên người ta dùng H2SO4 98%.

Chất xúc tác V2O5 có làm cân bằng chuyển dịch không?

Không. V2O5 làm tăng tốc độ cả hai chiều như nhau, chỉ giúp hệ nhanh đạt trạng thái cân bằng.

Tăng áp suất thì cân bằng 2SO2 + O2 ⇌ 2SO3 chuyển dịch theo chiều nào?

Theo chiều thuận, vì chiều thuận làm giảm số mol khí từ 3 xuống 2.