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    古代的化學

    不過,瓦德制造硫酸的設備和操作方法很快被另一位英國人羅布克(roebu1718—1794)創造的鉛室法取代。

    羅布克是一位醫學博士、醫生,1764年當選為英國皇家學會會員。他在18世紀4o年代里居住在英國工業城市伯明翰(birmingham),私人開業行醫,并創建鐵工場,還經營從珠寶飾件廢料中回收金、銀業務。1746年和他的合作人加貝特(garbett,samue11717~18o5)在回收金、銀中需要硫酸溶解雜質,從化學教科書中了解到鉛能抵抗硫酸的腐蝕,于是用木料做成框架,用鉛板作為墻壁,造成每邊6英尺(英國長度單位,1英尺=o.3o48m)的立方形鉛室。操作時將硫黃和硝石放置在一鐵勺中,點燃后放進鉛室內一鐵盤中,使產生的硫的氧化物氣體被預先噴灑在鉛室內壁的水吸收,形成硫酸,并不斷添加硫黃和硝石,大約每隔4個星期取出一次酸,再放進玻璃容器中加熱濃縮。

    到1749年,羅布克在蘇格蘭普雷斯頓潘(prestonpans)創建“普雷斯頓潘硫酸公司”(prestonpansvitrio1co.),建造了更大更多的鉛室,雇用了5o位工人,分日夜班操作,使硫酸的產量從成磅到成噸,不僅供英國使用,而且遠銷到歐洲大6。

    羅布克也為了保守生產技術的秘密,在他的工場四周建造了高墻,要求每個工人宣誓保密。但是在金錢的誘惑下,沖垮了高墻,廢棄了宣誓。波德利(bed1ey)的一位富有的化學品制造商人斯基()買通了一位工人,得知鉛室的構造和操作過程,建造了每邊長1o英尺立方形的鉛室制造硫酸。接著,在倫敦或其它一些地方以及法國一些地方也相繼建造起鉛室。鉛室建造得越來越大,數量越來越多。18o5年,英國布恩特島(burntis1and)上一家硫酸制造場建有36o個鉛室,每個鉛室體積達192立方英尺。法國蒙特利埃(montpe11ier)大學化學教授、富有的工業家夏普塔爾(ec1aude1756~1832)提出最大的鉛室以每邊25英尺和高15英尺為宜,但是他曾建了一個8o英尺長、4o英尺寬和5o英尺高的大鉛室,在使用了18個月后倒塌了。

    為降低硫酸生產成本,一些制造廠家逐漸用黃鐵礦或黃銅礦和其它含硫礦物代替硫黃。一些廠家在生產設備方面也在不斷改進,例如采用噴水蒸氣進入鉛室,代替向鉛室內壁噴灑水,另置燃燒硫黃或其它含硫礦物的爐子,而不是在鉛室內燃燒。這樣,使硫酸生產逐漸由間歇式轉向連續式,使硫酸產量大增。到1878年,歐洲硫酸的年產量已達數百萬噸。

    一段時期里硫酸制造者們認為制造硫酸過程中燃燒硫黃時添加硝石的目的是產生氧氣,以氧化二氧化硫為三氧化硫,因而不再向鉛室供應空氣。18o6年法國德索梅(desorard1777~1862)和克萊門(ico1as1779~1841)翁婿兩位化學家觀察到,將二氧化硫與二氧化氮的混合氣體通入鉛室中形成白色晶體,將此白色晶體用水處理,形成硫酸并重新放出一氧化氮氣體,因而確定二氧化硫在鉛室中并非直接被氧氣氧化,而是與氮的氧化物形成中間產物,形成硫酸的整個過程是一個循環過程。這引起不少化學家們的研究,經過多人多次研究確定,鉛室中二氧化硫和一氧化氮、氧氣以及水形成亞硝基硫酸(onoso2h),亞硝基硫酸再與水反應,形成硫酸并釋放出氮的氧化物,可以用下列化學方程式表示:

    2no+o2→2no2

    2so2+3no2+h2o→2onoso2oh+no

    2onoso2oh+h2o→2h2so4+no+no2

    也就是說氧化氮實際上是氧氣氧化so2為so3的催化劑。

    于是在鉛室法制硫酸中減少了昂貴的硝石用量,增加供應空氣的量,使成本再次降低。到2o世紀初,硝石基本上不再使用,而使用氨,因為氨在鉑等催化劑存在下,能同空氣中氧氣作用,生成氮的氧化物。這個反應是:

    4nh3+5o2→4no+6h2o

    由于氮的氧化物可以反復使用,于是出現如何回收這些氮的氧化物問題。法國著名化學家蓋呂薩克(gay-lussac,josephlouis1778~185o)在1827年提出在鉛室后設置一塔,塔內充填焦炭,將鉛室中釋放的氣體從塔底通入,上升后遇到從鉛室中通入塔頂而下淋的硫酸,被溶解吸收。但是氮的氧化物卻不能完全被吸收,因為一氧化氮不易溶解在硫酸中,也不起化學反應,而二氧化氮不易溶于濃硫酸,只溶于較稀的硫酸中。要使氮的氧化物再重新釋放出來,使它們再回到鉛室被利用,最初只是用水稀釋這種吸收氮的氧化物的酸,這將使生成的硫酸被稀釋,再濃縮是不經濟的。因此蓋呂薩克設計的塔遲遲未投入實際應用。這個塔后來被命名為蓋呂薩克塔。

    1859年,英國一位管道工人格洛弗(g1over,john1817~19o2)提出在燃燒硫黃的爐子和鉛室之間設置一塔,使高溫二氧化硫氣體向上流,遇到塔頂從蓋呂薩克塔送來的含氮硫酸,使其中氮的氧化物受熱釋放出來,進入鉛室。這樣不僅充分回收了氮的氧化物,也使在蓋呂薩克塔中被吸收的氮的氧化物又重新釋放出來。這個塔后來被命名為格洛弗塔,很快用于實際生產中,一位普通的工人完善了一位著名化學家的設計,在硫酸制造中同享盛名。

    此后硫酸制造者們又對鉛室進行一系列改進。

    鉛室不再是立方形的了,因為立方形會形成角,物料在這些角落中可能停滯不動,氣流的流動度很慢,氣相和微小霧滴的液相反復接觸效率很差,于是逐漸改造成圓筒形或截頭圓錐形,使外形變成了塔形。

    鉛室不再是空空的了,而是填滿了瓷珠。這樣可以加大反應物的接確面。

    框架不再是木材了,而是鋼鐵,甚至鉛板也被鐵和鋼代替,它們和鉛一樣可以耐硫酸腐蝕,再加上用耐酸磚或正長石砌成襯里,更加強了耐腐蝕性能。

    這樣鉛室法變成了塔式法,不過硫酸制造的化學原理還是一樣的。

    接觸法制造硫酸的化學原理卻不同。接觸法也就是觸媒法或催化法,是從1831年開始。這一年英國英格蘭西南部港口城市布里斯托爾(bristo1)的一位制醋商菲列普(phi11ips,peregrine)向政府提交一份專利申請,項目是“節省硝石和礬鉛室的成本”,內容是利用鉑粉作催化劑,使二氧化硫直接被氧氣氧化成三氧化硫,然后使三氧化硫溶于水形成硫酸。但是這種方法一時沒有立即投入實際生產,因為鉑粉很快受二氧化硫中夾帶的雜質而失效。直到1875年,一位出生在德國和長期居住在英國的化學家麥塞爾(messe1,rudo1ph1848—192o)提出先凈化二氧化硫和氧氣,可以使鉑粉在一定期限內保持有效,使二氧化硫和氧氣在鉑石棉催化下制成so3,并以普通硫酸吸收而制成煙硫酸。1881年英國硫酸制造商斯奎爾(squire.s.)申請這一方法的專利,并建廠生產。麥塞爾參與了工作。

    現元素鍺的德國化學家溫克勒(ink1er,der1838~19o4)在1875年間也曾進行過so2在鉑存在下和氧氣化合成so3的實驗。

    但是鉑的價值昂貴和易中毒,促使硫酸制造者們和化學家們尋找更便宜的催化劑。到本世紀2o年代,出現了釩的氧化物、氧化鐵等催化劑。現代接觸法硫酸制造中幾乎都使用釩催化劑了。

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