接触式硫酸製造法と発煙硫酸

質問

現在高校２年生で、化学の授業で接触式硫酸製造法について学びました。
三酸化硫黄を濃硫酸中の水に吸収させて発煙硫酸を作り、それを希硫酸中に加えることにより必要な濃硫酸を製造するとのことですが、いきなり水の中に三酸化硫黄はうまく溶かせないというのはわかるのですが、なぜわざわざ一度発煙硫酸にして、それから希硫酸中に加えるようにするのですか？そもそも、このときの反応というのはどのようなものなのでしょうか。
また、先生はこの際ひょっとすると発煙硫酸中のピロ硫酸が加水分解して直接硫酸ができているかもしれない（あくまで個人の推測だそうですが）といっていたのですが、もしこの反応が発生するのであれば、分子・電子の動きを教えてください。
質問の文章が乱雑で申し訳ありませんが、テストも近くてとても困っています。どうかご教授ください。

回答No.2

chem_navi · ベストアンサー

大学院で化学工学（実際の化学品製造に使う装置やプラントを設計する学問）を専攻している者です．以下，わかる範囲でお答えさせていただきます．回答(1)「なぜ発煙硫酸を経由するのか？」→三酸化硫黄は気体なので，これを液体（硫酸）に吸収させる必要がありますが，生産性を考えると，三酸化硫黄にとって一番吸収速度が大きくとれる最適な吸収液を用いる必要があります．当時の研究者や技術者がいろいろ研究した結果，98.5％程度の濃硫酸が最適な吸収液であることを発見しました．これを用いると，発煙硫酸が生成しますが，これはこれで使い道があるので，一部を回収して製品としています（もう一部は通常の硫酸製造に使う）．まとめると，(1)最適な吸収液を用いると，きまって発煙硫酸が生成するから，(2)発煙硫酸も同時に製造したいから，ということになります．尚，その後の希硫酸との混合は，規格（JIS等）によって決められている製品硫酸濃度に調整するために行われます．回答(2)「ピロ硫酸の加水分解メカニズムとは？」→発煙硫酸は，濃硫酸に三酸化硫黄をさらに溶かした液体混合物（気体ではない）の名称であり，単一の化合物ではありません．王水（濃硝酸と濃塩酸の液体混合物）と同じです．液体混合物である発煙硫酸の内訳は，ピロ硫酸（二硫酸ともいう，化学式H2S2O7），液中に遊離した三酸化硫黄，濃硫酸であり，ピロ硫酸が主成分です．辞典で調べたところ，ピロ硫酸は加水分解しやすい物質であることから，先生のおっしゃる通り，希硫酸中の水により硫酸が直接生成しているものと思われます．この場合の反応式は，H2S2O7 + H2O → 2H2SO4　です．ピロ硫酸は，二硫酸という別名にもある通り，２モルの硫酸分子の間から水がとれる，いわゆる，分子間脱水縮合という反応を経由して生成しているのでしょう．加水分解は，ちょうどこの反対にあたる反応です．以上，まとまりの無い説明をえんえんとしてしまいましたが，ご納得いただけましたでしょうか？それにしても，deiko-さん，よく勉強していらっしゃいますね．そうでないと中々出ない質問だと思います．テスト勉強，頑張って下さい．

お礼

発煙硫酸にするのは、その発煙硫酸自体を製品とすることを除けば、基本的には効率よく吸収させようとするときに勝手にできてしまうだけだったんですね。発煙硫酸にはどんな使い道がるのかもまた調べたいです。
先生は発煙硫酸は三酸化硫黄とピロ硫酸ができる反応の平衡状態にあるとおっしゃっていましたが、そもそもそのピロ硫酸自体が分子間脱水縮合からできているとは・・・頭の中で整理ができました。
とても助かりました、詳しい回答ありがとうございます。

回答No.1

noname#160321

ピロ硫酸はピロリン酸同様酸の無水物です。
ＨＯ-ＳＯ2-Ｏ-ＳＯ2-ＯＨ(ピロ硫酸) ＋ Ｈ2Ｏ → ２Ｈ2ＳＯ4

wikiによれば「硫酸と三酸化硫黄とが等モル混合している発煙硫酸（およそ45%w/w）の主成分は二硫酸（ピロ硫酸）H2S2O7であることが知られている。」↓
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%99%BA%E7%85%99%E7%A1%AB%E9%85%B8

お礼

やはり、幾分かはピロ硫酸が直接硫酸へと加水分解されているんですね。
早速の回答ありがとうございました。