Procédé des chambres de plomb
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(A, B) fours à rôtir pour pyrite,
(C) four à salpêtre avec 2 bols pour acide sulfurique et salpêtre pour libérer les gaz nitreux,
(D) tour « Glover »,
(E,F,G) chambres à plomb,
(H) la tour « Gay-Lussac »[1].
(I, K) chaudière à vapeur,
(L) pompe à air comprimé,
(M) récipient sous pression,
(N) récipient pour acide « Glover »,
(O) refroidisseur à tube[2].
Le procédé des chambres de plomb a été la première méthode industrielle de production d'acide sulfurique en grande quantité. Ce procédé a été mis au point au milieu du XVIIIe siècle en Angleterre et a été le principal mode de fabrication de l'acide sulfurique pendant deux siècles[3]. Il a été remplacé par le procédé contact, plus efficace et moins polluant.
Le principe consiste à oxyder le dioxyde de soufre par un oxydant plus fort que le dioxygène, en l’occurrence des oxydes d'azote.
Pour fabriquer de l'acide sulfurique, il faut du trioxyde de soufre SO3 que l'on mélange à de l'eau pour faire un oléum, c'est-à-dire de l'acide sulfurique concentrée saturée en SO3. Le point de départ est en général du soufre élémentaire ou plus rarement un composé soufré, on peut opérer la combustion de ce soufre avec du dioxygène. Mais comme la réaction de combustion se fait à haute température, on obtient du dioxyde de soufre SO2, molécule stable à haute température.
Il faut oxyder le dioxyde de soufre en trioxyde de soufre, si on utilise le dioxygène :
- (R1) SO2 + 0,5 O2 SO3.
Cette réaction n'est pas favorable dans le sens direct à haute température, mais si on reste à basse température, la vitesse de réaction devient tellement lente qu'elle n'est plus réalisable industriellement.
Le principe du procédé des chambres de plomb était d'utiliser un oxydant plus fort que le dioxygène, comme par exemple NO2 :
- (R2) SO2 + NO2 SO3 + NO.
La clé du procédé est que NO peut être séparé et recyclé puisqu'il s'oxyde spontanément en NO2 à température ambiante. Cette réactivité particulière de NO est liée au fait que c'est un radical.
- (R3) NO + 0,5 O2 → NO2
On constate que le bilan des deux réactions (R2) et (R3) correspond à la réaction (R1) et que le dioxyde d'azote est recyclé. Le mécanisme correspondant aux réactions (R2) et (R3) est dû à Berzelius.
La chimie réelle du procédé est en fait plus complexe. Le chimiste allemand Georg Lunde propose le mécanisme suivant en se basant sur le fait que NO et NO2 sont présents dans le réacteur :
- (R4) NO + NO2 → N2O3
- (R5) SO2 + H2O + N2O3 + O2 → 2 (NO)HSO4
- (R6) 2 (NO)HSO4 + H2O → H2SO4 + N2O3.
L'étape clé est la formation de l'acide nitrosylsulfurique ((NO)HSO4). D'autres réactions sont possibles mettant en jeu les différents oxydes d'azote.
