Procédé des chambres de plomb
# Procédé des chambres de plomb

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. 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.

## Principe

Pour fabriquer de l'acide sulfurique, il faut du trioxyde de soufre $SO_3$ que l'on mélange à de l'eau pour faire un oléum, c'est-à-dire de l'acide sulfurique concentrée saturée en $SO_3.$ 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 $SO_2,$ molécule stable à haute température.

Il faut oxyder le dioxyde de soufre en trioxyde de soufre, si on utilise le dioxygène :

    (R1) $SO_2$ + 0,5 $O_2$ $\rightleftharpoons$ $SO_3.$

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 $NO_2$ :

    (R2) $SO_2$ + $NO_2$ $\rightleftharpoons$ $SO_3$ + NO.

La clé du procédé est que NO peut être séparé et recyclé puisqu'il s'oxyde spontanément en $NO_2$ à température ambiante. Cette réactivité particulière de NO est liée au fait que c'est un radical.

    (R3) NO + 0,5 $O_2$ → $NO_2$

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 $NO_2$ sont présents dans le réacteur :

    (R4) NO + $NO_2$ → $N_2O_3$
    (R5) $SO_2$ + $H_2O$ + $N_2O_3$ + $O_2$ → 2 $(NO)HSO_4$
    (R6) 2 $(NO)HSO_4$ + $H_2O$ → $H_2SO_4$ + $N_2O_3.$

L'étape clé est la formation de l'acide nitrosylsulfurique $((NO)HSO_4).$ D'autres réactions sont possibles mettant en jeu les différents oxydes d'azote.

## Mise en œuvre

Le procédé a connu de très nombreuses évolutions durant les deux siècles où il a été exploité. Il a été initialement développé par John Roebuck en 1746 à Birmingham (Grande-Bretagne). Le nom du procédé vient du fait qu'il a remplacé les bouteilles en verre utilisées jusque-là par des chambres en bois qui avaient une paroi intérieure en plomb pour être étanches et résistances aux acides. La demande en acide sulfurique augmentait très rapidement et il devenait impossible de concevoir des réacteurs en verre suffisamment grands pour répondre à cette demande.

On injectait $SO_2,$ $NO_2$ et de la vapeur d'eau dans le réacteur, et on pulvérisait sur ce mélange de l'eau et de l'acide sulfurique à 65 %. $SO_2$ et $NO_2$ passaient en solution aqueuse et l'oxydation de $SO_2$ selon la réaction (R2) était observée au bout de trente minutes. Le monoxyde d'azote formé est très peu soluble dans l'eau, il passait dans la phase gazeuse ou il était ré-oxydé en $NO_2$ selon la réaction (R3). On avait une boucle de recyclage du NO, l'ajout d'eau et de $SO_3$ permettait de produire de l'acide sulfurique.

Le dioxyde de soufre venait de la combustion de soufre ou du grillage de pyrite, il était très chaud et devait être refroidi pour être transformé en $SO_3.$ Les oxydes d'azote étaient produits par attaque acide de nitrate de sodium ; après la Première Guerre mondiale, ce procédé fut remplacé par l'oxydation d'ammoniac.

Un inconvénient majeur de ce procédé était qu'une partie des oxydes d'azote était perdue avec le gaz en sortie de procédé. En 1827, Gay-Lussac conçoit une tour d'absorption des oxydes d'azote par l'acide sulfurique. Dans cette tour, NO, $NO_2$ et $N_2O_3$ réagissent avec l'acide sulfurique pour former de l'acide nitrosylsulfurique. Ceci permettait de limiter les pertes en oxyde d'azote. Il a cependant fallu attendre 1859 et l'introduction de la tour Glover, du nom de son inventeur, pour que la tour Gay-Lussac montre son efficacité. Le principe de la tour Glover est de récupérer l'acide nitrosylsulfurique liquide et de l'utiliser pour refroidir le flux gazeux chaud de $SO_2.$ Cette tour a quatre actions :

* le flux gazeux chaud de $SO_2$ est refroidi, ce qui est nécessaire pour pouvoir se transformer en $SO_3$ ;
* lors de ce refroidissement, de la vapeur d'eau, nécessaire pour la réaction (R5), est produite ;
* l'évaporation de l'eau permet d'obtenir de l'acide sulfurique plus concentré ;
* lors de cette concentration, les oxydes d'azote absorbés sous forme de $(NO)HSO_4$ sont libérés et $H_2SO_4$ est produit.
