Дополнительные сведения

Серная кислота

Свойства.

Серная кислота представляет собой бесцветную вязкую жидкость, плотность 1,83 г/мл (20º). Температура плавления серной кислоты составляет 10,3ºС, температура кипения 269,2ºС.

Химические свойства серной кислоты во многом зависят от ее концентрации. В лабораториях и промышленности применяют разбавленную и концентрированную серную кислоту, хотя это деление условно (четкую границу между ними провести нельзя).

 

1. Взаимодействие с металлами.

Разбавленная серная кислота взаимодействует с некоторыми металлами, например с железом, цинком, магнием, с выделением водорода:

Fe+H2SO4 =FeSO4 +H2

Некоторые малоактивные металлы, такие как медь, серебро, золото, с разбавленной серной кислотой не реагируют.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Она окисляет многие металлы. Продуктами восстановления кислоты обычно являются оксиды серы (IV), сероводород и сера (Н2S и S образуются в реакциях кислоты с активными металлами – магнием, кальцием, натрием, калием и др.). Примеры реакций:

Cu+2H2SO4=CuSO4+SO2+2H2O

Mg+2H2SO4=MgSO4+SO2+2H2O или

4Mg+5H2SO4=4MgSO4+H2S+4H2O

Серная кислота высокой концентрации (практически безводная) не взаимодействует с железом в результате пассивации металла. Явление пассивации связано с образованием на поверхности металла прочной сплошной пленки, состоящей из оксидов или других соединений, которые препятствуют контакту металла с кислотой. Благодоря пассивации можно хранить и перевозить концентрированную серную кислоту в стальной таре. Концентрированная серная кислота пассивирует также аллюминий, никель, хром, титан.

 

2. Взаимодействие с неметаллами.

Концентрированная серная кислота может окислять неметаллы, например:

S+2H2SO4=3SO2+2H2O

Окислительные свойства концентрированной серной кислоты могут проявляться в реакциях с некоторыми сложными веществами – востановителями, например:

2KBr+2H2SO4=Br2+SO2+K2SO4+2H2O

3. Взаимодействия с основными оксидами и основаниями.

Серная кислота проявляет все типичные свойства кислот. Так, она реагирует с основными амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей. Как двухосновная кислота H2SO4 образует два типа солей: средние соли – сульфаты и кислые соли – гидросульфаты. Примеры реакций:

Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3Н2О

сульфат алюминия

2КОН+Н2SO4=K2SO4+2H2O

сульфат калия

КОН+Н2SO+=KHSO4+H2O

гидросульфат калия

Гидросульфаты образуются, когда кислота берется в избытке.

Многие соли серной кислоты выделяются из растворов в виде кристаллогидратов, например

Al2(SO4)3 18Н2О Na2SО4 10Н2О

4. Взаимодействие с солями.

С некоторыми солями серная кислота вступает в реакции обмена, например:

СаСО3+Н2SO4=CaSO4‌‌+СО2↑+Н2О

ВаСl2+H2SO4=BaSO4↓+2HCl

 

Последняя реакция является качественной на серную кислоту и ее соли: об их присутствии в растворе судят по образованию белого осадка ВаSO4, который практически не растворяется в концентрированой азотной кислоте.

 

5. Взаимодействие с водой.

При растворении в воде серная кислота активно взаимодействует с ней, образуя гидраты:

nH2O+H2SO4=H2SO4·nH2O

Благодоря способности связывать воду, серная кислота является хорошим осушителем.

Многие органические вещества, содержащие водород и кислород (бумага, древесина, ткани, сахара), при дествии серной кислоты обугливаются в результате связывания кислотой воды. Например: процесс обугливания сахара С12Н22О11 можно описать следующим уравнением:

nC12H22O11+H2SO4=12nC

6. Диссоциация кислоты.

В водных растворах серная кислота диссоциирует на ионы

В водном растворе серная кислота является очень сильной- она диссоциирована практически полностью по юбоим ступеням. Безводная серная кислота диссоциирует в незначительной степени, т.е. является слабой.

 

Производство серной кислоты.

Весь процесс можно разбить на три последовательные стадии: получение диоксида серы, окисление его до триоксида и поглощение триоксида серы.

 

1. Получение диоксида серы.

Наиболее распространенным сырьем для получения SO2 является пирит FeS2, который подвергается обжигу:

4FeS2+11O2=2FeO2+8SO2

Обжиг производят в специальной печи.В печь снизу под давлением подается воздух с такой скоростью, чтобы слой раздробленного пирита разрыхлялся, но частицы твердого вещества не уносились потоком воздуха и обжиговых газов. Такой способ обжига называется обжигом в кипящем слое, так как слой твердого вещества похож на кипящую жидкость.

В результате обжига пирита получается обжиговый газ, который, кроме диоксида серы, содержит кислород, азот, пары воды и другие примеси. Некотрые из этих примесей вредны для последующих процессов производства серной кислоты, поэтому обжиговый газ подвергается тщательной очистке от твердых частиц (пыли) и влаги. Осушение газа проводится концентрированной серной кислотой.

Иногда в качестве сырья для получения серной кислоты используют диоксид серы, содержащийся в отходящих газах других производств или полученный сжиганием серы.

 

2.Получение триоксида серы.

Вторая стадия производства серной кислоты – окисление диоксида серы кислородом воздуха до триоксида. В настоящее время этот процесс осуществляется контактныи способом: окисление производится при температуре 400- 600°С в присутствии катализаторов (платина, оксид ванадия(V) V2O5 или оксид железа(III) Fe2O3). Этот процесс экзотермический. Выделяющаяся теплота используется для подогрева обжигового газа.

 

3.Прглощение триоксида серы.

Полученный оксид серы (VI) поступает в поглотительную башню, стенки которой орошаются концентрированной серной кислотой(массовая доля H2SO4 98%). Поглощение триоксида серы водой неэффективно:образуется «туман» из мелких капелек серной кислоты, который долго концентрируется.

Конечный продукт производства – раствор SO3 в серной кислоте, называемый олеумом. Он может быть разбавлен водой до серной кислоты нужной концентрации.

 

Применение.

Серная кислота – важнейший продукт химической промышленности. Она находит примерение в производстве минеральных удобрений, волокон, пластмасс, красителей, взрывчатых веществ, в металлургии при получении меди, никеля, урана и других металлов. Используется ка осушител ь газов.

Большое практическое применение из солей серной кислоты имеют различные сульфаты. Медный и железный купоросы CuSO4· 5H2O и FeSO4 ·7H2O используются в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями растений, в производстве красок, для пропитки древесины в качестве антисептического средства. Купоросами называют кристаллогидраты сульфатов некоторых металлов (меди, железа, цинка, никеля).

Гипс CaSO4·2H2O и сульфат кальция СаSO4 используют в строительстве, медицине и других облостях. Из гипса при прокаливании получают алебастр СаSO4·0,5H2O:

CaSО4·2H2O=CaSO4·0,5H2O+1,5H2O

Алебастр, смешааный с водой, быстро затвердевает, превращаясь в гипс:

СаSO4·0,5H2O+1,5H2O=CaSO4·2H2O

Сульфат натрия N2SO4 используется в производстве стекла. Сульфат натрия входит в состав природного минерала Na2SO4·10H2O – глауберовой соли, или мирабилита. Сульфаты калия или аммония применяют как удобрения. Алюмокалиевык квасцы КАI(SO4)2·11H2O проявляют дубящие своцства, и их используют в производстве кожи, а также как протраву при крашении тканей. Сульфат бария ВаSО4 применяется в производстве бумаги, резины и белых минеральных красок.

 

Химические свойства

 

Серная кислота в концентрированном виде при нагревании — довольно сильный окислитель; окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов, углерод до CO2, серу — до SO2, окисляет многие металлы (Cu, Hg, исключение - золото и платина). При этом концентрированная серная кислота восстанавливается до SO2, например:

 

Cu + 2H_2SO_4 = CuSO_4 + 2H_2O+SO_2

 

Наиболее сильными восстановителями концентрированная серная кислота восстанавливается до S и H2S. Концентрированная серная кислота поглощает водяные пары, поэтому она применяется для сушки газов, жидкостей и твёрдых тел, например, в эксикаторах. Однако концентрированная H2SO4 частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Отщепляя воду от органических соединений и оставляя при этом чёрный углерод (уголь), концентрированная серная кислота приводит к обугливанию древесины, сахара и других веществ.

 

Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением, например[3]:

 

Fe + H_2SO_4 = FeSO_4 + H_2

 

Окислительные свойства для разбавленной H2SO4 нехарактерны. Серная кислота образует два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) H2SO5 и пероксодисерная H2S2O8 кислоты.

 

H_2SO_4 + NaOH = NaHSO_4 + H_20

 

H_2SO_4 + 2NaOH = Na_2SO_4 + 2H_2O

 

Серная кислота реагирует также с основными оксидами, образуя сульфат и воду:

 

CuO + H_2SO_4 = CuSO_4 + H_20

 

На металлообрабатывающих заводах раствор серной кислоты применяют для удаления слоя оксида металла с поверхности металлических изделий, подвергающихся в процессе изготовления сильному нагреванию. Так, оксид железа удаляется с поверхности листового железа действием нагретого раствора серной кислоты:

 

Fe_2O_3 + 3H_2SO_4 = Fe_2 (SO_4)_3 + 3H_2O

 

Качественной реакцией на серную кислоту и её растворимые соли является их взаимодействие с растворимыми солями бария, при котором образуется белый осадок сульфата бария, нерастворимый в воде и кислотах, например:

 

H_2SO_4+BaCl_2=BaSO_4+2HCl

 

 

Дополнительные сведения

Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы. Получившаяся взвесь, из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата. Например, в результате извержения вулкана Ксудач (п-ов Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже. Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году, отправивший в атмосферу 3·10^7 тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994.

 

Серная кислота
Общие
Систематическое наименование	серная кислота
Хим. формула	H2SO4
Физические свойства
Состояние	жидкость
Молярная масса	98,078 ± 0,006 г/моль
Плотность	1,8356 г/см³
Кинематическая вязкость	15,01 см²/с (при 20 °C)
Термические свойства
Т. плав.	10,38 °C
Т. кип.	279,6 °C
Удельная теплота плавления	10,73 Дж/кг