Свойства гидратов серной кислоты

Серная кислота – химические и физические свойства и реакции

Свойства гидратов серной кислоты

Одно из основных соединений в промышленности — серная кислота — имеет химическую формулу H2SO4. Её молекула состоит из четырёх атомов кислорода, двух — водорода и одного — серы.

Эта токсичная плотная маслянистая жидкость без запаха в очищенном состоянии не имеет цвета и обладает характерным «медным» привкусом. Плотность при нормальных условиях составляет 1,84 г/куб. см.

Примеси придают неочищенному продукту желтоватую или буро-жёлтую окраску.

Соединение кипит при +296 °C, плавится при температуре +10,3 °C. Его кристаллы гигроскопичны и активно отнимают воду у всего окружающего, обугливают бумагу, древесину, сахар. Теплота гидратации при растворении столь велика, что вызывает вскипание смеси и разбрызгивание.

Именно поэтому для смешения добавляют кислоту к воде, а не наоборот. Старинное название «купоросное масло» отсылает к XVIII—XIX вв. , когда серу для изготовления пороха получали разложением пирита на купоросных заводах.

И до сих пор кристаллогидраты её солей именуются купоросами.

Медикам и строителям давно известен природный гипс — кристаллогидрат сульфата кальция. Садоводы и огородники любят медный купорос — ценный помощник в борьбе с различными вредителями и болезнями растений.

Квасцы незаменимы в производстве красок и для дубления кожи.

Десятиводный кристаллогидрат сульфата натрия — «глауберова соль» — используется в химической промышленности, деревопереработке и медицине (слабительное и желчегонное средство для людей и животных).

Сульфат бария или «бариевая каша» обладает уникальной способностью взаимодействовать с рентгеновским излучением, задерживая его, и это большой плюс при исследованиях полых органов человеческого тела.

Способы промышленного производства

В качестве сырья долгое время использовался природный минерал пирит — «серный колчедан». Сегодня ему на смену пришли элементарная сера или её соединения: сероводород, соли — сульфиты и сульфаты, а также газовые отходы теплоэлектростанций, работающих на неочищенной нефти. Производство имеет ряд последовательных стадий:

  1. Получение оксида серы (II), сернистого газа, путём сжигания серосодержащего сырья или его обжига в кислороде.
  2. Очистка газообразной фазы реагентов от твёрдых примесей.
  3. Окисление до оксида серы (III). Процесс описывается уравнением: 2SO2 + O2 = 2SO3.
  4. Поглощение водой: H2O + SO3 = H2SO4.

В общем объёме минеральных кислот, которые производятся сегодня химической промышленностью, H2SO4 занимает почётное первое место. При этом она является наиболее дешёвой, технологичной и не разрушает чёрные металлы в концентрированном состоянии.

Камерный метод получения

В эпоху средневековья алхимики синтезировали купоросное масло т. н. камерным способом. Для этого использовались специальные большие, размером с целую комнату, камеры, обложенные изнутри свинцом.

Поверхности стенок в результате окисления покрывались защитным слоем сульфата свинца.

При горении в присутствии воздуха смеси, состоящей из серы и калиевой селитры, образовывался твёрдый остаток оксидов азота и солей калия и выделялся газообразный оксид серы (III).

Он поглощался водой, имевшейся в камере, и позволял получить продукт малой крепости, которая требовала дальнейшей концентрации. После открытия каталитических свойств оксидов азота, камерный метод уступил место менее трудоёмким и более эффективным технологиям производства.

Современные способы синтеза

«Едва ли найдётся другое, искусственно добываемое вещество, столь часто применяемое в технике» — эти слова гениального русского учёного Д. И. Менделеева наглядно характеризуют ценность серной кислоты. Сегодня при её производстве используются две методики окисления диоксида серы:

  • контактная, использующая твёрдые катализаторы;
  • башенная (нитрозная), где катализаторами служат газообразные оксиды азота, а окислителем выступает кислород.

При контактном способе смесь реагентов пропускается сквозь твёрдый катализатор, расположенный слоями для увеличения поверхности. Нитрозный метод подразумевает орошение сырья водой или разбавленной кислотой в башенных реакторах. Первый способ более производителен и компактен, позволяет получать продукт большей чистоты при меньших затратах и постепенно вытесняет нитрозного конкурента.

Ускорителей процесса окисления было открыто немало. Наибольший эффект проявляют платина, оксиды ванадия V2O5 и железа Fe2O3.

Но первая стоит дорого и быстро отравляется примесями мышьяка, содержащимися в газовой фазе SO2. Для поддержания каталитической активности оксида железа необходимы температуры свыше 600 °C.

Наиболее экономичным признан ванадиевый катализатор — он и применяется в производстве.

При улавливании SO3 водой выделяется много тепла, и продукт закипает с образованием аэрозоля. Поэтому используется 100% концентрированная кислота, и получается олеум, который затем разбавляется до необходимых пропорций.

Химические свойства продукта

Серная кислота занимает привилегированное положение среди наиболее сильных минеральных кислот.

Такую активность легко охарактеризовать высокой полярностью молекулярной связи водород — кислород, и, соответственно, лёгкостью её разрыва.

Это придаёт H2SO4 не только ряд общих для всех соединений её класса свойств, например, взаимодействие кислот с металлами, но и специфические качества. Среди основных химических свойств стоит отметить:

  1. Действие на индикаторы. Кислая среда водных растворов изменяет окраску фиолетового лакмуса, метилового оранжевого и универсального индикатора — они приобретают красный цвет.
  2. Реакция диссоциации. В водном растворе проявляются свойства сильного электролита, и в результате двухступенчатой диссоциации соединение распадается на два однозарядных положительных иона водорода и сульфат-ион с двойным отрицательным зарядом.
  3. Взаимодействие с металлами. Разбавленная серная кислота может реагировать с металлами, которые стоят в электрохимическом ряду активности левее водорода. При этом образуется сернокислая соль, которая называется сульфатом, и водород. Сульфаты не имеют цвета, хорошо растворимы в воде и легко кристаллизуются.
  4. Реакция нейтрализации. В результате взаимодействия с растворимыми и нерастворимыми основаниями образуется сульфатная соль и вода. Молекула H2SO4 имеет два атома водорода, поэтому кислота — двухосновная, и для полной нейтрализации требуется две молекулы основания.
  5. Взаимодействие с основными оксидами. Соединения с кислородом одно- и двухвалентных металлов (MgO, FeO, Li2O, Na2O) тоже участвуют в реакции нейтрализации. При этом образуется сульфат металла из состава оксида и вода.
  6. Обменные реакции с солями более слабых или легколетучих кислот. Происходит вытеснение и в результате образуется сульфатная соль и кислота (или выделяется летучий газ, а вода остаётся в растворе). Выпадение белого нерастворимого осадка BaSO4 — это качественная реакция на сульфат-ионы.

Специфические свойства концентрированных растворов обусловлены структурными особенностями формулы серной кислоты: в молекуле H2SO4 положительно заряженный атом серы находится в максимальной, четвёртой степени окисления. Поэтому он может только принимать электроны и сообщать соединению высокие окислительные свойства. Стоит отметить некоторые из них:

  1. Окисление большинства металлов, в т. ч. пассивных (цинк и медь). В этих реакциях водород уже не выделяется, а H2SO4 восстанавливается до сероводорода, серы или оксида серы (II). Это определяется концентрацией исходных компонентов и местом, которое занимает метал в электрохимическом ряду активности. Исключение составляют золото, железо, алюминий и платиноиды, поэтому для перевозки автомобильным и железнодорожным транспортом используют стальные цистерны.
  2. Окисление многих неметаллов. В результате реакции неметалл образует соединение с максимальным окислительным числом, а H2SO4 восстанавливается до оксида серы (IV).
  3. Окисление сложных соединений. При обработке калиевых солей галогеноводородных кислот (KBr или KI) образуется сульфатная соль и выделяется свободный галоген. Хлорид-ионы не окисляются до хлора и позволяют получать соляную кислоту реакцией обмена.
  4. Дегидратация органических веществ. Химически связанная вода легко удаляется из гидроксильных групп в присутствии концентрированной H2SO4: из этилового спирта образуется этилен. Обугливание углеводов тоже объясняется обезвоживанием.

Интересно, что в природе эта едкая кислота встречается в чистом 100%-м виде: на итальянском острове Сицилия существует уникальное Озеро смерти, к которому не приближаются даже насекомые и птицы.

В этих местах дисульфид железа из земной коры выступает сырьём для синтеза H2SO4, и продукт сочится прямо из дна! Действующие вулканы тоже вносят вклад — извергают в земную атмосферу сернокислотные выбросы, которые причиняют непоправимый вред окружающей среде и становятся причиной серьёзных климатических изменений.

Применение в народном хозяйстве

Достижения химии всегда служили научно-техническому прогрессу. Высокие окислительные способности позволили H2SO4 стать важным компонентом в ряде отраслей промышленности. Её используют:

  • добыча редких элементов (очистка урановых, иридиевых, циркониевых и осмиевых руд);
  • производство минеральных удобрений, высокомолекулярных нитей, красок и пиротехники;
  • неорганический синтез солей и кислот;
  • текстильная и кожевенная отрасли;
  • нефтехимия и металлообработка;
  • пищевая промышленность (добавка-эмульгатор E513);
  • автомобилестроение (электролит в аккумуляторах);
  • дистиллирование воды (реагент для восстановления смол в фильтрах).

Отдельно стоит упомянуть промышленный органический синтез — источник эфиров и спиртов, синтетических моющих средств и искусственных волокон. Он немыслим реакций дегидратации, гидратации, сульфирования, алкилирования.

Металлообрабатывающие заводы очищают поверхности изделий от окислов, образующихся при сильном нагревании. Но основным потребительским сегментом является изготовление минеральных удобрений (больше всего — фосфорных).

Из-за этого сернокислотные заводы рекомендуется размещать недалеко от предприятий по производству этих ценных химических продуктов.

Все приведённые положительные характеристики были бы неполными, если не вспомнить, что серная кислота и олеум — опасные, чрезвычайно агрессивные продукты.

Атмосферные кислотные аэрозоли периодически образуются в результате выбросов металлургических и химических заводов и выпадают в виде осадков.

Они поражают кожу и слизистые, что приводит к затруднению дыхания, провоцирует кашель и бронхолёгочные заболевания с отёками гортани.

При попадании на кожные покровы возникают химические ожоги, их тяжесть напрямую зависит от концентрации и площади контакта.

При проглатывании появляются резкие боли во рту и пищеводе, затем начинается рвота, кашель, затрудняется дыхание и ослабляется сердечная деятельность, а смертельной считается доза 5 мг.

Первая помощь при отравлении парами заключается в обеспечении притока свежего воздуха и промывании слизистых содовым раствором. При растекании по коже поражённое место обильно орошают водой, а проглатывание требует промывания желудка и приёма известковой воды.

Источник: https://nauka.club/khimiya/sernaya-kislota.html

Серная кислота

Свойства гидратов серной кислоты

Молекулярная формула серной кислоты H2SO4.

Валентность серы в серной кислоте такая же, как в серном ангидриде, т. е. равна шести.

Физические свойства серной кислоты

Серная кислота – бесцветная жидкость, тяжелая (почти вдвое тяжелее воды) и вязкая, как растительное масло. При обычных температурах она нелетуча и поэтому не имеет запаха. При растворении серной кислоты в воде происходит очень

сильное разогревание за счет образования прочных гидратов серной кислоты. Если вливать воду в серную кислоту, то часть воды, не успев смешаться с кислотой, сразу нагревается до кипения. Это вызывает разбрызгивание кислоты и может причинить ожоги.

Если открытый стакан с концентрированной серной кислотой уравновесить на весах, то вскоре чашка со стаканом опустится. Это произойдет потому, что концентрированная серная кислота поглощает из воздуха водяные пары. Поэтому ее применяют для высушивания веществ.

В лаборатории для высушивания твердых и жидких веществ пользуются эксикаторами. Эксикатор – сосуд с хорошо притертой крышкой. В него наливают концентрированную серную кислоту, а над ней помещают в чашке или тигле высушиваемое вещество. Влага из него постепенно испаряется и поглощается серной кислотой.

Газы осушают, пропуская их через промывные склянки с концентрированной серной кислотой. При попадании на кожу концентрированная серная кислота вызывает сильные ожоги. Поэтому нужно быть крайне осторожным при работе с ней.

Попавшую на кожу или ткань серную кислоту необходимо тотчас же смыть большим количеством воды, а затем раствором питьевой соды и вновь водой.

Химические свойства серной кислоты

Будучи двухосновной, серная кислота при взаимодействии с основаниями образует как средние, так и кислые соли в зависимости от количественного соотношения реагирующих веществ:

H2SO4 + NaOH = NaHSO4 + H2O

H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O

Как видно из уравнений, кислая соль получается, когда с каждой грамм–молекулой кислоты в реакцию вступает 1 моль едкого натра, а средняя, когда в реакцию вступают 2 моля едкого натра.

Средние соли серной кислоты называются сульфатами, а кислые – бисульфатами (или гидросульфатами): NaSO4 – сернокислый натрий, или сульфат натрия, NaHSO4 – кислый сернокислый натрий, или бисульфат (гидросульфат) натрия.

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

CuO + H2SO4 = CuSO4 + Н2O

Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами с выделением водорода и образованием соли. Так она взаимодействует лишь с теми металлами, которые расположены в электрохимическом ряду напряжений до водорода. Например:

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2?

На металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений после водорода (медь, ртуть, серебро, золото), разбавленная серная кислота не действует.

Рассмотренные реакции являются общими у серной кислоты с другими кислотами. Но наряду с этим серная кислота обладает также свойствами, отличающими ее от других кислот. Концентрированная серная кислота при нагревании действует почти на все металлы, независимо от положения металла в электрохимическом ряду напряжений.

При этом также образуется соль, однако водород не выделяется, а получаются другие продукты, например сернистый газ.

Так, при нагревании концентрированной серной кислоты с медью сначала серная кислота окисляет медь до окиси меди, а сама восстанавливается при этом до сернистой кислоты, которая тотчас же разлагается на сернистый газ и воду:

Cu + H2SO4 = CuO + H2SO3 (SO2? и H2O)

Образовавшаяся окись меди реагирует с избытком серной кислоты, образуя соль и воду:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

Таким образом, в этой реакции окись меди является промежуточным веществом. Сложив уравнения 1 и 2, вы получаете итоговое уравнение реакции, в которое не входят формулы промежуточных продуктов, а только исходных и конечных веществ:

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2?

Подобным же образом серная кислота действует на многие другие металлы. Но концентрированная серная кислота, в отличие от разбавленной, при обычной температуре не действует на железо.

Поэтому концентрированную серную кислоту можно сохранять и перевозить в стальной таре.

Таким образом, концентрированная и разбавленная серная кислота ведет себя по отношению к металлам так, как если бы это были два разных вещества.

Кусок дерева, опущенный в концентрированную серную кислоту, чернеет: оно обугливается. Обугливание происходит также при действии концентрированной серной кислоты на сахар и некоторые другие органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода .

Это происходит потому, что серная кислота отщепляет от таких веществ водород и кислород в виде воды, а углерод освобождается в виде угля. Так, если истолченный сахар смешать с концентрированной серной кислотой в стакане в кашицеобразную массу, через некоторое время масса чернеет и разогревается, и вскоре из стакана начнет выползать пористая угольная масса:

C12H22O11 + H2SO4 C + гидраты H2SO4

Обугливание органических веществ концентрированной серной кислотой происходит за счет образования прочных гидратов серной кислоты.

Как нелетучая и стойкая, концентрированная серная кислота может вытеснять другие летучие кислоты при нагревании c их солями. Так, при нагревании поваренной соли c концентрированной серной кислотой образуется и улетучивается хлористый водород и остается сернокислый натрий:

NaCl + H2SO4 = HCl? + NaHSO4

2NaCl + H2SO4 = 2HCl? + Na2SO4

Реакция на серную кислоту и сульфаты

Соли серной кислоты растворимы в воде, за исключением сернокислого бария BaSO4 (а также SrSO4, RaSO4, PbSO4). Если прилить к раствору серной кислоты или какой–либо ее соли раствор хлористого бария BaCl2, то выпадает белый осадок сульфата бария:

H2SO4 + BaCl2 = BaSO4? + 2HCl

Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4? + 2NaCl

Сульфат бария BaSO4 нерастворим ни в воде, ни в кислотах. Этим он отличается от других нерастворимых в воде солей бария, как например BaSO4, которые растворяются в кислотах с образованием растворимых соединений.

Соль бария является реактивом на серную кислоту и ее растворимые соли.

Если при приливании раствора соли бария к какому–либо раствору выпадает белый осадок и этот осадок не растворяется после добавки раствора' азотной кислоты, то можно утверждать, что в исследуемом растворе содержится серная кислота или какая–либо ее соль.

Источник: http://scibio.ru/himiya/neorg_himiya/sernaya_kislota.html

Получение серной кислоты

Основная статья: Производство серной кислоты

В промышленности серную кислоту получают окислением диоксида серы (сернистый газ, образующийся в процессе сжигания серы или серного колчедана) до триоксида (серного ангидрида) с последующим взаимодействием SO3 с водой. Получаемую данным способом серную кислоту также называют контактной (концентрация 92-94 %).

2SO2 + O2 = 2SO3H2O + SO3 = H2SO4

Нитрозный (башенный) способ

Раньше серную кислоту получали исключительно нитрозным методом в специальных башнях, а кислоту называли башенной (концентрация 75 %). Сущность этого метода заключается в окислении диоксида серы диоксидом азота в присутствии воды. Именно таким способом произошла реакция в воздухе Лондона во время Великого смога.

SO2 + NO2 + H2O = H2SO4 + NO ↑

Другой способ

В тех редких случаях, когда сероводород (H2S) вытесняет сульфат(SO4-) из соли (с металлами Cu,Ag,Pb,Hg) побочным продуктом является серная кислота

H2S + CuSO4 = CuS + H2SO4

Сульфиды данных металлов обладают высочайшей прочностью, а также отличительным чёрным окрасом,

но могут быть окислены до сульфатов, например, азотной кислотой при кипении:

CuS + 8HNO3 → CuSO4 + 8NO2↑ + 4H2O

Физические и физико-химические свойства

Очень сильная кислота, при 18оС pKa (1) = −2,8, pKa (2) = 1,92 (К₂ 1,2 10−2); длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S—OH 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит, образуя азеотропную смесь (98,3 % H2SO4 и 1,7 % H2O с температурой кипения 338,8оС).

Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H2SO4, имеет состав (%): H2SO4 99,5, HSO4− — 0,18, H3SO4+ — 0,14, H3O+ — 0,09, H2S2O7, — 0,04, HS2O7⁻ — 0,05. Смешивается с водой и SO3, во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на H3O+, HSO3+, и 2HSO₄−.

Образует гидраты H2SO4·nH2O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Олеум

Основная статья: Олеум

Растворы серного ангидрида SO3 в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H2SO4·SO3 и H2SO4·2SO3.

Олеум содержит также пиросерные кислоты, получающиеся по реакциям:

H2SO4 + SO3 → H2S2O7 Сульфит
H2SO4 + 2SO3 → H2S3O10

Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом её концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H2SO4.

Свойства водных растворов серной кислоты и олеума  % по массеПлотность при 20 ℃, г/см³Температура плавления, ℃Температура кипения, ℃H2SO4SO3 (свободный)
101,0661−5,5102,0
201,1394−19,0104,4
401,3028−65,2113,9
601,4983−25,8141,8
801,7272−3,0210,2
981,83650,1332,4
1001,830510,4296,2
104,5201,8968−11,0166,6
109401,961133,3100,6
113,5602,00127,169,8
118,0801,994716,955,0
122,51001,920316,844,7

Температура кипения олеума с увеличением содержания SO3 понижается.

При увеличении концентрации водных растворов серной кислоты общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3 % H2SO4 достигает минимума.

С увеличением концентрации SO3 в олеуме общее давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами серной кислоты и олеума можно вычислить по уравнению:

 lg ⁡p = A   −   B    +   2,126 ,                   T

величины коэффициентов А и В зависят от концентрации серной кислоты. Пар над водными растворами серной кислоты состоит из смеси паров воды, H2SO4 и SO3, при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях серной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.

С повышением температуры усиливается диссоциация:

H2SO4 ⟷ H2O + SO3 − Q . 

При нормальном давлении степень диссоциации: 10⁻⁵ (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К).

Плотность 100%-ной серной кислоты можно определить по уравнению:

 d = 1,851 7 − 1,1 ⋅ 10−3 t + 2 ⋅ 10−6 t2 

С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоемкость олеума с повышением содержания SO3 увеличивается.

При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается:

 λ = 0,518 + 0,0016t − ( 0,25 + t/1293 ) ⋅ C/100

где С — концентрация серной кислоты, в %.

Максимальную вязкость имеет олеум H2SO4·SO3, с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации SO3 и 92 % H2SO4 и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H2SO4. Для олеума минимальное ρ при концентрации 10 % SO3.

С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается.

Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопическая постоянная 6,12, эбулиоскопическая постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется в зависимости от температуры; D = 1,67·10⁻⁵T3/2 см²/с.

Химические свойства

Серная кислота в концентрированном виде при нагревании — довольно сильный окислитель.

Окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов.

8HI + H2SO4 = 4I2 ↓ + H2S↑ + 4H2O
2HBr + H2SO4 = Br2↓ + SO2↑ + 2H2O

Углерод до CO2, серу — до SO2.

C + 2H2SO4 = 2SO2↑ + CO2 ↑ + 2H2O
S + 2H2SO4 = 3SO2↑ + 2H2O

Окисляет многие металлы (исключения: Au, Pt, Ir, Rh, Ta.). При этом концентрированная серная кислота восстанавливается до SO2, например:

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2

На холоде в концентрированной серной кислоте Fe, Al, Cr, Co, Ni, Ba пассивируются и реакции не протекают.

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:

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑

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.

H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O

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

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

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:

Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O

Концентрированная H2SO4 превращает некоторые органические вещества в другие соединения углерода:

HCOOH + H2SO4(k) = CO↑ + H2SO4 ⋅ nH2O

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:

H2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2HCl

Применение

Перевозка серной кислоты железнодорожным транспортом осуществляется в специализированных вагонах-цистернахКонтейнеры-цистерны для перевозки серной кислоты погруженные на железнодорожные фитинговые платформы, станция Волковская, Санкт-Петербург

Серную кислоту применяют:

  • в обработке руд, особенно при добыче редких элементов, в том числе урана, иридия, циркония, осмия и т. п.;
  • в производстве минеральных удобрений;
  • как электролит в свинцовых аккумуляторах;
  • для получения различных минеральных кислот и солей;
  • в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ;
  • в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;
  • в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513 (эмульгатор);
  • в промышленном органическом синтезе в реакциях:
    • дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);
    • гидратации (этанол из этилена);
    • сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);
    • алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.;
    • для восстановления смол в фильтрах на производстве дистиллированной воды.

Мировое производство серной кислоты около 200 млн тонн в год. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений.

На P₂O₅ фосфорных удобрений расходуется в 2,2—3,4 раза больше по массе серной кислоты, а на (NH₄)₂SO₄ серной кислоты 75 % от массы расходуемого (NH₄)₂SO₄.

Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Токсическое действие

Серная кислота и олеум — очень едкие вещества. Они поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д.

Предельно допустимая концентрация аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности II.

Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

В РФ оборот серной кислоты концентрации 45% и более – ограничен.

 

Серная кислота известна с древности, встречаясь в природе в свободном виде, например, в виде озёр вблизи вулканов. Возможно, первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса «зеленого камня», встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну.

В IX веке персидский алхимик Ар-Рази, прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO4•7H2O и CuSO4•5H2O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус, живший в XIII веке.

Схема получения серной кислоты из железного купороса — термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси

  Молекула серной кислоты по Дальтону

2FeSO4 + 7H2O → Fe2O3 + SO2 + H2O + O22SO2 + 2H2O + O2 ⇄ 2H2SO4

В трудах алхимика Валентина (XIII в) описывается способ получения серной кислоты путём поглощения водой газа (серный ангидрид), выделяющегося при сжигании смеси порошков серы и селитры.

Впоследствии этот способ лег в основу т. н. «камерного» способа, осуществляемого в небольших камерах, облицованных свинцом, который не растворяется в серной кислоте.

В СССР такой способ просуществовал вплоть до 1955 г.

Алхимикам XV в известен был также способ получения серной кислоты из пирита — серного колчедана, более дешевого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах.

Впоследствии, в связи с развитием катализа этот метод вытеснил камерный способ синтеза серной кислоты.

В настоящее время серную кислоту получают каталитическим окислением (на V2O5) оксида серы (IV) в оксид серы (VI), и последующим растворением оксида серы (VI) в 70 % серной кислоте с образованием олеума.

В России производство серной кислоты впервые было организовано в 1805 году под Москвой в Звенигородском уезде. В 1913 году Россия по производству серной кислоты занимала 13 место в мире.

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 (Полуостров 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⋅107 тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994.

Стандарты

  • Кислота серная техническая ГОСТ 2184-77
  • Кислота серная аккумуляторная. Технические условия ГОСТ 667-73
  • Кислота серная особой чистоты. Технические условия ГОСТ 14262-78
  • Реактивы. Кислота серная. Технические условия ГОСТ 4204-77

Источник: https://chem.ru/sernaja-kislota.html

Серная кислота: получение и химические свойства

Свойства гидратов серной кислоты

Серная кислота H2SO4 – это сильная кислота, двухосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость, хорошо растворимая в воде.

Растворение серной кислоты в воде сопровождается выделением значительного количества кислоты. Поэтому по правилам безопасности в лаборатории при смешивании серной кислоты и воды мы добавляем серную кислоту в воду небольшими порциями при постоянном перемешивании.

Валентность серы в серной кислоте равна VI.

Способы получения

1. Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита FeS2.

Основные стадии получения серной кислоты :

  • Сжигание или обжиг серосодержащего сырья в кислороде с получением сернистого газа.
  • Очистка полученного газа от примесей.
  • Окисление сернистого газа в серный ангидрид.
  • Взаимодействие серного ангидрида с водой.

Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):

АппаратНазначение и уравненяи реакций
Печь для обжига4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q

Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащенный кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800оС

Циклон Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз.
Электрофильтр Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра).
Сушильная башня Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота.
Теплообменник Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата.
Контактный аппарат 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q

В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3):

  •  температура: оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным выходом SO3 является температура 400-500оС. Для того чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор – оксид ванадия (V) V2O5.
  •  давление: прямая реакция протекает с уменьшением объемов газов. Для смещения равновесия вправо процесс проводят при повышенном давлении.

Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

Поглотительная башня Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне.

Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3.

nSO3 + H2SO4  →  H2SO4·nSO3

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Общие научные принципы химического производства:

  1. Непрерывность.
  2. Противоток
  3. Катализ
  4. Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ.
  5. Теплообмен
  6. Рациональное использование сырья

Химические свойства

Серная кислота – это сильная двухосновная кислота.

1. Серная кислота практически полностью диссоциирует в разбавленном в растворе по первой ступени:

H2SO4  ⇄  H+ + HSO4–

По второй ступени серная кислота диссоциирует частично, ведет себя, как кислота средней силы:

HSO4–  ⇄  H+ + SO42–

2. Серная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами

Например, серная кислота взаимодействует с оксидом магния:

H2SO4    +   MgO   →   MgSO4   +   H2O

Еще пример: при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом калия образуются сульфаты или гидросульфаты:

H2SO4    +   КОН     →     KHSО4  +   H2O

H2SO4    +   2КОН      →     К2SО4  +   2H2O

Серная кислота взаимодействует с амфотерным гидроксидом алюминия:

3H2SO4     +    2Al(OH)3    →   Al2(SO4)3    +   6H2O

3. Серная кислота вытесняет более слабые из солей в растворе (карбонаты, сульфиды и др.).  Также серная кислота вытесняет летучие кислоты из их солей (кроме солей HBr и HI).

Например, серная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:

Н2SO4   +   2NaHCO3   →   Na2SO4   +   CO2   +  H2O

Или с силикатом натрия:

H2SO4    +   Na2SiO3    →  Na2SO4  +   H2SiO3

Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:

NaNO3 (тв.)   +   H2SO4   →   NaHSO4   +   HNO3

Аналогично – концентрированная серная кислота вытесняет хлороводород из твердых хлоридов, например, хлорида натрия:

NaCl(тв.)   +   H2SO4   →   NaHSO4   +   HCl

4. Также серная кислота вступает в обменные реакции с солями.

Например, серная кислота взаимодействует с хлоридом бария:

H2SO4  + BaCl2  →  BaSO4   +   2HCl

5.Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например, серная кислота реагирует с железом. При этом образуется сульфат железа (II):

H2SO4(разб.)    +   Fe   →  FeSO4   +   H2

Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:

H2SO4   +   NH3    →    NH4HSO4

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. При этом она обычно восстанавливается до сернистого газа SO2. С активными металлами может восстанавливаться до серы  S, или сероводорода Н2S.

Железо Fe, алюминий  Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании реакция возможна.

6H2SO4(конц.)    +   2Fe   →   Fe2(SO4)3   +   3SO2   +  6H2O

6H2SO4(конц.)    +   2Al   →   Al2(SO4)3   +   3SO2   +  6H2O

При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:

2H2SO4(конц.)   +   Cu     →  CuSO4   +   SO2 ↑ +   2H2O

2H2SO4(конц.)   +   Hg     →  HgSO4   +   SO2 ↑ +   2H2O

2H2SO4(конц.)   +   2Ag     →  Ag2SO4   +   SO2↑+   2H2O

При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:

3Mg   +   4H2SO4   →   3MgSO4   +   S   +  4H2O

При взаимодействии с щелочными металлами и цинком  концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:

5H2SO4(конц.)   +  4Zn     →    4ZnSO4   +   H2S↑   +   4H2O

6. Качественная реакция на сульфат-ионы – взаимодействие с растворимыми солями бария. При этом образуется белый кристаллический осадок сульфата бария:

BaCl2 + Na2SO4      BaSO4  + 2NaCl

опыт взаимодействия хлорида бария и сульфата натрия в растворе  (качественная реакция на сульфат-ион) можно посмотреть здесь.

7.Окислительные свойства концентрированной серной кислоты проявляются и при взаимодействии с неметаллами.

Например, концентрированная серная кислота окисляет фосфор, углерод, серу. При этом серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV):

5H2SO4(конц.)   +    2P   →   2H3PO4   +   5SO2↑  +   2H2O

2H2SO4(конц.)   +    С   →   СО2↑   +   2SO2↑  +   2H2O

2H2SO4(конц.)   +    S   →   3SO2 ↑  +   2H2O

Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:

3H2SO4(конц.)   +   2KBr   →  Br2↓   +  SO2↑   +   2KHSO4    +  2H2O

5H2SO4(конц.)   +   8KI     →  4I2↓    +   H2S↑   +   K2SO4   +  4H2O

H2SO4(конц.)   +   3H2S →  4S↓  +  4H2O

Источник: https://chemege.ru/sernaya-kislota/

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: