Серная кислота в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

Что из себя представляет серная кислота

Серная кислота является сильной, двухосновной, стабильной и нелетучей кислотой.

При стандартных условиях серная кислота представляет собой тяжелую маслянистую жидкость. Вещество хорошо растворяется в воде.

Молекула серной кислоты содержит:

• четыре атома кислорода;
• два атома водорода;
• атом серы.

Жидкость токсична, без запаха. Кислота в чистом виде бесцветна, имеет специфический «медный» вкус, плотность 1,84 г/см3. Из-за примесей вещество приобретает желтоватый или желтовато-коричневый цвет. В зависимости от концентрации различают:

• разбавленная h2SO4 в виде водного раствора с процентным содержанием H2SO4 не выше 70%;
• концентрированная h2SO4 в виде водного раствора с концентрацией H2SO4 более 70%.

Молекула серной кислоты по форме близка к тетраэдру (атом серы расположен в центре, атомы кислорода по углам тетраэдра):

Исторические сведения

Серная кислота известна с древних времен и встречается в природе в свободном виде, например, в виде озер вблизи вулканов. Возможно, первое упоминание о кислых газах, полученных при прокаливании квасцов или сульфата железа «зеленого камня», встречается в трудах, приписываемых арабскому алхимику Джабиру ибн Хайяну.

В IX веке персидский алхимик Ар-Рази путем прокаливания смеси железного и медного купороса (FeSO4•7H2O и CuSO4•5H2O) также получил раствор серной кислоты. Этот метод усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус, живший в 13 веке.

Схема получения серной кислоты из сульфата железа заключается в термическом разложении сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси.

В трудах алхимика Валентина (13 век) описывается способ получения серной кислоты путем поглощения газа (диоксида серы), выделяющегося при сжигании смеси порошков серы и селитры с водой. Впоследствии этот метод лег в основу так называемого «камерного» метода, проводимого в небольших камерах, футерованных свинцом, не растворяющимся в серной кислоте. В СССР этот метод существовал до 1955 года.

Алхимикам пятнадцатого века также был известен способ получения серной кислоты из пирита: сернистого пирита, более дешевого и более распространенного сырья, чем сера. Серная кислота производилась таким образом в течение 300 лет в небольших количествах в стеклянных ретортах. Позднее, в связи с развитием катализа, этот метод заменил камерный метод синтеза серной кислоты. В настоящее время серную кислоту получают путем каталитического окисления (в V2O5) оксида серы (IV) до оксида серы (VI) и последующего растворения 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 занимала 13-е место в мире по производству серной кислоты.

Физические и физико-химические свойства

Очень сильная кислота, при 18°C ​​pKa(1) = -2,8, pKa(2) = 1,92 (K₂ 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 338,8 °С). Серная кислота, соответствующая 100% 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 почти полностью диссоциирует на H+, HSO4– и SO₄2–. Образует гидраты H2SO4 nH2O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Олеум

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

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

Свойства водных растворов серной кислоты и олеума

Содержание % по массе Плотность при 20 ℃, г/см³ Температура плавления, ℃ Температура кипения, ℃H2SO4SO3 (бесплатно)

Температура кипения олеума снижается с увеличением содержания SO3. С увеличением концентрации водных растворов серной кислоты общее давление паров над растворами снижается и достигает минимального содержания 98,3% H2SO4. По мере увеличения концентрации SO3 в масле общее давление паров над ним увеличивается. Олеум H₂SO4·SO₃ имеет максимальную вязкость, с повышением температуры η уменьшается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации SO₃ и 92% H₂SO4 и максимально при концентрации 84 и 99,8% H₂SO. Для олеума минимум ρ приходится на концентрацию 10% SO₃. С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100% серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопическая постоянная 6,12, эбулиоскопическая постоянная 5,33; коэффициент диффузии паров серной кислоты в воздухе зависит от температуры; D = 1,67 10⁻⁵T3/2 см²/с.

Химические свойства серной кислоты

• При взаимодействии H2SO4 (конц.) со слабыми восстановителями (неметаллы: S, P, C, металлы средней и малой активности: Fe, Cu, Ag, сложные вещества: H2S, сульфиды металлов, соли Fe2+ и др.) SO2 и образуются Н2О.
• При взаимодействии H2SO4 (конц.) с сильными восстановителями (активные металлы: Li-Zn, некоторые комплексные вещества: HI, KI) образуются H2S или S.

Примеры взаимодействия серной кислоты с простыми веществами:

4Zn + 5H2SO4 (конц.) → 4ZnSO4 + H2S
+ 4H2O (возможно образование SO2 и S, так как Zn хороший восстановитель)

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

Al, Cr, Fe пассивируются холодной концентрированной серной кислотой (т.е покрываются оксидной пленкой, препятствующей дальнейшей реакции). Реакции идут только при нагревании.

Концентрированная серная кислота окисляет даже слабые металлы, но кроме золота и платины, например:

2Ag + 2H2SO4(конц.) → Ag2SO4 + SO2
+ 2Н2О

В реакциях с неметаллами образуются соответствующие кислоты:

C + H2SO4 (конц.) → CO2 + 2SO2
+ 2H2O (т)

S + H2SO4(конц.) → 3SO2
+ 2H2O (т)

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

Примеры взаимодействия серной кислоты со сложными веществами:

Из галогеноводородов концентрированная серная кислота может окислять только ионы Br– и I– :

HF + H2SO4 (конц.) → нет реакции

HCl + H2SO4 (конц.) → нет реакции

2HBr + H2SO4(конц.) → Br2 + SO2
+ 2Н2О

8HI + H2SO4 (конц.) → 4I2 + H2S
+ 4H2O

2CuI + 4H2SO4(конц.) → 2CuSO4 + I2 + 2SO2
+ 4H2O

2CrCl2 + 4H2SO4(конц.) → Cr2(SO4)3 + SO2
+ 4HCl + 2H2O

Соли меди восстанавливают серную кислоту до SO2, а соли активных металлов до H2S, так как последние обладают более выраженными восстановительными свойствами:

2CuI + 4H2SO4(конц.) → 2CuSO4 + I2 + 2SO2
+ 4H2O

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

Примеры реакций с солями (окисляем катион):

2FeSO4 + 2H2SO4(конц.) → Fe2(SO4)3 + SO2
+ 2Н2О

2CrCl2 + 4H2SO4(конц.) → Cr2(SO4)3 + SO2
+ 4HCl + 2H2O

Получение серной кислоты

Промышленное производство серной кислоты (контактный способ):

1) 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2

2) 2SO 2 + О 2 V 2 O 5 → 2SO 3

3) nSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 nSO 3 (олеум)

Измельченный очищенный влажный пирит (сернистый колчедан) засыпают сверху в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) проходит воздух, обогащенный кислородом.
Из печи выходит топочный газ, состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажным) и мельчайшие частицы золы (оксид железа). Газ очищают от примесей твердых частиц (в циклоне и электрофильтре) и паров воды (в сушильной башне).
В контактном аппарате диоксид серы окисляют с использованием катализатора V 2 O 5 (пентоксид ванадия) для увеличения скорости реакции. Процесс окисления из одного оксида в другой обратим. Поэтому выбираются оптимальные условия протекания прямой реакции: более высокое давление (поскольку прямая реакция протекает с уменьшением общего объема) и температура не выше 500 С (поскольку реакция экзотермическая).

В абсорбционной башне оксид серы (VI) поглощается концентрированной серной кислотой.
Водопоглощение не применяют, т. к. оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, за счет чего образующаяся серная кислота закипает и превращается в пар. Для предотвращения образования сернокислотного тумана используйте 98% концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 nSO 3

Нитрозный (башенный) способ

Раньше серную кислоту получали исключительно азотистым способом в специальных градирнях, и кислота называлась башенной кислотой (концентрация 75%). Суть этого метода заключается в окислении диоксида серы диоксидом азота в присутствии воды. Вот как реагировал воздух в Лондоне во время Великого смога.

SO2 + NO2 + H2O = H2SO4 + NO ↑

Другой способ

В 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 этих металлов обладают наибольшей прочностью, а также характерным черным цветом,

но его можно окислить до сульфатов, например кипящей азотной кислотой:

CuS + 8HNO3 → CuSO4 + 8NO2↑ + 4H2O

Применение в народном хозяйстве

Достижения химии всегда служили научно-техническому прогрессу. Высокая окислительная способность позволила H2SO4 стать важным компонентом в различных отраслях промышленности. Это использовано:

• добыча редких элементов (очистка урановых, иридиевых, циркониевых и осмийовых руд);
• производство минеральных удобрений, высокомолекулярных нитей, красок и фейерверков;
• неорганический синтез солей и кислот;
• текстильная и кожевенная промышленность;
• нефтехимия и металлообработка;
• пищевая промышленность (добавка-эмульгатор Е513);
• автомобильная промышленность (электролит в батареях);
• дистилляция воды (реагент для восстановления смол в фильтрах).

Отдельно стоит упомянуть промышленный органический синтез – источник сложных эфиров и спиртов, синтетических моющих средств и искусственных волокон. Это немыслимые реакции дегидратации, гидратации, сульфирования, алкилирования. Металлургические заводы очищают поверхности изделий от оксидов, образующихся при сильном нагреве. Но основным потребительским сегментом является производство минеральных удобрений (особенно фосфорных). В связи с этим рекомендуется располагать заводы по производству серной кислоты рядом с предприятиями, производящими эти ценные химические вещества.

Все вышеперечисленные положительные характеристики были бы неполными, если бы мы не помнили, что серная кислота и олеум – опасные и крайне агрессивные продукты. Атмосферные кислые аэрозоли периодически образуются в результате выбросов металлургических и химических предприятий и выпадают в виде осадков. Они поражают кожу и слизистые оболочки, вызывая одышку, вызывая кашель и бронхолегочные заболевания с отеком гортани.

При попадании на кожу возникают химические ожоги, тяжесть их напрямую зависит от концентрации и площади контакта. При проглатывании появляются резкие боли во рту и пищеводе, затем рвота, кашель, затруднение дыхания, ослабевает сердечная деятельность, а доза 5 мг считается смертельной. Первая помощь при отравлении парами заключается в обеспечении свежего воздуха и полоскании слизистых содовым раствором. При распространении на кожу пораженный участок обильно орошают водой, при глотании требуется промывание желудка и прием известковой воды.

Токсическое действие

Серная кислота и олеум — очень едкие вещества. Поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они провоцируют одышку, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и др. предельно допустимая концентрация аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны составляет 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (разовая максимальная) и 0,1 мг/м³ (средняя газета). Вредная концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (60 мин воздействия), летальная 0,18 мг/л (60 мин). II класс опасности. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S и выпадающих в виде кислотных дождей.

В Российской Федерации ограничен оборот серной кислоты концентрацией 45% и более.

Факты о серной кислоте

Вот несколько фактов о серной кислоте, которые дадут вам дополнительное представление об этой опасной, но важной едкой кислоте.

Молярная масса серной кислоты 98,08 г/моль. Это рассчитывается в соответствии с атомными массами его атомов: два атома водорода (2 х 1,008 г/моль), один атом серы (1 х 32,065 г/моль) и четыре атома кислорода (4 х 16 г/моль). Для общего веса молекулы серной кислоты расчет такой же, но результаты приводятся в а.е.м или атомных единицах массы. Когда вы хотите узнать молекулярную массу более чем одного моля, результат молекулярной массы отличается от молярной массы. Например, у вас есть 2 грамма диоксида серы (SO2 с молекулярной массой 64,065 г/моль) и вы хотите узнать, сколько в нем молей. Для расчета этого результата необходимо сначала разделить 1 (моль) на молярную массу вещества. Затем умножьте результат на 2 (граммы), как показано в следующем уравнении.

Плотность серной кислоты зависит от ее крепости (концентрации) и температуры. Например, 13% раствор H2SO4 при комнатной температуре имеет плотность 9,09 г/см3. 96% раствор при той же температуре имеет плотность 15,37 г/см3. Температура кипения серной кислоты составляет 639°F, 337°C или 610K; точка замерзания составляет 37°F, а точка плавления составляет 50°F.

Дополнительные сведения

Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции паров воды и вулканического пепла, содержащего большое количество серы. Образовавшаяся взвесь из-за высокого альбедо сернокислотных облаков затрудняет попадание солнечного света на поверхность планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, которые также затрудняют попадание солнечного света на планету) после особо сильных извержений вулканов могут происходить значительные климатические изменения. Например, в результате извержения вулкана Ксудач (полуостров Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере сохранялась около 2 лет, характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже. Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году.

Стандарты

• Кислота серная техническая ГОСТ 2184-77
• Сернокислотная батарея. Технические условия ГОСТ 667-73
• Серная кислота особой чистоты. Технические условия ГОСТ 14262-78
• Реагенты Серная кислота. Технические условия ГОСТ 4204-77

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1