Print bookPrint book

§ 35. Серная кислота

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 35. Серная кислота
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 2:26 PM
img
Рис. 83. Структурная формула и шаростержневая модель молекулы серной кислоты

Серная кислота Н2SO4 — важнейшая из минеральных кислот.

Это вещество молекулярного строения. Из структурной формулы видно, что серная кислота является гидроксидом и относится к двухосновным кислотам (рис. 83).

Промышленное получение серной кислоты — многостадийный процесс, сырьё для него — это пирит (железный или серный колчедан) FeS2 и другие сульфидные руды, сера S, сероводород H2S (из нефти), отходы металлургического производства. Схема получения кислоты из пирита выглядит так:

FeS subscript 2 space stack stack not stretchy rightwards arrow space with plus straight O subscript 2 on top with table attributes columnalign right center left columnspacing 0px end attributes row blank blank cell Обжиг
пирита end cell end table below space SO subscript 2 space stack not stretchy rightwards arrow with plus straight O subscript 2 divided by straight V subscript 2 straight O subscript 5 comma space t comma space p on top with Окисление
сернистого
газа below space SO subscript 3 space space space space end subscript not stretchy rightwards arrow from Растворение space оксида
серы left parenthesis VI right parenthesis to plus straight H subscript 2 straight O divided by straight H subscript 2 SO subscript 4 of space space straight H subscript 2 SO subscript 4.

Как видно, процесс включает три стадии, выражаемые следующими уравнениями реакций:

4 straight F eS with negative 1 on top subscript 2 space end subscript plus space 11 straight O subscript 2 space equals space 2 Fe subscript 2 straight O subscript 3 space plus stack space 8 straight S with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space Q space left parenthesis обжиг space пирита right parenthesis semicolon
stack 2 straight S with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space straight O subscript 2 space space space space not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow with straight V subscript 2 straight O subscript 5 comma space 450 space degree straight С comma space 200 space кПа on top space 2 with plus on top straight S with 6 on top straight O subscript 3 space plus space Q space left parenthesis окисление space сернистого space газа right parenthesis semicolon
SO subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O space equals space straight H subscript 2 SO subscript 4 space plus space Q space left parenthesis растворение space оксида space серы left parenthesis VI right parenthesis right parenthesis.

На третьей стадии оксид серы(VI) SO3 в поглотительной башне орошается концентрированной серной кислотой с массовой долей кислоты 96–98 % (то есть содержание воды всего 2–4 %). При этом получают раствор оксида серы(VI) в серной кислоте (олеум). Воду для поглощения SO3 не используют, так как из-за выделения большого количества теплоты образуется «сернокислотный туман», который трудно сконденсировать.

Мировое производство серной кислоты — около 200 млн тонн в год. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. Кроме того, она используется для получения различных минеральных кислот и солей, химических волокон, красителей, взрывчатых веществ, в промышленном органическом синтезе, в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной, пищевой и других отраслях промышленности (рис. 84), как электролит в свинцовых аккумуляторах (рис. 85).

#
Рис. 84. Области использования серной кислоты
#
Рис. 85. Свинцово-кислотный аккумулятор

Физические свойства

img
Рис. 86. Эксикатор для хранения и сушки гигроскопичных веществ

Серная кислота — тяжёлая бесцветная маслянистая жидкость, с температурой плавления 10,4 °С, плотностью 1,84 г/см3. Она смешивается с водой в любых соотношениях. При растворении кислоты в воде выделяется значительное количество теплоты, что является свидетельством образования прочных гидратов. По этой причине серная кислота — сильное водоотнимающее средство, её используют для осушения различных веществ, в том числе и газов (рис. 86).

Важно помнить: при разбавлении кислоту медленно льют в воду, чтобы тяжёлые струйки кислоты опускались на дно сосуда. Это необходимо для предотвращения разбрызгивания жидкости в результате сильного повышения температуры.

При попадании на кожу серная кислота вызывает тяжёлые ожоги, её пары поражают слизистые оболочки и лёгкие.

Химические свойства

Свойства разбавленной и концентрированной серной кислот существенно различаются.

Химические свойства разбавленной серной кислоты. Разбавленная серная кислота — сильный электролит, она проявляет общие свойства кислот: меняет цвет индикаторов и образует соли в реакциях с металлами, основными и амфотерными оксидами, гидроксидами металлов, другими солями. Рассмотрим конкретные примеры.

1. Индикаторы лакмус и метилоранж окрашивают раствор серной кислоты в красный цвет. В разбавленных растворах серная кислота диссоциирует согласно схеме:

straight Н subscript 2 SO subscript 4 space rightwards arrow space 2 straight Н to the power of plus space plus space straight S straight O subscript 4 superscript 2 minus end superscript.

2. Образование солей:

а) металлы, расположенные в ряду активности до водорода, вытесняют его из разбавленных растворов серной кислоты:

Zn + Н2SO4 = ZnSO4 + H2↑;
Fe + Н2SO4 = FeSO4 + H2↑;

б) реакции серной кислоты с основными и амфотерными оксидами, как правило, требуют небольшого нагревания для увеличения скорости:

СuO + Н2SO4 = CuSO4 + H2O;
Al2O3 + 3Н2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2O;

в) в реакциях со щелочами и нерастворимыми основаниями образуются соли и вода (нейтрализация):

2NaOH + Н2SO4 = Na2SO4 + 2H2O или NaOH + Н2SO4 = NaНSO4 + H2O;
Сa(OH)2 + Н2SO4 = СаSO4↓ + 2H2O.

Отметим, что при мольном соотношении щёлочи NaOH и кислоты Н2SO4 2 : 1 или избытке NaOH образуется средняя соль (сульфат), а при их соотношении 1 : 1 — кислая соль (гидросульфат). Следовательно, избыток многоосновной (двухосновной) кислоты Н2SO4 приводит к образованию кислых солей;

г) реакции растворов серной кислоты с солями протекают в полном соответствии с условиями реакций ионного обмена:

H2SO4 + Na2CO3 = Na2SO4 + H2O + CO2↑;
H2SO4 + Na2SiO3 = Na2SO4 + H2SiO3↓.

Химические свойства концентрированной серной кислоты. В сильно концентрированных растворах диссоциация серной кислоты протекает лишь по первой ступени: straight H subscript 2 SO subscript 4 space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus plus space HSO subscript 4 superscript minus. Концентрированная серная кислота — более сильный окислитель, чем разбавленная. Её окислительные свойства проявляются прежде всего в реакциях с металлами. Отметим несколько важных моментов.

Во-первых, происходит восстановление не водорода, а атомов серы. Продуктами восстановления являются SO2, S и Н2S. Состав преимущественно образующихся продуктов зависит как от концентрации кислоты, так и от активности металла как восстановителя. Чем меньше концентрация кислоты и выше активность металла, тем сильнее восстанавливаются атомы серы. В общем виде взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами можно представить схемой:

Так, в реакции с металлами, находящимися в ряду активности после водорода (кроме золота и платины), образуется оксид серы(IV) SO2, например:

2 straight H subscript 2 straight S with plus 6 on top straight O subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript space plus space Cu space equals space CuSO subscript 4 space plus space 2 straight H subscript 2 straight O space plus stack space straight S with plus 4 on top straight O subscript 2 not stretchy upwards arrow.

В реакциях с металлами, расположенными в ряду активности до водорода, могут образовываться и SO2, и S, и Н2S. Например, cхемы реакций, протекающих при взаимодействии цинка с серной кислотой по мере увеличения её концентрации, выглядят так:

straight H subscript 2 straight S with plus 6 on top straight O subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript space plus space Zn space rightwards arrow space ZnSO subscript 4 space plus space straight H subscript 2 straight O space plus space straight Н subscript 2 straight S with negative 2 on top not stretchy upwards arrow comma
или space straight H subscript 2 straight S with plus 6 on top straight O subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript space plus space Zn space rightwards arrow space ZnSO subscript 4 space plus space straight H subscript 2 straight O space plus space straight S with 0 on top not stretchy downwards arrow comma
или space straight H subscript 2 straight S with plus 6 on top straight O subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript space plus space Zn space rightwards arrow space ZnSO subscript 4 space plus space straight H subscript 2 straight O space plus space straight S with plus 4 on top straight O subscript 2 not stretchy upwards arrow.

Во-вторых, некоторые сравнительно активные металлы (например, железо, алюминий, хром) концентрированной серной кислотой при комнатной температуре пассивируются: на поверхности металла образуется плотная оксидная плёнка. Благодаря пассивации железа возможна перевозка кислоты в стальных цистернах.

Среди других особенностей концентрированной серной кислоты можно отметить следующие. Она способна вытеснять менее сильные или более летучие кислоты (НСl, HNO3, H3PO4, CH3COOH) из их солей:

NaNO subscript 3 left parenthesis тв right parenthesis space end subscript plus space straight H subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript stack space equals space with t on top HNO subscript 3 not stretchy upwards arrow space plus space NaHSO subscript 4 comma
CH subscript 3 COONa subscript left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space straight H subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis 50 percent sign minus ный space straight р minus straight р right parenthesis end subscript space stack equals space with t on top CH subscript 3 COOH not stretchy upwards arrow plus space NaHSO subscript 4.

Концентрированная кислота окисляет сложные органические вещества: обугливает бумагу, древесину, кожу, поэтому необходимо крайне осторожное обращение.

Из-за особенности концентрированной серной кислоты образовывать гидраты H2SO4 · nH2O её широко используют как сильное водоотнимающее средство, а также как катализатор в органическом синтезе.

img

Применение концентрированной серной кислоты как водоотнимающего средства и катализатора в органическом синтезе демонстрируют уравнения реакций:

begin mathsize 14px style СН subscript 3 minus СН subscript 2 minus ОН space space not stretchy rightwards arrow with straight H subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript comma italic space t space greater than space 140 space degree straight C on top space space СН subscript 2 equals СН subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O comma
СН subscript 3 СООН space plus space straight С subscript 2 straight Н subscript 5 ОН space space not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow with straight H subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript comma space t on top space СН subscript 3 СООС subscript 2 straight Н subscript 5 space end subscript plus space straight H subscript 2 straight O. end style

Сульфаты: физические и химические свойства, применение

Серная кислота, как было отмечено выше, образует два ряда солей — гидросульфаты (кислые) и сульфаты (средние), большинство из которых хорошо растворимы. В твёрдом виде из кислых солей выделены соли лишь активных металлов (КНSO4, NaHSO4 и др.). Средние соли часто образуют кристаллогидраты (Na2SO4 · 10H2O, CuSO4 · 5H2O и др.), поэтому безводные соли (сульфат натрия, сульфат магния) используют в лабораторной практике в качестве осушителей. Сульфаты щелочных металлов имеют достаточно высокую термическую устойчивость.

Для идентификации (качественного обнаружения) сульфат-ионов чаще всего используют растворимые соли бария (ВаСl2 или Ва(NO3)2). При этом образуется белый осадок сульфата бария (Приложение 3):

Ва to the power of 2 plus space end exponent plus space SO subscript 4 superscript 2 minus space end superscript equals space ВаSO subscript 4 not stretchy downwards arrow.

Многие сульфаты являются веществами крупнотоннажного производства (табл. 28).

Таблица 28. Применение сульфатов

Химическая формула и название Области использования
Na2SO4 · 10H2O глауберова соль (мирабилит)
Производство синтетических моющих средств, целлюлозы, стекольное производство, текстильная промышленность
MgSO4 · 7H2O горькая (английская) соль
Медицина — для снижения давления при внутривенном введении; слабительное средство. Микроудобрение. Сушка растворителей в лабораторной практике безводным сульфатом магния
CuSO4 · 5H2O медный купорос
Медицина и растениеводство — антисептик. В составе бордосской смеси как фунгицид
FeSO4 ·2О железный купорос
Сельское хозяйство — фунгицид, деревообрабатывающая промышленность — антисептик для пропитки древесины. Производство минеральных красок
* ZnSO4 ·2О цинковый купорос
Обладает высоким противомикробным и бактерицидным действием. Находит применение в медицине (мази, глазные капли и др.) и аграрном секторе (повышение урожайности, нормализация иммунной системы животных)

Разбавленная серная кислота — сильный электролит, проявляет общие свойства кислот. Концентрированная серная кислота — сильный окислитель.

Серная кислота как двухосновная образует два ряда солей — гидросульфаты (кислые) и сульфаты (средние).

При взаимодействии разбавленной серной кислоты с металлами образуются соль и водород, а концентрированной — соль, вода и продукты восстановления серы — SO2, S и Н2S.

Для качественного обнаружения сульфат-ионов используют растворы хлорида или нитрата бария.

В основе промышленного получения серной кислоты из пирита лежат реакции, осуществляемые в соответствии со схемой:

FeS2 → SO2 → SO3 → H2SO4.

Вопросы, задания, задачи

1. Запишите молекулярную и структурную формулы серной кислоты. Назовите области её применения.

2. Из текста параграфа выпишите формулы:

  • а) кислых солей;
  • б) кристаллогидратов.

Назовите их.

3. Составьте формулы веществ:

  • а) сульфат бария, гидросульфат лития, сульфат железа(II), сульфат железа(III);
  • б) сульфат магния, сульфат алюминия, гидросульфат бария, сульфат серебра(I).

4. Из перечня Mg, Zn, Al, Ag, Fe, Cr, Sn, Cu, Au, Рt выпишите символы металлов, которые:

  • а) не вытесняют водород из раствора серной кислоты;
  • б) пассивируются концентрированной серной кислотой.

5. Составьте уравнения реакций образования кислых и средних солей при взаимодействии гидроксидов натрия и кальция с:

  • а) серной кислотой;
  • б) сернистой кислотой;
  • в) оксидом серы(IV).

Назовите образующиеся соли.

6. Оксид серы(VI) массой 8 г растворили в воде массой 132 г. Определите массовую долю кислоты в растворе.

7. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса в уравнениях реакций, протекающих при взаимодействии цинка с концентрированной серной кислотой разной концентрации, согласно схемам на с. 193, 194.

8. Вторая стадия производства серной кислоты из пирита — окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI) основана на обратимой каталитической реакции:

2 SO subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space straight O subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space rightwards arrow over leftwards arrow space 2 SO subscript 3 left parenthesis straight г right parenthesis space end subscript plus space Q.

В условиях производства SO3 является газом. Укажите условия смещения равновесия в сторону продукта реакции.

9. Определите массу раствора серной кислоты с массовой долей 20 %, который можно получить при разбавлении раствора объёмом 1 дм3 (плотность 1,835 г/см3) с массовой долей серной кислоты 96 %.

10. Имеется 500 г раствора оксида серы(VI) в серной кислоте. Массовые доли H2SO4 и SO3 составляют 92 % и 8 % соответственно. Сколько граммов воды нужно добавить для получения 100%-ной серной кислоты?

*Самоконтроль

1. Укажите признаки, характерные для серной кислоты:

  • а) сильный электролит;
  • б) кислородсодержащая;
  • в) степень окисления серы +4;
  • г) одноосновная.

2. Глауберова соль имеет состав:

  • а) Na2CO3 · 10H2O;
  • б) Na2SO4 · 10H2O;
  • в) FeSO4 ·2О;
  • г) MgSO4 ·2О.

3. Белый осадок выпадает при взаимодействии хлорида бария с водными растворами:

  • а) MgSO4;
  • б) NaHSO4;
  • в) SO3;
  • г) Na2S.

4. Процесс обжига серного колчедана иллюстрирует схема:

  • а) FeS → SO2;
  • б) H2S → SO2;
  • в) SO2 → SO3;
  • г) FeS2 → SO2.

5. С металлом реагирует концентрированная серная кислота, если продуктами реакции являются:

  • а) … → MgSO4 + Н2О + H2S↑;
  • б) … → MgSO4 + Н2О + S↓;
  • в) … → Аg2SO4 + Н2О + SO2↑;
  • г) … → ZnSO4 + Н2↑.