§ 35. Серная кіслата

Прамысловае атрыманне сернай кіслаты — многастадыйны працэс, сыравіна для яго — гэта пірыт (жалезны або серны калчадан) FeS₂ і іншыя сульфідныя руды, сера S, серавадарод H₂S (з нафты), адкіды металургічнай вытворчасці. Схема атрымання кіслаты з пірыту выглядае так:

Як відаць, працэс уключае тры стадыі, якія паказваюцца наступнымі ўраўненнямі рэакцый:

На трэцяй стадыі аксід серы(VI) SO₃ у паглынальнай вежы арашаецца канцэнтраванай сернай кіслатой з масавай доляй кіслаты 96–98 % (гэта значыць утрыманне вады ўсяго 2–4 %). Пры гэтым атрымліваюць раствор аксіду серы(VI) у сернай кіслаце (олеум). Ваду для паглынання SO₃ не выкарыстоўваюць, бо з-за вылучэння вялікай колькасці цеплаты ўтвараецца «сернакіслотны туман», які цяжка скандэнсаваць.

Сусветная вытворчасць сернай кіслаты — каля 200 млн тон за год. Самы буйны спажывец сернай кіслаты — вытворчасць мінеральных угнаенняў. Акрамя таго, яна выкарыстоўваецца для атрымання розных мінеральных кіслот і солей, хімічных валокнаў, фарбавальнікаў, выбуховых рэчываў, у прамысловым арганічным сінтэзе, у нафтавай, металаапрацоўчай, тэкстыльнай, гарбарнай, харчовай і іншых галінах прамысловасці (мал. 84), як электраліт у свінцовых акумулятарах (мал. 85).

Фізічныя ўласцівасці

Важна памятаць: пры разбаўленні кіслату павольна льюць у ваду, каб цяжкія струменьчыкі кіслаты апускаліся на дно пасудзіны. Гэта неабходна для прадухілення распырсквання вадкасці ў выніку моцнага павышэння тэмпературы.

Пры кантакце са скурай серная кіслата выклікае цяжкія апёкі, яе пары шкодзяць слізістым абалонкам і лёгкім.

Хімічныя ўласцівасці

Уласцівасці разбаўленай і канцэнтраванай сернай кіслот істотна адрозніваюцца.

Хімічныя ўласцівасці разбаўленай сернай кіслаты. Разбаўленая серная кіслата — моцны электраліт, яна праяўляе агульныя ўласцівасці кіслот: змяняе колер індыкатараў і ўтварае солі ў рэакцыях з металамі, асноўнымі і амфатэрнымі аксідамі, гідраксідамі металаў, іншымі солямі. Разгледзім канкрэтныя прыклады.

1. Індыкатары лакмус і метыларанж афарбоўваюць раствор сернай кіслаты ў чырвоны колер. У разбаўленых растворах серная кіслата дысацыіруе паводле схемы:

2. Утварэнне солей:

а) металы, размешчаныя ў радзе актыўнасці да вадароду, выцясняюць яго з разбаўленых раствораў сернай кіслаты:

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

б) рэакцыі сернай кіслаты з асноўнымі і амфатэрнымі аксідамі, як правіла, патрабуюць невялікага награвання для павелічэння скорасці:

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

в) у рэакцыях са шчолачамі і нерастваральнымі асновамі ўтвараюцца солі і вада (нейтралізацыя):

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

Адзначым, што пры мольных суадносінах шчолачы NaOH і кіслаты Н₂SO₄ 2 : 1 або лішку NaOH утвараецца сярэдняя соль (сульфат), а пры іх суадносінах 1 : 1 — кіслая соль (гідрасульфат). Такім чынам, лішак шматасноўнай (двухасноўнай) кіслаты Н₂SO₄ прыводзіць да ўтварэння кіслых солей;

г) рэакцыі раствораў сернай кіслаты з солямі працякаюць у поўнай адпаведнасці з умовамі рэакцый іоннага абмену:

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

Хімічныя ўласцівасці канцэнтраванай сернай кіслаты. У моцна канцэнтраваных растворах дысацыяцыя сернай кіслаты працякае толькі па першай ступені: . Канцэнтраваная серная кіслата — больш моцны акісляльнік, чым разбаўленая. Яе акісляльныя ўласцівасці выяўляюцца перш за ўсё ў рэакцыях з металамі. Адзначым некалькі важных момантаў.

Па-першае, адбываецца аднаўленне не вадароду, а атамаў серы. Прадуктамі аднаўлення з’яўляюцца SO₂, S і Н₂S. Састаў пераважна ўтвораных прадуктаў залежыць як ад канцэнтрацыі кіслаты, так і ад актыўнасці металу як адноўніку. Чым меншая канцэнтрацыя кіслаты і вышэйшая актыўнасць металу, тым мацней аднаўляюцца атамы серы. У агульным выглядзе ўзаемадзеянне канцэнтраванай сернай кіслаты з металамі можна паказаць схемай:

Так, у рэакцыі з металамі, якія знаходзяцца ў радзе актыўнасці пасля вадароду (акрамя золата і плаціны), утвараецца аксід серы(IV) SO₂, напрыклад:

У рэакцыях з металамі, размешчанымі ў радзе актыўнасці да вадароду, могуць утварацца і SO₂, і S, і Н₂S. Напрыклад, схемы рэакцый, якія праходзяць пры ўзаемадзеянні цынку з сернай кіслатой з павелічэннем яе канцэнтрацыі, выглядаюць так:

Па-другое, некаторыя параўнальна актыўныя металы (напрыклад, жалеза, алюміній, хром) канцэнтраванай сернай кіслатой пры пакаёвай тэмпературы пасівіруюцца: на паверхні металу ўтвараецца шчыльная аксідная плёнка. Дзякуючы пасівацыі жалеза магчыма перавозка кіслаты ў сталёвых цыстэрнах.

Сярод іншых асаблівасцей канцэнтраванай сернай кіслаты можна адзначыць наступныя. Яна здольна выцясняць менш моцныя ці больш лятучыя кіслоты (НСl, HNO₃, H₃PO₄, CH₃COOH) з іх солей:

Канцэнтраваная кіслата акісляе складаныя арганічныя рэчывы: апальвае паперу, драўніну, скуру, таму з ёй трэба абыходзіцца вельмі асцярожна.

З-за асаблівасці канцэнтраванай сернай кіслаты ўтвараць гідраты H₂SO₄ · nH₂O яе шырока выкарыстоўваюць як моцны водаадымальны сродак, а таксама як каталізатар у арганічным сінтэзе.

Сульфаты: фізічныя і хімічныя ўласцівасці, прымяненне

Серная кіслата, як было адзначана вышэй, утварае два рады солей — гідрасульфаты (кіслыя) і сульфаты (сярэднія), большасць з якіх добра растваральныя. У цвёрдым выглядзе з кіслых солей вылучаны солі толькі актыўных металаў (KНSO₄, NaHSO₄ і інш.). Сярэднія солі часта ўтвараюць крышталагідраты (Na₂SO₄ ∙ 10H₂O, CuSO₄ ∙ 5H₂O і інш.), таму бязводныя солі (сульфат натрыю, сульфат магнію) выкарыстоўваюць у лабараторнай практыцы ў якасці асушальнікаў. Сульфаты шчолачных металаў маюць дастаткова высокую тэрмічную ўстойлівасць.

Для ідэнтыфікацыі (якаснага выяўлення) сульфат-іонаў часцей за ўсё выкарыстоўваюць растваральныя солі барыю (ВаСl₂ або Ва(NO₃)₂). Пры гэтым утвараецца белы асадак сульфату барыю (Дадатак 3):

Многія сульфаты з’яўляюцца рэчывамі буйнатанажнай вытворчасці (табл. 28).

Табліца 28. Прымяненне сульфатаў

Хімічная формула і назва	Сферы выкарыстання
Na2SO4 · 10H2O глаўберава соль (мірабіліт)		Вытворчасць сінтэтычных мыйных сродкаў, цэлюлозы, шкляная вытворчасць, тэкстыльная прамысловасць
MgSO4 · 7H2O горкая (англійская) соль		Медыцына — для паніжэння ціску пры ўнутрывенным увядзенні; слабільны сродак. Мікраўгнаенне. Сушэнне растваральнікаў у лабараторнай практыцы бязводным сульфатам магнію
CuSO4 · 5H2O медны купарвас		Медыцына і раслінаводства — антысептык. У саставе бардоскай сумесі як фунгіцыд
FeSO4 · 7Н2О жалезны купарвас		Сельская гаспадарка — фунгіцыд, дрэваапрацоўчая прамысловасць — антысептык для насычэння драўніны. Вытворчасць мінеральных фарбаў
* ZnSO4 · 7Н2О цынкавы купарвас		Валодае высокім супрацьмікробным і бактэрыцыдным дзеяннем. Выкарыстоўваецца ў медыцыне (мазі, вочныя кроплі і інш.) і аграрным сектары (павышэнне ўраджайнасці, нармалізацыя імуннай сістэмы жывёл)

Пытанні, заданні, задачы

1. Запішыце малекулярную і структурную формулы сернай кіслаты. Назавіце сферы яе прымянення.

2. З тэксту параграфа выпішыце формулы:

• а) кіслых солей;
• б) крышталегідратаў.

Назавіце іх.

3. Складзіце формулы рэчываў:

• а) сульфат барыю, гідрасульфат літыю, сульфат жалеза(II), сульфат жалеза(III);
• б) сульфат магнію, сульфат алюмінію, гідрасульфат барыю, сульфат серабра(I).

4. З пераліку Mg, Zn, Al, Ag, Fe, Cr, Sn, Cu, Au, Рt выпішыце сімвалы металаў, якія:

• а) не выцясняюць вадарод з раствору сернай кіслаты;
• б) пасівіруюцца канцэнтраванай сернай кіслатой.

5. Складзіце ўраўненні рэакцый утварэння кіслых і сярэдніх солей пры ўзаемадзеянні гідраксідаў натрыю і кальцыю:

• а) з сернай кіслатой;
• б) сярністай кіслатой;
• в) аксідам серы(IV). Назавіце ўтвораныя солі.

6. Аксід серы(VI) масай 8 г растварылі ў вадзе масай 132 г. Вызначце масавую долю кіслаты ў растворы.

7. Расстаўце каэфіцыенты метадам электроннага балансу ва ўраўненнях рэакцый, якія праходзяць пры ўзаемадзеянні цынку з канцэнтраванай сернай кіслатой рознай канцэнтрацыі, згодна са схемамі на с. 193, 194.

8. Другая стадыя вытворчасці сернай кіслаты з пірыту — акісленне аксіду серы(IV) у аксід серы(VI) — заснавана на абарачальнай каталітычнай рэакцыі:

Ва ўмовах вытворчасці SO₃ з’яўляецца газам. Пакажыце ўмовы зрушвання раўнавагі ў бок прадукту рэакцыі.

9. Вызначце масу раствору сернай кіслаты з масавай доляй 20 %, які можна атрымаць пры разбаўленні раствору аб’ёмам 1 дм³ (шчыльнасць 1,835 г/см³) з масавай доляй сернай кіслаты 96 %.

10. Ёсць 500 г раствору аксіду серы(VI) у сернай кіслаце. Масавыя долі H₂SO₄ і SO₃ складаюць 92 % і 8 % адпаведна. Колькі грамаў вады трэба дадаць для атрымання 100%-най сернай кіслаты?

*Самакантроль

1. Укажыце прыкметы, характэрныя для сернай кіслаты:

• а) моцны электраліт;
• б) кіслародзмяшчальная;
• в) ступень акіслення серы +4;
• г) аднаасноўная.

2. Глаўберава соль мае састаў:

• а) Na₂CO₃ · 10H₂O;
• б) Na₂SO₄ · 10H₂O;
• в) FeSO₄ · 7Н₂О;
• г) MgSO₄ · 7Н₂О.

3. Белы асадак выпадае пры ўзаемадзеянні хларыду барыю з воднымі растворамі:

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

4. Працэс абпалу сернага калчадану ілюструе схема:

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

5. З металам рэагуе канцэнтраваная серная кіслата, калі прадуктамі рэакцыі з’яўляюцца:

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