Каждый человек на уроках химии изучал кислоты. Она из них называется серной кислотой и обозначается НSO 4 . О том, какие есть свойства серной кислоты, расскажет наша статья.

Физические свойства серной кислоты

Чистая серная кислота или моногидрат - это бесцветная маслянистая жидкость, которая застывает в кристаллическую массу при температуре +10°С. Серная кислота, предназначенная для реакций, содержит 95 % H 2 SO 4 и имеет плотность 1,84г/см 3 . 1 литр такой кислоты весит 2кг. Затвердевает кислота при температуре -20°С. Теплоте плавления 10,5кДж/моль при температуре 10,37°С.

Свойства концентрированной серной кислоты разнообразны. Например, при растворении этой кислоты в воде будет выделено большое количество теплоты (19ккал/моль) вследствие образования гидратов. Эти гидраты можно выделить из раствора при низких температурах в твердом виде.

Серная кислота - это один из самых основных продуктов в химической промышленности. Она предназначена для производства минеральных удобрений (сульфат аммония, суперфосфат), разнообразных солей и кислот, моющих и лекарственных средств, искусственных волокон, красителей, взрывчатых веществ. Также серная кислота имеет применение в металлургии (например, разложение урановых руд), для очистки нефтепродуктов, для осушки газов и так далее.

Химические свойства серной кислоты

Химические свойства серной кислоты такие:

1. Взаимодействие с металлами:
   • разбавленная кислота растворяет только те металлы, которые стоят левее водорода в ряду напряжений, например H 2 +1 SO 4 + Zn 0 = H 2 O + Zn +2 SO 4 ;
   • окислительные свойства серной кислоты велики. При взаимодействии с различными металлами (кроме Pt, Au) она может восстанавливаться до H 2 S -2 , S +4 O 2 или S 0 , например:
   • 2H 2 +6 SO 4 + 2Ag 0 = S +4 O 2 + Ag 2 +1 SO 4 + 2H 2 O;
   • 5H 2 +6 SO 4 +8Na 0 = H 2 S -2 + 4Na 2 +1 SO 4 + 4H 2 O;
2. Концентрированная кислота H 2 S +6 O 4 также реагирует (при нагревании) с некоторыми неметаллами, превращаясь при этом в соединения серы с более низкой степенью окисления, например:
   • 2H 2 S +6 O 4 + С 0 = 2S +4 O 2 + C +4 O 2 + 2H 2 O;
   • 2H 2 S +6 O 4 + S 0 = 3S +4 O 2 + 2H 2 O;
   • 5H 2 S +6 O 4 + 2P 0 = 2H 3 P +5 O 4 + 5S +4 O 2 + 2H 2 O;
3. С основными оксидами:
   • H 2 SO 4 + CuO = CuSO 4 + H 2 O;
4. С гидроксидами:
   • Cu(OH) 2 + H 2 SO 4 = CuSO 4 + 2H 2 O;
   • 2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O;
5. Взаимодействие с солями при обменных реакциях:
   • H 2 SO 4 + BaCl 2 = 2HCl + BaSO 4 ;

Образование BaSO 4 (белого осадка, нерастворимого в кислотах) используется для определения этой кислоты и растворимых сульфатов.

Моногидрат - это ионизирующий растворитель, имеющий кислотный характер. В нём очень хорошо растворять сульфаты многих металлов, например:

• 2H 2 SO 4 + HNO 3 = NO 2 + + H 3 O + + 2HSO 4 - ;
• HClO 4 + H 2 SO 4 = ClO 4 - + H 3 SO 4 + .

Концентрированная кислота - это довольно сильный окислитель, особенно при нагревании, например 2H 2 SO 4 + Cu = SO 2 ­ + CuSO 4 + H 2 O.

Действуя как окислитель, серная кислота, как правило, восстанавливается до SO 2 . Но она может быть восстановлена и до S и даже до H 2 S, например H 2 S + H 2 SO 4 = SO 2 + 2H 2 O + S.

Моногидрат почти не может проводить электрический ток. И, наоборот, водные растворы кислоты - это хорошие проводники. Серная кислота сильно поглощает влагу, поэтому ее используют для осушки разных газов. Как осушитель, серная кислота действует до тех пор, пока над её раствором давление водяного пара меньше, чем его давление в газе, который осушают.

Если закипятить разбавленный раствор серной кислоты, то из него уберется вода, при этом температура кипения будет повышаться до 337°С, например, когда начинают перегонять серную кислоту в концентрации 98,3%. И наоборот, из растворов, которые более концентрированные, испаряется лишний серный ангидрид. Пар кипящей при температуре 337°С кислоты частично разложен на SO 3 и H 2 O, которые при охлаждении опять будут соединены. Высокая температура кипения этой кислоты подходит для использования её в выделении легколетучих кислот из их солей при нагревании.

Меры предосторожности при работе с кислотой

При обращении с серной кислотой необходимо быть предельно осторожными. При попадании этой кислоты на кожу, кожа становится белой, потом буроватой и появляется покраснение. Окружающие ткани при этом распухают. При попадании этой кислоты на любой участок тела, ее необходимо быстро смыть водой, а обожжённое место смазать раствором соды.

Теперь Вы знаете, что серная кислота, свойства которой хорошо изучены, просто незаменима для разнообразного производства и добычи ископаемых.

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

СЕРНАЯ КИСЛОТА H 2 SO 4 , молекулярная масса 98,082; бесцв. маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, при 18°С pK a 1 - 2,8, K 2 1,2 10 -2 , pK a 2 l,92; длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S-ОН 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит с различные, образуя азеотропную смесь (98,3% H 2 SO 4 и 1,7% Н 2 О с температура кипения 338,8 °С; см. также табл. 1). СЕРНАЯ КИСЛОТА к., отвечающая 100%-ному содержанию H 2 SO 4 , имеет состав (%): H 2 SO 4 99,5, 0,18, 0,14, Н 3 О + 0,09, H 2 S 2 O 7 0,04, HS 2 O 7 0,05. Смешивается с водой и SO 3 во всех соотношениях. В водных растворах СЕРНАЯ КИСЛОТА к. практически полностью диссоциирует на Н + , и . Образует гидраты H 2 SO 4 nH 2 O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Растворы SO 3 в СЕРНАЯ КИСЛОТА к. называют олеумом, они образуют два соединение H 2 SO 4 SO 3 и H 2 SO 4 2SO 3 . Олеум содержит также пи-росерную кислоту, получающуюся по реакции: Н 2 SO 4 + + SO 3 : H 2 S 2 O 7 .

Температура кипения водных растворов СЕРНАЯ КИСЛОТА к. повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании 98,3% H 2 SO 4 (табл. 2). Температура кипения олеума с увеличением содержания SO 3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов СЕРНАЯ КИСЛОТА к. общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3% H 2 SO 4 достигает минимума. С увеличением концентрации SO 3 в олеуме общее давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами СЕРНАЯ КИСЛОТА к. и олеума можно вычислить по уравению: lgp(Пa) = А - В/Т+ 2,126, величины коэффициент А и В зависят от концентрации СЕРНАЯ КИСЛОТА к. Пар над водными растворами СЕРНАЯ КИСЛОТА к. состоит из смеси паров воды, Н 2 SO 4 и SO 3 , при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях СЕРНАЯ КИСЛОТА к., кроме соответствующей азеотропной смеси.

С повышением температуры усиливается диссоциация H 2 SO 4 H 2 О + SO 3 - Q, уравение температурной зависимости константы равновесия lnК p = 14,74965 - 6,71464ln(298/T) - 8, 10161 10 4 T 2 -9643,04/T-9,4577 10 -3 Т+2,19062 x 10 -6 T 2 . При нормальном давлении степень диссоциации: 10 -5 (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К). Плотность 100%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. можно определить по уравению: d= 1,8517 - - 1,1 10 -3 t + 2 10 -6 t 2 г/см 3 . С повышением концентрации растворов СЕРНАЯ КИСЛОТА к. их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к., теплоемкость олеума с повышением содержания SO 3 увеличивается.

При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность l уменьшается: l = 0,518 + 0,0016t - (0,25 + + t/1293) С/100, где С-концентрация СЕРНАЯ КИСЛОТА к., в %. Макс. вязкость имеет олеум H 2 SO 4 SO 3 , с повышением температуры h снижается. Электрич. сопротивление СЕРНАЯ КИСЛОТА к. минимально при концентрации 30 и 92% H 2 SO 4 и максимально при концентрации 84 и 99,8% H 2 SO 4 . Для олеума миним. r при концентрации 10% SO 3 . С повышением температуры r СЕРНАЯ КИСЛОТА к. увеличивается. Диэлектрич. проницаемость 100%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопич. постоянная 6,12, эбулиоскопич. постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в воздухе изменяется с изменением температуры; D = 1,67 10 -5 T 3/2 см 2 /с.

СЕРНАЯ КИСЛОТА к.-довольно сильный окислитель, особенно при нагревании; окисляет HI и частично НВг до свободный галогенов, углерод-до СО 2 , S-до SO 2 , окисляет многие металлы (Си, Hg и др.). При этом СЕРНАЯ КИСЛОТА к. восстанавливается до SO 2 , а наиболее сильными восстановителями-до S и H 2 S. Конц. H 2 SO 4 частично восстанавливается Н 2 , из-за чего не может применяться для его сушки. Разб. H 2 SO 4 взаимодействие со всеми металлами, находящимися в электрохимический ряду напряжений левее водорода, с выделением Н 2 . Окислит. свойства для разбавленый H 2 SO 4 нехарактерны. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. дает два ряда солей: средние-сульфаты и кислые-гидросульфаты (см. Сульфаты неорганические), а также эфиры (см. Сульфаты органические). Известны пероксомоносерная (кислота Каро) H 2 SO 5 и пероксоди-серная H 2 S 2 O 8 кислоты (см. Сера).

Получение. Сырьем для получения СЕРНАЯ КИСЛОТА к. служат: S, сульфи-ды металлов, H 2 S, отходящие газы теплоэлектростанций, сульфаты Fe, Ca и др. Осн. стадии получения СЕРНАЯ КИСЛОТА к.: 1) обжиг сырья с получением SO 2 ; 2) окисление SO 2 до SO 3 (конверсия); 3) абсорбция SO 3 . В промышленности применяют два метода получения СЕРНАЯ КИСЛОТАк., отличающихся способом окисления SO 2 ,-контактный с использованием твердых катализаторов (контактов) и нитрозный-с оксидами азота. Для получения СЕРНАЯ КИСЛОТА к. контактным способом на современной заводах применяют ванадиевые катализаторы, вытеснившие Pt и оксиды Fe. Чистый V 2 O 5 обладает слабой каталитических активностью, резко возрастающей в присутствии солей щелочных металлов, причем наиболее влияние оказывают соли К. Промотирующая роль щелочных металлов обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3К 2 S 2 О 7 V 2 О 5 , 2К 2 S 2 O 7 V 2 O 5 и K 2 S 2 O 7 V 2 O 5 , разлагающихся соответственно при 315-330, 365-380 и 400-405 °С). Активный компонент в условиях катализа находится в расплавленном состоянии.

Схему окисления SO 2 в SO 3 можно представить следующей образом:

На первой стадии достигается равновесие, вторая стадия медленная и определяет скорость процесса.

Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (рис. 1) состоит из следующей стадий. Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню, где он осушается 93-98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. до содержания влаги 0,01% по объему. Осушенный воздух поступает в серную печь после предварит. подогрева в одном из теплообменников контактного узла. В печи сжигается сера, подаваемая форсунками: S + О 2 : SO 2 + + 297,028 кДж. Газ, содержащий 10-14% по объему SO 2 , охлаждается в котле и после разбавления воздухом до содержания SO 2 9-10% по объему при 420 °С поступает в контактный аппарат на первую стадию конверсии, которая протекает на трех слоях катализатора (SO 2 + V 2 O 2 : : SO 3 + 96,296 кДж), после чего газ охлаждается в теплообменниках. Затем газ, содержащий 8,5-9,5% SO 3 , при 200 °С поступает на первую стадию абсорбции в абсорбер, орошаемый олеумом и 98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к.: SO 3 + Н 2 О : Н 2 SO 4 + + 130,56 кДж. Далее газ проходит очистку от брызг СЕРНАЯ КИСЛОТА к., нагревается до 420 °С и поступает на вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в абсорбер второй ступени, орошаемый 98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к., и затем после очистки от брызг выбрасывается в атмосферу.

Рис. 1. Схема производства серной кислоты из серы: 1-серная печь; 2-котел-утилизатор; 3 - экономайзер; 4-пусковая топка; 5, 6-теплообменники пусковой топки; 7-контактный аппарат; 8-теплообменники; 9-олеумный абсорбер; 10-сушильная башня; 11 и 12-соответственно первый и второй моногидратные абсорберы; 13-сборники кислоты.

Рис.2. Схема производства серной кислоты из колчедана: 1-тарельчатый питатель; 2-печь; 3-котел-утилизатор; 4-циклоны; 5-электрофильтры; 6-промывные башни; 7-мокрые электрофильтры; 8-отдувочная башня; 9-сушильная башня; 10-брызгоуловитель; 11-первый моногидратный абсорбер; 12-теплообмен-вики; 13 - контактный аппарат; 14-олеумный абсорбер; 15-второй моногидратный абсорбер; 16-холодильники; 17-сборники.

Рис. 3. Схема производства серной кислоты нитроз-ным методом: 1 - денитрац. башня; 2, 3-первая и вторая продукц. башни; 4-окислит. башня; 5, 6, 7-абсорбц. башни; 8 - электрофильтры.

Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. из сульфидов металлов (рис. 2) существенно сложнее и состоит из следующей операций. Обжиг FeS 2 производят в печи кипящего слоя на воздушном дутье: 4FeS 2 + 11О 2 : 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476 кДж. Обжиговый газ с содержанием SO 2 13-14%, имеющий температуру 900 °С, поступает в котел, где охлаждается до 450 °С. Очистку от пыли осуществляют в циклоне и электрофильтре. Далее газ проходит через две промывные башни, орошаемые 40%-ной и 10%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. При этом газ окончательно очищается от пыли, фтора и мышьяка. Для очистки газа от аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА к., образующегося в промывных башнях, предусмотрены две ступени мокрых электрофильтров. После осушки в сушильной башне, перед которой газ разбавляется до содержания 9% SO 2 , его газодувкой подают на первую стадию конверсии (3 слоя катализатора). В теплообменниках газ подогревается до 420 °С благодаря теплу газа, поступающего с первой стадии конверсии. SO 2 , окисленный на 92-95% в SO 3 , идет на первую стадию абсорбции в олеумный и моногидратный абсорберы, где освобождается от SO 3 . Далее газ с содержанием SO 2 ~ 0,5% поступает на вторую стадию конверсии, которая протекает на одном или двух слоях катализатора. Предварительно газ нагревается в др. группе теплообменников до 420 °С благодаря теплу газов, идущих со второй стадии катализа. После отделения SO 3 на второй стадии абсорбции газ выбрасывается в атмосферу.

Степень превращения SO 2 в SO 3 при контактном способе 99,7%, степень абсорбции SO 3 99,97%. Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. осуществляют и в одну стадию катализа, при этом степень превращения SO 2 в SO 3 не превышает 98,5%. Перед выбросом в атмосферу газ очищают от оставшегося SO 2 (см. Газов очистка). Производительность современной установок 1500-3100 т/сут.

Сущность нитрозного метода (рис. 3) состоит в том, что обжиговый газ после охлаждения и очистки от пыли обрабатывают так называемой нитрозой-С. к., в которой раств. оксиды азота. SO 2 поглощается нитрозой, а затем окисляется: SO 2 + N 2 O 3 + Н 2 О : Н 2 SO 4 + NO. Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом в газовой фазе до NO 2 . Смесь NO и NO 2 вновь поглощается СЕРНАЯ КИСЛОТАк. и т.д. Оксиды азота не расходуются в нитрозном процессе и возвращаются в производств. цикл, вследствие неполного поглощения их СЕРНАЯ КИСЛОТА к. они частично уносятся отходящими газами. Достоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформления, более низкая себестоимость (на 10-15% ниже контактной), возможность 100%-ной переработки SO 2 .

Аппаратурное оформление башенного нитрозного процесса несложно: SO 2 перерабатывается в 7-8 футерованных башнях с керамич. насадкой, одна из башен (полая) является регулируемым окислит. объемом. Башни имеют сборники кислоты, холодильники, насосы, подающие кислоту в напорные баки над башнями. Перед двумя последними башнями устанавливается хвостовой вентилятор. Для очистки газа от аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА к. служит электрофильтр. Оксиды азота, необходимые для процесса, получают из HNO 3 . Для сокращения выброса оксидов азота в атмосферу и 100%-ной переработки SO 2 между продукционной и абсорбционной зонами устанавливается безнитрозный цикл переработки SO 2 в комбинации с водно-кислотным методом глубокого улавливания оксидов азота. Недостаток нитрозного метода-низкое качество продукции: концентрация СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 75%, наличие оксидов азота, Fe и др. примесей.

Для уменьшения возможности кристаллизации СЕРНАЯ КИСЛОТА к. при перевозке и хранении установлены стандарты на товарные сорта СЕРНАЯ КИСЛОТА к., концентрация которых соответствует наиболее низким температурам кристаллизации. Содержание СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в техн. сортах (%): башенная (нитрозная) 75, контактная 92,5-98,0, олеум 104,5, высокопроцентный олеум 114,6, аккумуляторная 92-94. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. хранят в стальных резервуарах объемом до 5000 м 3 , их общая емкость на складе рассчитана на десятисуточньш выпуск продукции. Олеум и СЕРНАЯ КИСЛОТА к. перевозят в стальных железнодорожных цистернах. Конц. и аккумуляторную СЕРНАЯ КИСЛОТА к. перевозят в цистернах из кислотостойкой стали. Цистерны для перевозки олеума покрывают теплоизоляцией и перед заливкой олеум подогревают.

Определяют СЕРНАЯ КИСЛОТА к. колориметрически и фотометрически, в виде взвеси BaSO 4 - фототурбидиметрически, а также ку-лонометрич. методом.

Применение. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. применяют в производстве минеральных удобрений, как электролит в свинцовых аккумуляторах, для получения различные минеральных кислот и солей, химический волокон, красителей, дымообразующих веществ и ВВ, в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности. Ее используют в пром. органическое синтезе в реакциях дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров), гидратации (этанол из этилена), сульфирования (синтетич. моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей), алкили-рования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капро-лактама) и др. Самый крупный потребитель СЕРНАЯ КИСЛОТАк.-производство минеральных удобрений. На 1 т Р 2 О 5 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т СЕРНАЯ КИСЛОТА к., а на 1 т (NH 4) 2 SO 4 -0,75 т СЕРНАЯ КИСЛОТА к. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений. Мировое производство СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в 1987 достигло 152 млн. т.

СЕРНАЯ КИСЛОТА к. и олеум - чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко-ларингит, трахеит, бронхит и т. д. ПДК аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м 3 , в атм. воздухе 0,3 мг/м 3 (макс. разовая) и 0,1 мг/м 3 (среднесуточная). Поражающая концентрация паров СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль СЕРНАЯ КИСЛОТА к. может образовываться в атмосфере в результате выбросов химический и металлургич. производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

Литература: Справочник сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971; Амелин А. Г., Технология серной кислоты, 2 изд., М., 1983; Васильев Б. Т., Отвагина М. И., Технология серной кислоты, М., 1985. Ю.В. Филатов.

Химическая энциклопедия. Том 4 >>

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Безводная серная кислота представляет собой тяжелую, вязкую жидкость, которая легко смешивается с водой в любой пропорции: взаимодействие характеризуется исключительно большим экзотермическим эффектом (~880 кДж/моль при бесконечном разбавлении) и может привести к взрывному вскипанию и разбрызгиванию смеси, если воду добавлять к кислоте; поэтому так важно всегда использовать обратный порядок в приготовлении растворов и добавлять кислоту в воду, медленно и при перемешивании.

Некоторые физические свойства серной кислоты приведены в таблице.

Безводная H 2 SO 4 — замечательное соединение с необычно высокой диэлектрической проницаемостью и очень высокой электропроводностью, которая обусловлена ионной автодиссоциацией (автопротолизом) соединения, а также эстафетным механизмом проводимости с переносом протона, обеспечивающим протекание электрического тока через вязкую жидкость с большим числом водородных связей.

Таблица 1. Физические свойства серной кислоты.

Получение серной кислоты

Серная кислота — самый важный промышленный химикат и самая дешевая из производимых в большом объеме кислот влюбой стране мира.

Концентрированную серную кислоту («купоросное масло») сначала получали нагреванием «зеленого купороса» FeSO 4 ×nH 2 O и расходовали в большом количестве на получение Na 2 SO 4 и NaCl.

В современном процессе получения серной кислоты используется катализатор, состоящий из оксида ванадия(V) с добавкой сульфата калия на носителе из диоксида кремния или кизельгура. Диоксид серы SO 2 получают сжиганием чистойсеры или при обжиге сульфидной руды (прежде всего пирита или руд Си, Ni и Zn) в процессе извлечения этихметаллов.Затем SO 2 окисляют до триоксида, а потом путем растворения в воде получают серную кислоту:

S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 — 297 кДж/моль);

SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 — 9,8 кДж/моль);

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 — 130 кДж/моль).

Химические свойства серной кислоты

Серная кислота - сильная двухосновная кислота. По первой ступени в растворах невысокой концентрации она диссоциирует практически нацело:

H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 — .

Диссоциация по второй ступени

HSO 4 — ↔H + + SO 4 2-

протекает в меньшей степени. Константа диссоциации серной кислоты по второй ступени, выраженная через активности ионов, K 2 = 10 -2 .

Как кислота двухосновная, серная кислота образует два ряда солей: средние и кислые. Средние соли серной кислоты называются сульфатами, а кислые - гидросульфатами.

Серная кислота жадно поглощает пары воды и поэтому часто применяется для осушения газов. Способностью поглощать воду объясняется и обугливание многих органических веществ, особенно относящихся к классу углеводов (клетчатка, сахар и т.д.), при действии на них концентрированной серной кислоты. Серная кислота отнимает от углеводов водород и кислород, которые образуют воду, а углерод выделяется в виде угля.

Концентрированная серная кислота, особенно горячая, — энергичный окислитель. Она окисляет HI и HBr (но не HCl) до свободных галогенов, уголь - до CO 2 , серу - до SO 2 . Указанные реакции выражаются уравнениями:

8HI + H 2 SO 4 = 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;

2HBr + H 2 SO 4 = Br 2 + SO 2 + 2H 2 O;

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O.

Взаимодействие серной кислоты с металлами протекает различно в зависимости от её концентрации. Разбавленная серная кислота окисляет своим ионом водорода. Поэтому она взаимодействует только с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений только до водорода, например:

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

Однако свинец не растворяется в разбавленной кислоте, поскольку образующаяся соль PbSO 4 нерастворима.

Концентрированная серная кислота является окислителем за счет серы (VI). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно. Продукты её восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла и от условий (концентрация кислоты, температура). При взаимодействии с малоактивными металлами, например с медью, кислота восстанавливается до SO 2:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как диоксид, так и свободная сера и сероводород. Например, при взаимодействии с цинком могут протекать реакции:

Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;

3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;

4Zn + 5H 2 SO 4 = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

Применение серной кислоты

Применение серной кислоты меняется от страны к стране и от десятилетия к десятилетию. Так, например в США в настоящее время главная область потребления H 2 SO 4 — производство удобрений (70%), за ним следуют химическое производство, металлургия, очистка нефти (~5% в каждой области). В Великобритании распределение потребления по отраслям иное: только 30% производимой H 2 SO 4 используется в производстве удобрений, зато 18% идет на краски, пигменты и полупродукты производства красителей, 16% на химическое производство, 12% на получение мыла и моющих средств, 10% на производство натуральных и искусственных волокон и 2,5% применяется в металлургии.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Определите массу серной кислоты, которую можно получить из одной тонны пирита, если выход оксида серы (IV) в реакции обжига составляет 90%, а оксида серы (VI) в реакции каталитического окисления серы (IV) - 95% от теоретического.
Решение	Запишем уравнение реакции обжига пирита: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 . Рассчитаем количество вещества пирита: n(FeS 2) = m(FeS 2) / M(FeS 2); M(FeS 2) = Ar(Fe) + 2×Ar(S) = 56 + 2×32 = 120г/моль; n(FeS 2) = 1000 кг / 120 = 8,33 кмоль. Поскольку в уравнении реакции коэффициент при диоксиде серы в два раза больше, чем коэффициент при FeS 2 , то теоретически возможное количество вещества оксида серы (IV) равно: n(SO 2) theor = 2 ×n(FeS 2) = 2 ×8,33 = 16,66 кмоль. А практически полученное количество моль оксида серы (IV) составляет: n(SO 2) pract = η × n(SO 2) theor = 0,9 × 16,66 = 15 кмоль. Запишем уравнение реакции окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI): 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 . Теоретически возможное количество вещества оксида серы (VI) равно: n(SO 3) theor = n(SO 2) pract = 15 кмоль. А практически полученное количество моль оксида серы (VI) составляет: n(SO 3) pract = η × n(SO 3) theor = 0,5 × 15 = 14,25 кмоль. Запишем уравнение реакции получения серной кислоты: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 . Найдем количество вещества серной кислоты: n(H 2 SO 4) = n(SO 3) pract = 14,25 кмоль. Выход реакции составляет 100%. Масса серной кислоты равна: m(H 2 SO 4) = n(H 2 SO 4) × M(H 2 SO 4); M(H 2 SO 4) = 2×Ar(H) + Ar(S) + 4×Ar(O) = 2×1 + 32 + 4×16 = 98 г/моль; m(H 2 SO 4) = 14,25 × 98 = 1397 кг.
Ответ	Масса серной кислоты равна 1397 кг

Физические свойства

Чистая 100 %-ная серная кислота (моногидрат) представляет собой бесцветную маслянистую жидкость, застывающую в кристаллическую массу при +10 °С. Реактивная серная кислота имеет обычно плотность 1,84 г/см 3 и содержит около 95 % H 2 SO 4 . Затвердевает она лишь ниже -20 °С.

Температура плавления моногидрата равна 10,37 °С при теплоте плавления 10,5 кДж/моль. В обычных условиях он представляет собой очень вязкую жидкость с весьма высоким значением диэлектрической проницаемости (e = 100 при 25 °С). Незначительная собственная электролитическая диссоциация моногидрата протекает параллельно по двум направлениям: [Н 3 SO 4 + ]·[НSO 4 - ] = 2·10 -4 и [Н 3 О + ]·[НS 2 О 7 - ] = 4·10 -5 . Его молекулярно-ионный состав может быть приближенно охарактеризован следующими данными (в %):

H 2 SO 4 HSO 4 - H 3 SO 4 + H 3 O + HS 2 O 7 - H 2 S 2 O 7

99,50,180,140,090,050,04

При добавлении даже малых количеств воды преобладающей становится диссоциация по схеме:Н 2 О + Н 2 SО 4 <==> Н 3 О+ + НSO 4 -

Химические свойства

H 2 SO 4 - сильная двухосновная кислота.

H 2 SO 4 <--> H + + HSO 4 - <--> 2H + + SO 4 2-

Первая ступень (для средних концентраций) приводит к 100%-ой диссоциации:

K2 = ( · ) / = 1,2 · 10-2

1) Взаимодействие с металлами:

a) разбавленная серная кислота растворяет только металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода:

Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (разб) --> Zn +2 SO 4 + H 2 O

b) концентрированная H 2 +6 SO 4 - сильный окислитель; при взаимодействии с металлами (кроме Au, Pt) может восстанавливаться до S +4 O 2 , S 0 или H 2 S -2 (без нагревания не реагируют также Fe, Al, Cr - пассивируются):

• 2Ag 0 + 2H 2 +6 SO 4 --> Ag 2 +1 SO 4 + S +4 O 2 + 2H 2 O
• 8Na 0 + 5H 2 +6 SO 4 --> 4Na 2 +1 SO 4 + H 2 S -2 + 4H 2 O
• 2) концентрированная H 2 S +6 O 4 реагирует при нагревании с некоторыми неметаллами за счет своих сильных окислительных свойств, превращаясь в соединения серы более низкой степени окисления, (например, S +4 O 2):

С 0 + 2H 2 S +6 O 4 (конц) --> C +4 O 2 + 2S +4 O 2 + 2H 2 O

S 0 + 2H 2 S +6 O 4 (конц) --> 3S +4 O 2 + 2H 2 O

• 2P 0 + 5H 2 S +6 O 4 (конц) --> 5S +4 O 2 + 2H 3 P +5 O 4 + 2H 2 O
• 3) с основными оксидами:

CuO + H 2 SO 4 --> CuSO4 + H2O

CuO + 2H + --> Cu 2+ + H 2 O

4) с гидроксидами:

H 2 SO 4 + 2NaOH --> Na 2 SO 4 + 2H 2 O

H + + OH - --> H 2 O

H 2 SO 4 + Cu(OH) 2 --> CuSO 4 + 2H 2 O

• 2H + + Cu(OH) 2 --> Cu 2+ + 2H 2 O
• 5) обменные реакции с солями:

BaCl 2 + H 2 SO 4 --> BaSO 4 + 2HCl

Ba 2+ + SO 4 2- --> BaSO 4

Образование белого осадка BaSO 4 (нерастворимого в кислотах) используется для идентификации серной кислоты и растворимых сульфатов.

MgCO 3 + H 2 SO 4 --> MgSO 4 +H 2 O + CO 2 H 2 CO 3

Моногидрат (чистая, 100%-ая серная кислота) является ионизирующим растворителем, имеющим кислотный характер. В нём хорошо растворяются сульфаты многих металлов (переходя при этом в бисульфаты), тогда как соли других кислот растворяются, как правило, лишь при возможности их сольволиза (с переводом в бисульфаты). Азотная кислота ведет себя в моногидрате как слабое основаниеHNO 3 + 2 H 2 SO 4 <==> H 3 O + + NO 2 + + 2 HSO 4 - хлорная - как очень слабая кислотаH 2 SO 4 + HClO 4 = H 3 SO 4 + + ClO 4 - Фторсульфоновая и хлорсульфоновая оказываются кислотами несколько более сильными (HSO 3 F > HSO 3 Cl > HClO 4). Моногидрат хорошо растворяет многие органические вещества, имеющие в своём составе атомы с неподелёнными электронными парами (способными к присоединению протона). Некоторые из них могут быть затем выделены обратно в неизменённом состоянии путем простого разбавления раствора водой. Моногидрат обладает высоким значением криоскопической константы (6,12°) и им иногда пользуются как средой для определения молекулярных весов.

Концентрированная H 2 SO 4 является довольно сильным окислителем, особенно при нагревании (восстанавливается обычно до SO 2). Например, она окисляет HI и частично HВr (но не HСl) до свободных галогенов. Окисляются ею и многие металлы - Cu, Hg и др. (тогда как золото и платина по отношению к H 2 SO 4 устойчивы). Так взаимодействие с медью идёт по уравнению:

Cu + 2 H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + H 2 O

Действуя в качестве окислителя, серная кислота обычно восстанавливается до SO 2 . Однако наиболее сильными восстановителями она может быть восстановлена до S и даже H 2 S. С сероводородом концентрированная серная кислота реагирует по уравнению:

H 2 SO 4 + H 2 S = 2H 2 O + SO 2 + S

Следует отметить, что она частично восстанавливается также газообразным водородом и поэтому не может применяться для его осушки.

Рис. 13.

Растворение концентрированной серной кислоты в воде сопровождается значительным выделением тепла (и некоторым уменьшением общего объёма системы). Моногидрат почти не проводит электрического тока. Напротив, водные растворы серной кислоты являются хорошими проводниками. Как видно на рис. 13, максимальной электропроводностью обладает приблизительно 30 %-ная кислота. Минимум кривой соответствует гидрату состава H 2 SO 4 ·H 2 O.

Выделение тепла при растворении моногидрата в воде составляет (в зависимости от конечной концентрации раствора) до 84 кДж/моль H 2 SO 4 . Напротив, смешиванием 66 %-ной серной кислоты, предварительно охлажденной до 0 °С, со снегом (1:1 по массе) может быть достигнуто понижение температуры, до -37 °С.

Изменение плотности водных растворов H 2 SO 4 с её концентрацией (вес. %) дано ниже:

Как видно из этих данных, определение по плотности концентрации серной кислоты выше 90 вес. % становится весьма неточным. Давление водяного пара над растворами H 2 SO 4 различной концентрации при разных температурах показано на рис. 15. В качестве осушителя серная кислота может действовать лишь до тех пор, пока давление водяного пара над её раствором меньше, чем его парциальное давление в осушаемом газе.

Рис. 15.

Рис. 16. Температуры кипения над растворами H 2 SO 4 . растворов H 2 SO 4 .

При кипячении разбавленного раствора серной кислоты из него отгоняется вода, причём температура кипения повышается вплоть до 337 °С, когда начинает перегоняться 98,3 % H 2 SO 4 (рис. 16). Напротив, из более концентрированных растворов улетучивается избыток серного ангидрида. Пар кипящей при 337 °С серной кислоты частично диссоциирован на H 2 O и SO 3 , которые вновь соединяются при охлаждении. Высокая температура кипения серной кислоты позволяет использовать её для выделения при нагревании легколетучих кислот из их солей (например, HCl из NaCl).

Получение

Моногидрат может быть получен кристаллизацией концентрированной серной кислоты при -10 °С.

Производство серной кислоты.

• 1-я стадия. Печь для обжига колчедана.
• 4FeS 2 + 11O 2 --> 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q

Процесс гетерогенный:

• 1) измельчение железного колчедана (пирита)
• 2) метод "кипящего слоя"
• 3) 800°С; отвод лишнего тепла
• 4) увеличение концентрации кислорода в воздухе
• 2-я стадия. После очистки, осушки и теплообмена сернистый газ поступает в контактный аппарат, где окисляется в серный ангидрид (450°С - 500°С; катализатор V 2 O 5):
• 2SO 2 + O 2
• 3-я стадия. Поглотительная башня:

nSO 3 + H 2 SO 4 (конц) --> (H 2 SO 4 · nSO 3)(олеум)

Воду использовать нельзя из-за образования тумана. Применяют керамические насадки и принцип противотока.

Применение.

Помните! Серную кислоту нужно вливать малыми порциями в воду, а не на оборот. Иначе может произойти бурная химическая реакция, в результате которой человек может получить сильные ожоги.

Серная кислота -- один из основных продуктов химической промышленности. Идет на производство минеральных удобрений (суперфосфат, сульфат аммония), различных кислот и солей, лекарственных и моющих средств, красителей, искусственных волокон, взрывчатых веществ. Применяется в металлургии (разложение руд, напр. урановых), для очистки нефтепродуктов, как осушитель и др.

Практически важно то обстоятельство, что очень крепкая (выше 75 %) серная кислота не действует на железо. Это позволяет хранить и перевозить её в стальных цистернах. Напротив, разбавленная H 2 SO 4 легко растворяет железо с выделением водорода. Окислительные свойства для неё вовсе не характерны.

Крепкая серная кислота энергично поглощает влагу и поэтому часто применяется для осушки газов. От многих органических веществ, содержащих в своём составе водород и кислород, она отнимает воду, что нередко используется в технике. С этим же (а также с окислительными свойствами крепкой H 2 SO 4) связано её разрушающее действие на растительные и животные ткани. Случайно попавшую при работе на кожу или платье серную кислоту следует тотчас же смыть большим количеством воды, затем смочить пострадавшее место разбавленным раствором аммиака и вновь промыть водой.

Триоксид серы, как правило, имеет вид бесцветной жидкости. Он также может существовать в виде льда, волокнистых кристаллов или газа. Когда триоксид серы подвергается воздействию воздуха, начинает выделяться белый дым. Он является составным элементом такого химически активного вещества, как концентрированная серная кислота. Это прозрачная, бесцветная, маслянистая и весьма агрессивная жидкость. Она используется в производстве удобрений, взрывчатых веществ, других кислот, в нефтяной промышленности, в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях в автомобилях.

Концентрированная серная кислота: свойства

Серная кислота хорошо растворяется в воде, обладает коррозионным воздействием на металлы и ткани, при контакте обугливает древесину и большинство других органических веществ. В результате длительного воздействия низкой концентрации вещества или краткосрочном воздействии высокой могут иметь место неблагоприятные последствия для здоровья от вдыхания.

Концентрированная серная кислота используется для изготовления удобрений и других химикатов, в переработке нефти, в производстве чугуна и стали и для многих других целей. Поскольку она имеет достаточно высокую температуру кипения, она может быть использована для выпуска более летучих кислот из их солей. Концентрированная серная кислота обладает сильным гигроскопичным свойством. Ее иногда используют в качестве сушильного агента для дегидратации (удаления воды химическим методом) многих соединений, например, углеводов.

Реакции серной кислоты

Концентрированная серная кислота необычным образом реагирует на сахар, оставляя за собой ломкую губчатую черную массу из углерода. Подобная реакция наблюдается при воздействии на кожу, целлюлозу и другие растительные и животные волокна. Когда концентрированная кислота смешивается с водой, выделяется большое количество тепла, достаточное для мгновенного кипячения. Для разбавления ее следует добавлять медленно в холодную воду при постоянном помешивании, чтобы ограничить накопление тепла. Серная кислота реагирует с жидкостью, образуя гидраты с резко выраженными свойствами.

Физические характеристики

Жидкость без цвета и запаха в разбавленном растворе имеет кислый вкус. Серная кислота является экстремально агрессивной при воздействии на кожу и все ткани организма, при непосредственном контакте вызывает сильные ожоги. В чистом виде H 2 SO4 не является проводником электричества, однако ситуация меняется в противоположную сторону с добавлением воды.

Некоторые свойства заключается в том, что молекулярная масса составляет 98.08. Температура кипения составляет 327 градусов Цельсия, плавления -2 градуса Цельсия. Серная кислота является сильной минеральной кислотой и одним из главных продуктов химической промышленности ввиду ее широкого коммерческого применения. Она образуется естественным образом в результате окисления сульфидных материалов, таких как сульфид железа.

Химические свойства серной кислоты (H 2 SO4) проявляются в различных химических реакциях :

1. При взаимодействии со щелочами образуются два ряда солей, в том числе сульфаты.
2. Реагирует с карбонатами и гидрокарбонатами с образованием солей и углекислого газа (СО 2).
3. На металлы она воздействует по-разному, в зависимости от температуры и степени разбавления. Холодная и разбавленная дает выход водороду, горячая и концентрированная дает выбросы SO 2 .
4. На триоксид серы (SO 3) и воду (Н 2 О) разлагается при кипячении раствор H 2 SO4 (концентрированная серная кислота). Химические свойства включают также роль сильного окислителя.

Пожарная опасность

Серная кислота обладает высокой реакционной способностью к воспламенению мелкодисперсных горючих материалов при контакте. При нагревании начинают выделяться высокотоксичные газы. Она является взрывоопасной и несовместимой с огромным количеством веществ. При повышенных температурах и давлении могут происходить достаточно агрессивные химические изменения и деформации. Может бурно реагировать с водой и другими жидкостями, приводя к разбрызгиванию.

Опасность для здоровья

Серная кислота разъедает все ткани организма. Вдыхание паров может привести к серьезным повреждениям легких. Поражение слизистой глаз может привести к полной потере зрения. Контакт с кожей может вызывать тяжелые некрозы. Даже несколько капель могут быть фатальными, если кислота получает доступ к трахее. Хроническое воздействие может вызвать трахеобронхит, стоматит, конъюнктивит, гастрит. Могут возникнуть перфорации желудка и перитонит, сопровождаемые циркуляторным коллапсом. Серная кислота является очень едким веществом, с которым следует обращаться с особой осторожностью. Признаки и симптомы при воздействии могут быть тяжелыми и включают слюнотечение, сильную жажду, затруднение глотания, боль, шок и ожоги. Рвотные массы, как правило, имеют цвет молотого кофе. Острое ингаляционное воздействие может привести к чиханию, осиплости голоса, удушью, ларингиту, одышке, раздражению дыхательных путей и боли в груди. Кровотечения из носа и десен, отек легких, хронический бронхит и пневмония также могут возникнуть. Воздействие на кожу может привести к серьезным болевым ожогам и дерматиту.

Первая помощь

1. Поместить пострадавших на свежий воздух. Сотрудники экстренных служб должны избегать при этом воздействия серной кислоты.
2. Оценить жизненные показатели, включая пульс и частоту дыхания. Если пульс не обнаруживается, провести реанимационные мероприятия в зависимости от полученных дополнительных травм. Если дыхание есть и затруднено, обеспечить респираторную поддержку.
3. Снять запачканную одежду как можно скорее.
4. В случае попадания в глаза промывать теплой водой по крайней мере 15 минут, на кожу - промыть водой с мылом.
5. При вдыхании ядовитых паров нужно прополоскать рот большим количеством воды, пить и самостоятельно вызывать рвоту запрещается.
6. Доставить пострадавших в лечебное учреждение.