6.35. Серная кислота

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, сырье 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:

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

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).

Физические свойства Серной кислоты

Серная кислота — тяжелая 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, ее используют для осушения различных веществ, в том числе и газов (рис. 86).

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

При попадании на кожу серная кислота вызывает тяжелые ожоги, ее пары поражают слизистые оболочки и легкие.

Химические свойства Серной кислоты

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:

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 щелочи NaOH и кислоты Н2SO4 2 : 1 или избытке NaOH образуется средняя соль (сульфат), а при их соотношении 1 : 1 — кислая соль (гидросульфат). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 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: . Концентрированная серная кислота — более сильный окислитель, чем разбавленная. Ее 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:

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 ее концентрации, выглядят так:

Во-вторых, некоторые сравнительно активные металлы (например, железо, алюминий, хром) концентрированной серной кислотой при комнатной температуре пассивируются: на поверхности металла образуется плотная оксидная пленка. 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:

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 ее широко используют как сильное водоотнимающее средство, а также как катализатор в органическом синтезе.

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

Вопросы, задания, задачи

1. Запишите молекулярную и структурную формулы серной кислоты. Назовите области ее 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:

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 объемом 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 · 7Н2О;
• г) MgSO4 · 7Н2О.

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↑.