Серная кислота
Характеристики и физические свойства серной кислоты
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 H2SO4 — 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.
| Температура плавления, oС | 10,371 |
| Температура кипения, oС | ≈ 300 (разл.) |
| Плотность (25oС), г×см-3 | 1,8267 |
| Вязкость (25oС), сантипуаз | 24,55 |
| Диэлектрическая проницаемость | |
| Удельная электропроводность (25oС), Ом-1×см-1 | 1,0439×10-2 |
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» FeSO4×nH2O и расходовали в большом количестве на получение Na2SO4 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 SO2 получают сжиганием чистойсеры или при обжиге сульфидной руды (прежде всего пирита или руд Си, Ni и Zn) в процессе извлечения этихметаллов.Затем SO2 окисляют до триоксида, а потом путем растворения в воде получают серную кислоту:
|
|
S + O2→ SO2 (ΔH0 — 297 кДж/моль);
SO2 + ½ O2→ SO3 (ΔH0 — 9,8 кДж/моль);
SO3 + H2O → H2SO4 (ΔH0 — 130 кДж/моль).
Химические свойства серной кислоты
Серная кислота – сильная двухосновная кислота. По первой ступени в растворах невысокой концентрации она диссоциирует практически нацело:
H2SO4↔H+ + HSO4—.
Диссоциация по второй ступени
HSO4—↔H+ + SO42-
протекает в меньшей степени. Константа диссоциации серной кислоты по второй ступени, выраженная через активности ионов, K2 = 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 CO2, серу – до SO2. Указанные реакции выражаются уравнениями:
|
|
8HI + H2SO4 = 4I2 + H2S↑ + 4H2O;
2HBr + H2SO4 = Br2 + SO2↑ + 2H2O;
C + 2H2SO4 = CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O;
S + 2H2SO4 = 3SO2 + 2H2O.
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 + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑.
Однако свинец не растворяется в разбавленной кислоте, поскольку образующаяся соль PbSO4 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 SO2:
Концентрированная серная кислота H2SO4, в отличие от разбавленной, взаимодействует со всеми металлами, как стоящими в ряду напряжений до Н2, так и после (кроме некоторых благородных металлов: Au, Pt). При этом Н2 не выделяется, а образуется соль, Н2О и соответствующий продукт восстановления молекул кислоты: Н2S, S или SO2. Что именно будет получаться в каждом конкретном случае зависит, в первую очередь, от активности металла, температуры реакции, концентрации кислоты. Так, например, с наиболее активными металлами (щелочными, щелочноземельными), металлами средней активности чаще всего выделяется Н2S или S:
|
|
8Na + 5H2SO4 конц. = 4Na2SO4 + 4H2O + H2S ↑
3Zn + 4H2SO4(конц.) = 3ZnSO4 + 4H2О + S ↓
Хотя при этом могут одновременно образовываться в разных количествах и другие продукты. Поэтому практического значения эти реакции не имеют.
С неактивными металлами (стоящими в ряду напряжений после Н2) образуется SO2:
Сu + 2H2SO4(конц.) = CuSO4 + 2H2О + SO2 ↑
На некоторые металлы (Fe, Al, Cr и т.д.) H2SO4 (конц.) при обычных условиях и на холоде не действует из-за эффекта пассивации. Однако при достаточно сильном нагревании реакция становится возможной:
2Al + 4H2SO4 (конц.) = Al2(SO4)3 + SO2 + 2H2O
При этом, как правило, образуется SO2, а Cr и Fe окисляются до +3.
Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2↑ + 2H2O.
Серная кислота (концентрированная и разбавленная) взаимодействует с оксидами металлов (как стоящих в ряду напряжений до Н2, так и после), образуя соль и Н2О:
H2SO4 + СuO = CuSO4 + H2O
H2SO4 (конц.) + Na2O = Na2SO4 + H2O
3H2SO4 + Fe2O3 = Fe2(SO4)3 + 3H2O
Серная кислота взаимодействует с основаниями (растворимыми и нерастворимыми), образуя соль и Н2О:
Сu(OH)2 + H2SO4 = CuSO4 + 2H2O
2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O
С растворами щелочей серная кислота H2SO4 взаимодействует в 2 стадии:
1) вначале образуется кислая соль:
H2SO4 + NaOH = NaHSO4 + H2O
2) затем, если щёлочь взята в избытке, реакция идет дальше, с образованием средней соли:
NaHSO4 + NaOH = Na2SO4 + H2O
cуммарное 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O
уравнение
Серная кислота может вытеснять из водных растворов солей слабые кислоты:
H2SO4 + Na2S = Na2SO4 + H2S↑
H2SO4 + K2SiO3 = K2SO4 + H2SiO3↓
H2SO4 + K2CO3 = K2SO4 + H2CO3
Качественной реакцией на серную кислоту и ее соли в водных растворах является взаимодействие с растворимыми солями бария. В сокращенном ионном виде эта реакция записывается так:
SO42- + Ba2+ = BaSO4 ↓
При этом образуется белый осадок, нерастворимый в сильных кислотах.
Концентрированная серная кислота H2SO4 может окислять и неметаллы: C, P, S (кроме галогенов и кремния).
С + 2H2SO4 конц. -- CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O
Р4 + 10H2SO4 конц. -- 4Н3РО4 + 10SO2↑ + 4H2O
S + 2H2SO4 конц. -- 3SO2↑ + 2H2O
Уже при комнатной температуре H2SO4 (конц.) окисляет HI, HBr (но не HCl, HF), H2S
2HBr + H2SO4 конц. = Br2 + SO2↑ + 2H2O
H2S + H2SO4 конц. = S↓ + SO2↑ + 2H2O
Разбавленная серная кислота H2SO4 в отличие от концентрированной не может окислить неметаллы и их водородные соединения.
Мы рассмотрели, химические свойства серной кислоты.
