ОКСИД СЕРЫ(VI) SO3 — ангидрид серной кислоты — при комнатной температуре представляет собой бесцветную жидкость, которая затвердевает уже при 17 ° C, t кип = 44,8 ° C. Твердый SO3 существует в виде трех модификаций.
Оксид SO3 получают окислением SO2 только в присутствии катализатора (мелкораздробленная Pt или V2O5) и при высоком давлении:
2SO2 + O2 = 2SO3.
Данная реакция похожа на реакцию синтеза аммиака, она является экзотермической, но понижать температуру нецелесообразно, так как при этом сильно падает скорость реакции. На практике этот процесс проводят при температуре 400–450 ° C. Для смещения равновесия вправо повышают давление.
В лаборатории для получения SO3 проводят термическое разложение сульфатов:
Fe2(SO4)3 Fe2O3 + 3SO3 .
Оксид серы(VI) — гигроскопическое вещество, при растворении его воде получается серная кислота:
SO3 + H2O = H2SO4.
При растворении SO3 в воде из-за выделения большого количества теплоты образуется туман, поэтому в сернокислотном производстве оксид серы(VI) растворяют в 100%-ной серной кислоте. Полученный раствор называется олеум.
СЕРНАЯ КИСЛОТА — маслянистая жидкость с t пл = 10,3 ° C, t кип = 296 ° C. Это сильная двухосновная кислота. В воде она диссоциирует ступенчато, образуя гидросульфат - и сульфат -ионы:
H2SO4 ↔ H+ +, K 1 = 103;
↔ H+ +, K 2 = 1,1 · 10–2.
Химические свойства. 1. Окислительные свойства серной кислоты зависят от ее концентрации и природы металла, с которым она взаимодействует.
Разбавленная серная кислота окисляет за счет ионов H+ только металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода:
Zn + H2SO4 (разб.) = ZnSO4 + H2 .
При взаимодействии концентрированной серной кислоты с различными металлами и со многими неметаллами происходит ее восстановление до SO2:
Zn + 2 H2SO4 (конц.) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O;
2Ag + 2 H2SO4 (конц.) = Ag2SO4 + SO2 + 2H2O;
2P + 5 H2SO4 (конц.) = 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O.
Необходимо помнить, что при разбавлении серной кислоты водой выделяется большое количество теплоты, поэтому для разбавления серной кислоты надо наливать кислоту в воду, а не наоборот.
2. Концентрированная серная кислота обладает дегидратирующими свойствами, т. е. способностью поглощать влагу. При этом она может не только поглощать несвязанную воду, но и удалять ее из химических соединений, например из углеводов и спиртов. Так, концентрированная серная кислота обугливает бумагу и сахарозу:
12С (тв.) + 11Н2О.
Этанол при нагревании с серной кислотой превращается в этилен:
С2Н5ОН (ж.)
Получение и применение. Серную кислоту получают контактным способом. Он включает три этапа:
1) получение SO2 сжиганием серы или обжигом сульфидных руд;
2) каталитическое окисление SO2 до SO3;
3) поглощение SO3 96%-ной серной кислотой с образованием 100%-ной кислоты; получение олеума растворением SO3 в 100%-ной серной кислоте.
Серную кислоту широко используют в химической промышленности для производства синтетических моющих средств, пластмасс, удобрений и лекарственных препаратов.
В ряду высших кислородсодержащих кислот элементов шестой группы наблюдается монотонное ослабление кислотных свойства от серной кислоты к теллуровой и немонотонное изменение окислительной способности. Самым сильным окислителем является селеновая кислота. Она способна выделять хлор из концентрированной HCl:
H 2 SeO 4 + 2 HCl = Cl 2 ↑ + H 2 SeO 3 + H 2 O
b растворять золото:
2Au + 6H2SeO4 = Au2(SeO4)3 + 3 H2SeO3 + 3H2O
Соли серной кислоты. Серная кислота, как все кислоты, реагирует с основаниями и оксидами с образованием сульфатов и гидросульфатов. Наименьшей растворимостью обладает сульфат бария, именно поэтому его образование в виде белого осадка используют как качественную реакцию на сульфат-ион:
Ba2+ + = BaSO4 ¯ .
Как правило, все гидросульфаты хорошо растворимы в воде.
Термическая устойчивость сульфатов зависит от природы металла.
u Сульфаты щелочных металлов плавятся без разложения.
u При разложении сульфатов металлов средней активности образуются оксиды:
2CuSO4 = 2CuO + 2SO2 + O2 .
u При разложении сульфатов переходных металлов в низких степенях окисления образуются оксиды, в которых металлы проявляют более высокие степени окисления:
4FeSO4 = 2Fe2O3 + 4SO2 + O2 .
u Сульфаты наиболее тяжелых металлов (Ag, Hg) разлагаются до металла:
Ag2SO4 = 2Ag ¯ + SO2 + O2 .
При прокаливании с углем сульфаты металлов восстанавливаются до сульфидов:
BaSO4 + 4C = BaS + 4CO.
Примеры решения задач
Задача 1. [1]
Продукты полного взаимодействия 0,69 г натрия и 0,80 г серы осторожно внесли в воду и образовавшийся прозрачный раствор разбавили до объема 50 мл. Определите молярные концентрации соединений в образовавшемся растворе. Вычислите максимальную массу брома, который может прореагировать с полученным раствором.
Решение.
Найдем количества вещества натрия и серы: ν (Na) = 0,69 (г)/ 23 (г/моль) = 0,03 моль, ν (S) = 0,80 (г)/ 32 (г/моль) = 0,025 моль.
Вначале образуется сульфид натрия согласно следующей реакции:
2 Na + S = Na 2 S в количестве 0,03/2 = 0,015 моль. В результате этого процесса остается непрореагировавшая сера в количестве 0,025 – 0,015 = 0,01 моль, которая вступает во взаимодействие с 0,01 моль сульфида натрия с образованием дисульфида Na 2 S 2 :
Na 2 S + S = Na 2 S 2 .
Очевидно, что после всех химических превращений образовались Na 2 S и Na 2 S 2 в количестве, 0,005 моль и 0,01 моль, соответственно.
При разбавлении образовавшегося раствора до 50 мл, молярные концентрации веществ в растворе составили C (Na 2 S) = 0,005/0,05 = 0,1 моль/л и C (Na 2 S 2 ) = 0,01/0,05 = 0,2 моль/л.
С бромом реагируют оба вещества, находящиеся в растворе согласно следующим уравнениям:
Na2S + Br2 = 2NaBr + S↓
Na2S2 + Br2 = 2NaBr + 2S↓
Количество брома равно суммарному количеству веществ сульфида и дисульфида натрия и составляет 0,005 + 0,01 = 0,015 моль, а его масса равна 160 г/моль * 0,015 моль = 2,4 г.
Задача 2. [1]
Какую массу воды следует добавить к 300 г олеума, содержащего 40% серного ангидрида, чтобы получить водный раствор с массовой долей серной кислоты 70%?
Решение.
Из условия задачи следует, что масса серного ангидрида, содержащегося в олеуме, составляет: 300*0,4 = 120 г. Его количество вещества, соответственно, равно: ν(SO 3 ) = 120г / 80 г/моль = 1,5 моль.
Проведя аналогичные вычисления для серной кислоты, получаем, что m (H 2 SO 4 ) = 300*0,6 = 180 г. Количество вещества ν(H 2 SO 4) = 180г / 98 г/моль = 1,837 моль.
Пусть для получения водного раствора с массовой долей серной кислоты 70% необходимо добавить x грамм воды. Тогда масса образовавшегося раствора составит (300 + x) грамм. Очевидно, что в образовавшемся растворе весь серный ангидрид превратился в серную кислоту, ее суммарное количество при этом составило 1,5 + 1,837 = 3,337 моль, а масса равна 3,337 моль * 98 г/моль = 327 г.
Учитывая, что w (H 2 SO 4 ) = 0,7 = 327 / (300 + x)., получаем, что x = 167,14 г.