Серная кислота и реакции с ней. Химические свойства серы
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:
- 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;
- 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;
- С основными оксидами:
- H 2 SO 4 + CuO = CuSO 4 + H 2 O;
- 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;
- 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.
Серная кислота (H₂SO₄) – это одна из сильнейших двухосновных кислот.
Если говорить о физических свойствах, то серная кислота выглядит как густоватая прозрачная маслянистая жидкость без запаха. В зависимости от концентрации, серная кислота имеет множество различных свойств и сфер применений:
- обработка металлов;
- обработка руд;
- производство минеральных удобрений;
- химический синтез.
История открытия серной кислоты
Контактная серная кислота имеет концентрацию от 92 до 94 процентов:
2SO₂ + O₂ = 2SO₂;
H₂O + SO₃ = H₂SO₄.
Физические и физико-химические свойства серной кислоты
H₂SO₄ смешивается с водой и SO₃ во всех соотношениях.
В водных растворах Н₂SO₄ образует гидраты типа Н₂SO₄·nH₂O
Температура кипения серной кислоты зависит от степени концентрации раствора и достигает максимума при концентрации больше 98 процентов.
Едкое соединение олеум представляет собой раствор SO₃ в серной кислоте.
При повышении концентрации триоксида серы в олеуме температура кипения понижается.
Химические свойства серной кислоты
При нагревании концентрированная серная кислота является сильнейшим окислителем, который способен окислять многие металлы. Исключение составляют лишь некоторые металлы:
- золото (Au);
- платина (Pt);
- иридий (Ir);
- родий (Rh);
- тантал (Та).
Окисляя металлы, концентрированная серная кислота может восстанавливаться до H₂S, S и SO₂.
Активный металл:
8Al + 15H₂SO₄(конц.) → 4Al₂(SO₄)₃ + 12H₂O + 3H₂S
Металл средней активности:
2Cr + 4 H₂SO₄(конц.)→ Cr₂(SO₄)₃ + 4 H₂O + S
Малоактивный металл:
2Bi + 6H₂SO₄(конц.) → Bi₂(SO₄)₃ + 6H₂O + 3SO₂
С холодной концентрированной серной кислотой железо и не реагируют, поскольку покрываются оксидной пленкой. Этот процесс называется пассивация .
Реакция серной кислоты и H₂O
При смешении H₂SO₄ с водой происходит экзотермический процесс: выделяется такое большое количество тепла, что раствор может даже закипеть. Проводя химические опыты, нужно всегда понемногу добавлять серную кислоту в воду, а не наоборот.
Серная кислота является сильным дегидрирующим веществом. Концентрированная серная кислота вытесняет воду из различных соединений. Ее часто используют в качестве осушителя.
Реакция серной кислоты и сахара
Жадность серной кислоты к воде можно продемонстрировать в классическом опыте - смешении концентрированной H₂SO₄ и , который является органическим соединением (углеводом). Чтобы извлекать воду из вещества, серная кислота разрушает молекулы.
Для проведения опыта в сахар добавляют несколько капель воды и перемешивают. Затем осторожно вливают серную кислоту. Через короткий промежуток времени можно наблюдать бурную реакцию с образованием угля и выделением сернистого и .
Серная кислота и кубик сахара:
Помните, что работать с серной кислотой очень опасно. Серная кислота - едкое вещество, которое моментально оставляет сильные ожоги на коже.
вы найдете безопасные эксперименты с сахаром, которые можно проводить дома.
Реакция серной кислоты и цинка
Эта реакция достаточно популярна и является одним из самых распространенных лабораторных методов получения водорода. Если в разбавленную серную кислоту добавить гранулы цинка, металл будет растворяться с выделением газа:
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂.
Разбавленная серная кислота реагирует с металлами, которые в ряду активности стоят левее водорода:
Ме + H₂SO₄(разб.) → соль + H₂
Реакция серной кислоты с ионами бария
Качественной реакцией на и ее соли является реакция с ионами бария. Она широко распространена в количественном анализе, в частности гравиметрии:
H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ + 2HCl
ZnSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ + ZnCl₂
Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!
Физические и физико-химические свойства
Олеум
Растворы SO 3 в cерной кислоте называются , они образуют два соединения H 2 SO 4 ·SO 3 и H 2 SO 4 ·2SO 3 . Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции:
Н 2 SO 4 + SO 3 → H 2 S 2 O 7 .
Температура кипения водных растворов cерной кислоты повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H 2 SO 4 .
| Содержание % по массе | Плотность при 20 °C, г/см³ | Температура кристаллизации, °C | Температура кипения, °C | |
|---|---|---|---|---|
| H 2 SO 4 | SO 3 (свободный) | |||
| 10 | - | 1,0661 | −5,5 | 102,0 |
| 20 | - | 1,1394 | −19,0 | 104,4 |
| 40 | - | 1,3028 | −65,2 | 113,9 |
| 60 | - | 1,4983 | −25,8 | 141,8 |
| 80 | - | 1,7272 | −3,0 | 210,2 |
| 98 | - | 1,8365 | 0,1 | 332,4 |
| 100 | - | 1,8305 | 10,4 | 296,2 |
| 104,5 | 20 | 1,8968 | −11,0 | 166,6 |
| 109 | 40 | 1,9611 | 33,3 | 100,6 |
| 113,5 | 60 | 2,0012 | 7,1 | 69,8 |
| 118,0 | 80 | 1,9947 | 16,9 | 55,0 |
| 122,5 | 100 | 1,9203 | 16,8 | 44,7 |
Температура кипения олеума с увеличением содержания SO 3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов cерной кислоты общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3 % Н 2 SO 4 достигает минимума. С увеличением концентрации SO 3 , в олеуме общее давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами серной кислоты и олеума можно вычислить по уравнению:
Lgp (Па) = A - B/T + 2,126,
величины коэффициентов А и В зависят от концентрации серной кислоты. Пар над водными растворами серной кислоты состоит из смеси паров воды, Н 2 SO 4 и SO 3 , при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях cерной кислоты, кроме соответствующей .
С повышением температуры усиливается диссоциация Н 2 SO 4 ↔ H 2 O + SO 3 - Q , уравнение температурной зависимости константы равновесия lnK p = 14,74965 − 6,71464ln(298/T ) - 8,10161·10 4 T ² - 9643,04/T - 9,4577·10 -3 T + 2,19062·10 -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 cерной кислоты можно определить по уравнению: d = 1,8517 − 1,1·10 -3 t + 2·10 -6 t ² г/см³. С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоемкость олеума с повышением содержания SO³ увеличивается.
При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается: λ = 0,518 + 0,0016t - (0,25 + t /1293)·С /100, где С -концентрация серной кислоты, в %. Максимальнаую вязкость имеет олеум Н 2 SO 4 ·SO 3 , с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации 30 и 92 % H2SO4 и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H 2 SO 4 . Для олеума минимальное ρ при концентрации 10 % SO 3 . С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); 6,12, 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется в зависимости от температуры; D = 1,67·10 -5 T 3/2 см²/с.
Химические свойства
Серная кислота - довольно сильный окислитель, особенно при нагревании; окисляет HI и частично НВr до свободных , до СО 2 , - до SO 2 , окисляет многие металлы ( , и др.). При этом серная кислота восстанавливается до SO 2 , а наиболее сильными восстановителями - до S и H 2 S. Концентрированная H 2 SO 4 частично восстанавливается Н 2 . Из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H 2 SO 4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, с выделением Н 2 . Окислительные свойства для разбавленной H 2 SO 4 нехарактерны. Серная кислота дает два ряда солей: средние - сульфаты и кислые - гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или ) Н 2 SО 5 ; и пероксодисерная H 2 S 2 O 8 кислоты.
Применение
Серную кислоту применяют:
- В производстве минеральных удобрений;
- Как электролит в свинцовых аккумуляторах;
- Для получения различных минеральных кислот и солей,
- В производстве химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ,
- В нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности.
- В пищевой промышленности используется в качестве ( E513 ).
- В промышленном органическом синтезе в реакциях:
- дегидратации (получение , сложных эфиров);
- гидратации (
наименование
Олеум, дымящий на воздухе
Олеум представляет собой вязкую маслянистую бесцветную жидкость или легкоплавкие кристаллы, которые, однако, могут приобретать самые различные оттенки вследствие наличия примесей. На воздухе «дымит», реагирует с водой с выделением огромного количества тепла. Концентрация серного ангидрида может варьироваться в очень широких пределах: от единиц до десятков процентов. Олеум обладает ещё большим водоотнимающим и окислительным действием. Олеум содержит также пиросерные кислоты, получающиеся по реакциям:
H 2 S O 4 + S O 3 → H 2 S 2 O 7 ; {\displaystyle {\mathsf {H_{2}SO_{4}+SO_{3}\rightarrow H_{2}S_{2}O_{7}}};}
H 2 S O 4 + 2 S O 3 → H 2 S 3 O 10 . {\displaystyle {\mathsf {H_{2}SO_{4}+2SO_{3}\rightarrow H_{2}S_{3}O_{10}}}.}
Физические свойства
Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом её концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H 2 SO 4 . При пользовании нижеприведенной таблицы следует также ознакомиться с таблицами ГОСТ 2184-77 (действующий) и ГОСТ 2184-2013 в части массовой доли сернистого ангидрида в олеуме в процентах.
| Содержание % по массе | Плотность при 20 ℃, г/см³ | Температура плавления , ℃ | Температура кипения , ℃ | |
|---|---|---|---|---|
| H 2 SO 4 | SO 3 (свободный) | |||
| 98 | - | 1,8365 | 0,1 | 332,4 |
| 100 | - | 1,8305 | 10,4 | 296,2 |
| 104,5 | 20 | 1,8968 | −11,0 | 166,6 |
| 109 | 40 | 1,9611 | 33,3 | 100,6 |
| 113,5 | 60 | 2,0012 | 7,1 | 69,8 |
| 118,0 | 80 | 1,9947 | 16,9 | 55,0 |
| 122,5 | 100 | 1,9203 | 16,8 | 44,7 |
С повышением температуры усиливается диссоциация:
H 2 S O 4 ⟷ H 2 O + S O 3 − Q . {\displaystyle {\mathsf {H_{2}SO_{4}\longleftrightarrow H_{2}O+SO_{3}-{\it {Q}}}}.}
Уравнение температурной зависимости константы равновесия :
Ln K p = 14,749 65 − 6,714 64 ln 298 T − 8,101 61 ⋅ 10 4 T 2 − 9643 , 04 T − 9,457 7 ⋅ 10 − 3 T + 2,190 62 ⋅ 10 − 6 T 2 . {\displaystyle \ln {\it {K_{p}}}=14{,}74965-6{,}71464\ln {298 \over {\it {T}}}-8{,}10161\cdot 10^{4}{\it {{T^{2}}-{{\rm {9643{,}04}} \over {\it {T}}}-{\rm {9{,}4577\cdot 10^{-3}{\it {{T}+{\rm {2{,}19062\cdot 10^{-6}{\it {{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 серной кислоты можно определить по уравнению:
D = 1,851 7 − 1 , 1 ⋅ 10 − 3 t + 2 ⋅ 10 − 6 t 2 . {\displaystyle {\it {{d}={\rm {1{,}8517-1{,}1\cdot 10^{-3}{\it {{t}+{\rm {2\cdot 10^{-6}{\it {{t^{2}}.}}}}}}}}}}}
С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоёмкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоёмкость олеума с повышением содержания SO₃ увеличивается.
При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается:
λ = 0,518 + 0,001 6 t − (0 , 25 + t / 1293) ⋅ C / 100 , {\displaystyle {\rm {\lambda =0{,}518+0{,}0016{\it {{t}-{\rm {(0{,}25+{\it {{t}/{\rm {{1293})\cdot {\it {{C}/{\rm {100,}}}}}}}}}}}}}}}
где С - концентрация серной кислоты, в %.
Максимальную вязкость имеет олеум H₂SO₄·SO₃, с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации 30 и 92 % H 2 SO 4 и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H₂SO₄. Для олеума минимальное ρ при концентрации 10 % SO₃. С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопическая постоянная 6,12, эбулиоскопическая постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется в зависимости от температуры; D = 1,67⋅10 −5 T 3/2 см²/с.
Свойства серной кислоты
Безводная серная кислота (моногидрат) представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, которая смешивается с водой во всех соотношениях с выделением большого количества тепла. Плотность при 0 °С равна 1,85 г/см 3 . Она кипит при 296 °С и замерзает при - 10 °С. Серной кислотой называют не только моногидрат, но и водные растворы его (), а также растворы трехокиси серы в моногидрате (), называемые олеумом. Олеум на воздухе "дымит" вследствие десорбции из него. Чистая серная кислота бесцветна, техническая окрашена примесями в темный цвет.
Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависят от ее состава. На рис. 1 представлена диаграмма кристаллизации системы. Максимумы в ней отвечают составу соединений или, наличие минимумов объясняется тем, что температура кристаллизации смесей двух веществ ниже температуры кристаллизации каждого из них.
Рис. 1
Безводная 100 %-ная серная кислота имеет сравнительно высокую температуру кристаллизации 10,7 °С. Чтобы уменьшить возможность замерзания товарного продукта при перевозке и хранении, концентрацию технической серной кислоты выбирают такой, чтобы она имела достаточно низкую температуру кристаллизации. Промышленность выпускает три вида товарной серной кислоты.
Серная кислота весьма активна. Она растворяет окислы металлов и большинство чистых металлов;вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. Особенно жадно серная кислота соединяется с водой благодаря способности давать гидраты. Она отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей и даже кислородных производных углеводородов, которые содержат не воду таковую, а водород и кислород в сочетании Н:О = 2. дерево и другие растительные и животные ткани, содержащие целлюлозу, крахмал и сахар, разрушаются в концентрированной серной кислоте; вода связывается с кислотой и от ткани остается лишь мелкодисперсный углерод. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги.
Высокая активность серной кислоты в сочетании со сравнительно небольшой стоимостью производства предопределили громадные масштабы и чрезвычайное разнообразие ее применения (рис. 2). Трудно найти такую отрасль, в которой не потреблялась в тех или иных количествах серная кислота или произведенные из нее продукты.
Рис. 2
Крупнейшим потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений: суперфосфата, сульфата аммония и др. многие кислоты (например, фосфорная, уксусная, соляная) и соли производятся в значительной части при помощи серной кислоты. Серная кислота широко применяется в производстве цветных и редких металлов. В металлообрабатывающей промышленности серную кислоту или ее соли применяют для травления стальных изделий перед их окраской, лужением, никелированием, хромированием и т.п. значительные количества серной кислоты затрачиваются на очистку нефтепродуктов. Получение ряда красителей (для тканей), лаков и красок (для зданий и машин), лекарственных веществ и некоторых пластических масс также связано с применением серной кислоты. При помощи серной кислоты производятся этиловый и другие спирты, некоторые эфиры, синтетические моющие средства, ряд ядохимикатов для борьбы с вредителями сельского хозяйства и сорными травами. Разбавленные растворы серн6ой кислоты и ее солей применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности для обработки волокна или тканей перед их крашением, а также в других отраслях легкой промышленности. В пищевой промышленности серная кислота применяется при получении крахмала, патоки и ряда других продуктов. Транспорт использует свинцовые сернокислотные аккумуляторы. Серную кислоту используют для осушки газов и при концентрировании кислот. Наконец, серную кислоту применяют в процессах нитрования и при производстве большей части взрывчатых веществ.
