Серная кислота — химические свойства и промышленное производство
Физические свойства серной кислоты: Тяжелая маслянистая жидкость («купоросное масло»); плотность 1,84 г/см3; нелетучая, хорошо растворима в воде – с сильным нагревом; t°пл. = 10,3°C, t°кип. = 296°С, очень гигроскопична, обладает водоотнимающими свойствами (обугливание бумаги, дерева, сахара).
Теплота гидратации настолько велика, что смесь может вскипать, разбрызгиваться и вызывать ожоги. Поэтому необходимо добавлять кислоту к воде, а не наоборот, поскольку при добавлении воды к кислоте более легкая вода окажется на поверхности кислоты, где и сосредоточится вся выделяющаяся теплота.
Промышленное производство серной кислоты (контактный способ):
Измельчённый очищенный влажный пирит (серный колчедан) сверху засыпают в печь для обжига в « кипящем слое «. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом. Из печи выходит печной газ, состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажный) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Газ очищают от примесей твёрдых частиц (в циклоне и электрофильтре) и паров воды (в сушильной башне). В контактном аппарате происходит окисление сернистого газа с использованием катализатора V 2 O 5 ( пятиокись ванадия) для увеличения скорости реакции. Процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому подбирают оптимальные условия протекания прямой реакции — повышенное давление (т.к прямая реакция идет с уменьшением общего объема) и температура не выше 500 С ( т.к реакция экзотермическая).
В поглотительной башне происходит поглощение оксида серы (VI) концентрированной серной кислотой. Поглощение водой не используют, т.к оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, поэтому образующаяся серная кислота закипает и превращается в пар. Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3
Химические свойства серной кислоты:
H 2 SO 4 — сильная двухосновная кислота, одна из самых сильных минеральных кислот, из-за высокой полярности связь Н – О легко разрывается.
1) В водном растворе серная кислота диссоциирует , образуя ион водорода и кислотный остаток: H 2 SO 4 = H + + HSO 4 — ; HSO 4 — = H + + SO 4 2- . Суммарное уравнение: H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 2- .
2) Взаимодействие серной кислоты с металлами : 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
3) Взаимодействие серной кислоты с основными оксидами: CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O
4) Взаимодействие серной кислоты с гидроксидами: H 2 SO 4 + 2NaOH → Na 2 SO 4 + 2H 2 O H 2 SO 4 + Cu(OH) 2 → CuSO 4 + 2H 2 O
5) Обменные реакции с солями: BaCl 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2HCl Образование белого осадка BaSO 4 (нерастворимого в кислотах) используется для обнаружения серной кислоты и растворимых сульфатов (качественная реакция на сульфат ион).
Особые свойства концентрированной H 2 SO 4 :
1) Концентрированная серная кислота является сильным окислителем ; при взаимодействии с металлами (кроме Au, Pt) восстанавливаться до S +4 O 2 , S 0 или H 2 S -2 в зависимости от активности металла. Без нагревания не реагирует с Fe, Al, Cr – пассивация. При взаимодействии с металлами, обладающими переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней окисления , чем в случае с разбавленным раствором кислоты: Fe 0 → Fe 3+ , Cr 0 → Cr 3+ , Mn 0 → Mn 4+ , Sn 0 → Sn 4+
Активный металл
8 Al + 15 H 2 SO 4(конц.) →4Al 2 (SO 4 ) 3 + 12H 2 O + 3 H 2 S 4│2Al 0 – 6 e — → 2Al 3+ — окисление 3│ S 6+ + 8e → S 2– восстановление
Металл средней активности
2Cr + 4 H 2 SO 4(конц.) → Cr 2 (SO 4 ) 3 + 4 H 2 O + S 1│ 2Cr 0 – 6e →2Cr 3+ — окисление 1│ S 6+ + 6e → S 0 – восстановление
Металл малоактивный
2Bi + 6H 2 SO 4( конц .) → Bi 2 (SO 4 ) 3 + 6H 2 O + 3 SO 2 1│ 2Bi 0 – 6e → 2Bi 3+ – окисление 3│ S 6+ + 2e →S 4+ — восстановление
2) Концентрированная серная кислота окисляет некоторые неметаллы как правило до максимальной степени окисления, сама восстанавливается до S +4 O 2 :
3) Окисление сложных веществ: Серная кислота окисляет HI и НВг до свободных галогенов: 2 КВr + 2Н 2 SO 4 = К 2 SО 4 + SO 2 + Вr 2 + 2Н 2 О 2 КI + 2Н 2 SО 4 = К 2 SO 4 + SO 2 + I 2 + 2Н 2 О Концентрированная серная кислота не может окислить хлорид-ионы до свободного хлора, что дает возможность получать НСl по реакции обмена: NаСl + Н 2 SO 4 (конц.) = NаНSO 4 + НСl
Серная кислота отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной серной кислоты приводит к получению этилена: С 2 Н 5 ОН = С 2 Н 4 + Н 2 О.
Обугливание сахара, целлюлозы, крахмала и др. углеводов при контакте с серной кислотой объясняется также их обезвоживанием: C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 ↑ + 6CO 2 ↑.