Серная кислота H 2 SO 4 - одна из сильных двухосновных кислот. В разбавленном состоянии она окисляет почти все металлы, кроме золота и платины. Интенсивно реагирует с неметаллами и органическими веществами, превращая некоторые из них в уголь. При приготовлении раствора серной кислоты всегда надо её приливать к воде, а не наоборот, во избежание разбрызгивания кислоты и вскипания воды. При 10 °С затвердевает, образуя прозрачную стекловидную массу. При нагревании 100-процентная серная кислота легко теряет серный ангидрид (триокись серы SO 3) до тех пор, пока её концентрация не составит 98 %. Именно в таком состоянии её обычно и используют в лабораториях. В концентрированном (безводном) состоянии серная кислота - бесцветная, дымящаяся на воздухе (из-за паров), маслянистая жидкость с характерным запахом (Т кипения=338 °С). Она является очень сильным окислителем. Это вещество обладает всеми свойствами кислот:
Химические свойства серной кислоты
H 2 SO 4 + Fe → FeSO 4 + H 2 ;
2H 2 SO 4 + Cu → CuSO 4 + SO 2 +2H 2 O - в этом случае кислота является концентрированной.
H 2 SO 4 + CuO → CuSO 4 + H 2 O
Получающийся раствор синего цвета - CuSO 4 - раствор медного купороса. Серную кислоту еще называют купоросным маслом , так как при реакциях с металлами и их оксидами образуются купоросы. Например, при химической реакции с железом (Fe) - образуется светло-зелёный раствор железного купороса.
Химическая реакция с основаниями и щелочами (или реакция нейтрализации)
H 2 SO 4 + 2NaOH → Na 2 SO 4 + 2H 2 O
Сернистая кислота (или правильнее сказать - раствор сернистого газа в воде) образует два вида солей: сульфиты и гидросульфиты . Эти соли являются восстановителями.
Н 2 SO 4 + NaOH → NaНSO 3 + Н 2 O - такая реакция протекает при избытке сернистой кислоты
Н 2 SO 4 + 2NaOH → Na 2 SO 3 + 2Н 2 O - а эта реакция протекает при избытке едкого натра
Сернистая кислота обладает отбеливающим действием. Всем известно, что подобным действием обладает и хлорная вода. Но отличие заключается в том, что в отличии от хлора сернистый газ не разрушает красители, а образует с ними неокрашенные химические соединения!
Кроме основных свойств кислот сернистая кислота способна обесцвечивать раствор марганцовки по следующему уравнению:
5Н 2 SO 3 +2KMnO 4 → 2 Н 2 SO 4 +2MnSO 4 +K 2 SO 4 +Н 2 O
В этой реакции образуется бледно-розовый раствор, состоящий из сульфатов калия, марганца. Окраска обусловлена именно сульфатом марганца.
Сернистая кислота способна обесцветить бром
Н 2 SO 3 + Br 2 + Н 2 O → Н 2 SO 4 + 2HBr
В этой реакции образуется раствор, состоящий сразу из 2-х сильных кислот: серной и бромной.
Если хранить сернистую кислоту при доступе воздуха, то этот раствор окисляется и превращается в серную кислоту
2Н 2 SO 3 + O 2 → 2Н 2 SO 2
“Едва ли найдется другое, искусственно добываемое вещество, столь часто применяемое в технике, как серная кислота.
Где нет заводов для ее добывания - немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющих важное технические значение”
Д.И. Менделеев
Серная кислота применяется в разнообразных производствах химической промышленности:
Производство серной кислоты
Серную кислоту в промышленности производят двумя способами: контактным и нитрозным.
Контактный способ производства серной кислоты
Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах.
В настоящее время основным методом производства серной кислоты является контактный, т.к. этот метод имеет преимущества перед другими:
Получение продукта в виде чистой концентрированной кислоты, приемлемой для всех потребителей;
- уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу с выхлопными газамиI. Сырьё, используемое для производства серной кислоты.
Основное сырьё
сера - S
серный колчедан (пирит) - FeS 2
сульфиды цветных металлов - Cu 2 S , ZnS , PbS
сероводород – H 2 S
Вспомогательный материал
Катализатор - оксид ванадия – V 2 O 5
II. Подготовка сырья.
Разберём производство серной кислоты из пирита FeS 2 .
1) Измельчение пирита. Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
2) Очистка пирита. После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.
III . Основные химические процессы:
4 FeS 2 + 11 O 2 t = 800° C → 2 Fe 2 O 3 + 8 SO 2 + Q или сжигание серы S + O 2 t ° C → SO 2
2SO 2 + O 2 400-500° С ,V2O5 , p ↔ 2SO 3 + Q
SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 + Q
IV . Технологические принципы:
Принцип непрерывности;
Принцип комплексного использования сырья, использование отходов другого производства;
Принцип безотходного производства;
Принцип теплообмена;
Принцип противотока (“кипящий слой”);
Принцип автоматизации и механизации производственных процессов.
V . Технологические процессы:
Принцип непрерывности: обжиг пирита в печи →поступление оксида серы (IV ) и кислорода в очистительную систему →в контактный аппарат →подача оксида серы (VI ) в поглотительную башню.
VI . Охрана окружающей среды:
1) герметичность трубопроводов и аппаратуры
2) газоочистительные фильтры
VII . Химизм производства :
ПЕРВАЯ СТАДИЯ - обжиг пирита в печи для обжига в "кипящем слое".
Для получения серной кислоты используют, в основном,флотационный колчедан - отход производства при обогащении медных руд, содержащих смеси сернистых соединений меди и железа. Процесс обогащения этих руд происходит на Норильской и Талнахской обогатительных фабриках, которые и являются основными поставщиками сырья. Это сырье является более выгодным, т.к. серный колчедан добывают, в основном, на Урале, и, естественно, доставка его может быть очень дорогостоящей. Возможно использование серы , которая также образуется при обогащении руд цветных металлов, добываемых на рудниках. Поставщиками серы являются также ТОФ и НОФ. (обогатительные фабрики).
Уравнение реакции первой стадии
4FeS 2 + 11O 2 t = 800°C → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q
Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета. В “кипящем слое” не слеживаются даже самые мелкие частицы пирита. Поэтому процесс обжига происходит очень быстро. Если раньше для обжига пирита требовалось 5-6 часов, то теперь - всего несколько секунд. Притом, в “кипящем слое” можно поддерживать температуру 800°С.
За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.
Образовавшийся оксид железа Fe 2 O 3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).
Таким образом, выполняется принцип химического производства - безотходность производства.
Из печи выходит печной газ , состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.
Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз). Для удаления мелких частиц смесь направляем в электрофильтры, где идет очищение под действием тока высокого напряжения ~ 60000 В (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.
Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.
На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO 2 и кислорода О 2 .
ВТОРАЯ СТАДИЯ – каталитическое окисление SO 2 в SO 3 кислородом в контактном аппарате.
Уравнение реакции этой стадии:
2 SO 2 + O 2 400-500°С, V 2 O 5 ,p ↔ 2 SO 3 + Q
Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO 3).
Из уравнения следует, что реакция обратимая, а, значит, на этой стадии необходимо поддерживать такие условия, чтобы равновесие смещалось в сторону выхода SO 3 , иначе нарушится весь процесс. Т.к. реакция идет с уменьшением объема (3 V ↔2 V ), то необходимо повышенное давление. Повышают давление до 7-12 атмосфер. Реакция экзотермическая, поэтому, учитывая принцип Ле-Шателье, при высокой температуре этот процесс вести нельзя, т.к. равновесие сдвинется влево. Начинается реакция при температуре = 420 градусов, но благодаря многослойности катализатора (5 слоев), мы можем ее повышать до 550 градусов, что значительно ускоряет процесс. Катализатор используют ванадиевый (V 2 O 5). Он дешевый, долго служит (5-6 лет), т.к. наиболее устойчив к действию ядовитых примесей. Кроме того, он способствует сдвигу равновесия вправо.
Смесь (SO 2 и O 2) нагревается в теплообменнике и движется по трубам, между которыми в противоположном направлении проходит холодная смесь, которую надо нагреть. В результате происходит теплообмен : исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.
ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO 3 серной кислотой в поглотительной башне.
А почему оксид серы SO 3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде: SO 3 + H 2 O →H 2 SO 4 . Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3 .
Уравнение реакции этого процесса:
NSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3
Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.
(серная кислота, IUPAC — дигидрогенсульфат, устаревшее название — купоросное масло) — соединение серы с формулой H 2 SO 4. Бесцветная маслянистая, очень вязкая и гигроскопическая жидкость. Серная кислота — одна из самых сильных неорганических кислот и очень едкой и опасной. Эта кислота образует два ряда солей: сульфаты и гидрогенсульфаты, в которых по сравнению с серной кислотой заменяются один или два атома водорода на катионы металлов. Серная кислота является одним из важнейших технических веществ в мире и лидирует по количеству производства. Она используется в основном в форме водных растворов для производства удобрений, а также других неорганических кислот.
(или старое название — купоросное масло) была известна с давних времен. Первые упоминания о ней можно найти в текстах алхимика Джабира ибн Хайянь 8-го века. Возможные методы производства описаны в трудах Альберта Великого (1200-1280) и Василия Валентина (1600). В основе этого метода лежит образование кислоты с хальканинту и квасцов. Устаревшее название происходит от устаревшей названия минералов из которых она приобреталась — купороса. Первые научные исследования с помощью серной кислоты провел Иоганн Рудольф Ґляубер. Он провел реакцию между серной кислотой и солью и получил соляную кислоту и соль, которая была названа в его честь — глауберова соль. Методы, в которых были использованы сульфаты, были очень сложными и дорогими. Для получения больших количеств этого вещества в 18-м веке разработали процесс, в котором использовалось сжигание серы и селитры в стеклянной таре. Так как стеклянные сосуды были очень хрупкими, то первая реакция была проведена в 1746 году Джоном Робак в свинцовых контейнерах. Серная кислота создана методом Джона Робака имела концентрацию только 35-40%. Позже улучшения метода французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком и английским Джоном Гловером дало выход вещества 78% концентрации. Тем не менее, по некоторым красителей и других химических веществ требует более концентрированного продукта. В течение 18-го века серная кислота получалась сухой перегонкой минералов, процесс похож на оригинальные алхимические процессы. Пирит (дисульфид железа, FeS 2) нагревали в воздухе для получения железа (II) сульфат, FeSO 4, который окисляется при дальнейшем нагревании до железа (III) сульфат Fe 2 (SO 4) 3, который при нагревании до 480 ° С, разлагается до железа (III) оксид и триоксида серы, который может быть использован для получения серной кислоты в любой концентрации. В 1831 году британский купец Перегрин Филлипс запатентовал контактный процесс, который был гораздо более экономичный. Сегодня почти вся серная кислота в мире производится с использованием этого метода.
Свободная серная кислота встречается в природе очень редко. В атмосфере она образуется из диоксида серы, который образуется при сгорании серосодержащих веществ или вулканических извержений. Диоксид серы окисляется гидроксильными радикалами и кислородом с образованием триоксида серы, который вступая в реакцию с атмосферной влагой образует кислоту. В кислотных дождях она выступает в разбавленном виде. Небольшое количество свободной серной кислоты также можно найти в некоторых вулканических источниках, которые называются сольфатары. Наибольшее количество серной кислоты в мире содержит озеро в кратере вулкана Иджен в Индонезии. В отличие от свободной кислоты, ее соли, в частности, сульфаты, встречается в природе гораздо чаще. Существует много различных минералов сульфатов. Среди них самыми известными и важными являются гипс (CaSO 4 · 2 H 2 O), барит (BaSO 4), Халькантит (CuSO 4 · 5 H 2 O) и глауберова соль (Na 2 SO 4 · 10 H 2 O).
Серная кислота находится за пределами Земли в верхних слоях атмосферы Венеры. Она образуется в результате фотохимических реакций диоксида серы и воды, которые образуют капли 80-85% кислоты. В более глубоких слоях, кислота распадается из-за высоких температуры снова на диоксид серы, и воду, которые поднимаясь вверх снова могут образовывать серную кислоту. Инфракрасные спектры которые были получены аппаратом Галилео показывают различные степени поглощений на спутнике Юпитера, которые были отнесены к одному или нескольким видам гидратов серной кислоты.
Сырьем для производства серной кислоты является элементарная сера которую получают в огромных кильскостях на нефте- и газовопереробних заводах, с сероводорода, с помощью процесса, который известен как процесс Клауса. Затем серу оксилюють до диоксида серы:
Реакция серы с кислородом
Еще одним источником диоксида серы является выплавки руд, содержащих серу. Примерами являются медные, цинковые и свинцовые сульфиды. Диоксид серы образуется при обжиге с кислородом воздуха.
Реакция при обжига сульфида цинкаВ 1999 году в Европе было выжжено около 3 млн тонн пирита для производства серной кислоты. В Азии эта цифра больше, поскольку и запасы его больше. Для бедных ресурсами странах, которые не имеют ни серы, ни сульфидных руд, существует процесс Мюллера-Кюне. В этом процессе диоксид серы образуется при обжиге гипса и угля в печи. Этот процесс можно сделать прибыльным, если в печь добавлять песок и глину для образования цемента качестве побочного продукта. Для дальнейшего производства требуется серный ангидрид. При низких температурах реакция проходит медленно, так как требует сравнительно редких в газовой фазе тройных столкновений, а при высоких равновесие смещено в сторону разложения серного ангидрида. Поэтому для проведения этой реакции нужны катализаторы. На ранних порах использовали платину, позже перешли на ванадиевый ангидрид V 2 O 5 или ванадаты щелочных металлов KVO 3.
Окисления диоксида серы до триоксидаТриоксида серы разбавляется в воде сразу же: из-за слишком бурную начальную реакцию в контакте с водой образуется пленка тумана серной кислоты, препятствует дальнейшей реакции. Сначала его вводят в концентрированную серную кислоту, этот раствор называют — олеумом. Затем олеум растворяют в воде до образования серной кислоты.
Растворение серного ангидрита в концентрированной серной кислоте по созданию дисульфатнои кислоты Растворения дисульфатнои кислоты в водеВ последние годы производство серной кислоты возросло в основном в Китае, в то время как в европейских странах, производство сократилось.
В домашних условиях небольшие количества разбавленной серной кислоты можно получить электролизом раствора медного купороса с свинцовым анодом (напряжение должно быть выше 2 В из-за большого перенапряжения выделения кислорода на двуокиси свинца, который образуется на поверхности анода, но не более 5 В, чтобы не перегревать) .
Почти вся 99% серная кислота теряет SO 3 при кипении с образованием 98,3% кислоты. 98% кислота является стабильной при хранении, и обычно также называется концентрированной. Другие концентрации используются для различных целей. Данные о различных концентрации:
Химически чистая серная кислота представляет собой тяжелую бесцветную маслянистую жидкость. Продают, как правило, 96,5% — ный водный раствор плотностью 1,84 г / см 3 или так называемый «олеум», то есть раствор SO 3 в H 2 SO 4. В воде H 2 SO 4 растворяется очень хорошо (смешивается с водой в неограниченных количествах). При этом выделяется тепло, и раствор очень сильно нагревается (вплоть до кипения воды). Поэтому при добавлении воды к концентрированной серной кислоты последняя разбрызгивается вследствие быстрого преобразования воды в пар. Поэтому при разведении концентрированной H 2 SO 4 надо кислоту вливать в воду (а не наоборот!) Тонкой струей при тщательном перемешивании раствора стеклянной палочкой. Концентрированная серная кислота как и чистая вода плохо проводит ток вследствие малой дисоциациии, удельная электропроводность 1,044 · 10 -2 S / см
Диссоциация в водном растворе идет в несколько этапов:
Первый этап диссоциации; K 2 = 2.4 x 6 октября (сильная кислота)Это значение кислотности взятое в качестве основного при определении суперкислот.
Вторая стадия дисоциациии; K 1 = 1,0 x 10 -2Серная кислота разрушает также много органических веществ, в частности углеводы — дерево, бумага, хлопчатобумажные ткани, сахар и тому подобное. Разрушение этих веществ объясняется тем, что концентрированная серная кислота отнимает от них водород и кислород в виде воды, а углерод остается в виде пористого угля. При действии разбавленной серной кислоты на металлы, которые в электрохимическом ряду активности металлов расположены слева водорода, выделяется водород. Концентрированная серная кислота обладает сильным окислительный эффект и способна реагировать, при нагревании, даже с благородными металлами, такими как медь, ртуть и серебро, хотя при этом она не взаимодействует с железом. Поэтому для перевозки концентрированной серной кислоты используются железные цистерны.
Реакция меди с концентрированной серной кислотойСерная кислота является очень важным товаром химической промышленности и является индикатором ее промышленной мощности. Мировое производство в 2004 году составило около 180 млн тонн, при следующем географическом распределении: Азия 35%, Северная Америка 24%, Африка 11%, Западная Европа 10%, Восточная Европа и Россия 10%, Австралия и Океания 7%, Южная Америка 7 %. Большая часть производимой кислоты (~ 60%) расходуется на производство удобрений, суперфосфата фосфата аммония, сульфатов, сульфата аммония. Около 20% используется в химической промышленности для производства моющих средств, синтетических смол, красителей, фармацевтических препаратов, инсектицидов, антифриза, а также для различных технических процессов. Около 6% используют для производства пигментов, красок, эмалей, типографских красок. Используется также как осушитель газов.
Серная кислота действует как электролит в свинцово-кислотных аккумуляторах:
На аноде:
Pb + 3 SO2-4 ⇌ PbSO 4 + 2 e —
На катоде:
PbO 2 + 4 H + + SO2-4 + 2 e — ⇌ PbSO 4 + 2 H 2 O
Pb + PbO 2 + 4 H + + 2 SO2-4 ⇌ 2 PbSO 4 + 2 H 2 O
Серная кислота используется, также, для других целей в химической промышленности. Например, она кислотным катализатором для преобразования циклогексанона окси в капролактам, который используется для изготовления капрона. Она используется для изготовления соляной кислоты из соли. Серная кислота используется в нефтеперерабатывающей промышленности, в качестве катализатора реакции изобутана и изобутилена, для образования изооктана, соединения, имеет эталонное октановое число, и пригодной для создания высокооктанового бензина без металлосодержащих присадок.
Серная кислота едкая, хотя из-за значительной вязкость ожог может произойти за время достаточно для смывания кислоты, попавшей на кожу. В этом смысле более опасны олеум и хлорсульфоновая кислота, которые могут быстро наносить сильные ожоги. По коррозионными свойствами менее опасна чем соляная или азотная кислоты поскольку менее летучее и не очень активный окислитель при обычных температурах. Наиболее опасно попадание на открытые слизистые оболочки. Попадание в глаза может произойти при попытке разбавления концентрированной кислоты доливанием к ней воды (прямое нарушение правил обращения с концентрированной серной кислотой), при этом вода закипает и разбрызгивается вместе с кислотой. Пораженные участки промывают большим количеством воды и 5% раствором питьевой соды.
Сегодня получение серной кислоты производится в основном двумя промышленными способами: контактным и нитрозным. Контактный способ более прогрессивен и в России он применяется более широко, чем нитрозный, то есть башенный.
Получение серной кислоты начинается с обжига сернистого сырья, например, В специальных колчеданных печах получается так называемый обжиговый газ, в котором содержится около 9 % сернистого ангидрида. Эта стадия одинакова как для контактного, так и для нитрозного способа.
Далее необходимо окислить полученный сернистый ангидрид в серный. Однако предварительно его нужно очистить от ряда примесей, которые мешают дальнейшему процессу. Обжиговый газ очищают от пыли в электрофильтрах или в циклон-аппаратах, а затем подают его в устройство, содержащее твердые контактные массы, где диоксид серы SO 2 окисляется в серный ангидрид SO 3 .
Эта экзотермическая реакция обратима - повышение температуры приводит к разложению образовавшегося серного ангидрида. С другой стороны, при понижении температуры скорость прямой реакции очень мала. Поэтому температуру в контактном аппарате поддерживают в пределах 480 о С, регулируя ее скоростью прохождения газовой смеси.
В дальнейшем при контактном способе образуется при соединении серного ангидрида с водой.
Нитрозный способ характеризуется тем, что окисляется Получение серной кислоты по этому методу запускается образованием сернистой кислоты при взаимодействии из обжигового газа с водой. В дальнейшем полученная сернистая кислота окисляется азотной кислотой, что приводит к образованию монооксида азота и серной кислоты.
Эта реакционная смесь подается в специальную башню. При этом, регулируя поток газа, добиваются, чтобы в газовой смеси, попадающей в поглотительную башню, диоксид и монооксид азота содержался в соотношении 1:1, что необходимо для получения азотистого ангидрида.
Наконец, при взаимодействии серной кислоты и азотистого ангидрида образуется NOHSO 4 - нитрозилсерная кислота.
Образовавшаяся нитрозилсерная кислота подается в продукционную башню, где она, разлагаясь водой, выделяет азотистый ангидрид:
2NOHSO 4 + Н 2 O = N 2 O 3 + 2Н 2 SO 4,
который и окисляет сернистую кислоту, образовавшуюся в башне.
Окись азота, выделившаяся в результате реакции, вновь возвращается в окислительную башню и вступает в новый цикл.
В настоящее время в России получение серной кислоты производится в основном контактным способом. Нитрозный метод используется редко.
Применение серной кислоты весьма широко и разнообразно.
Большая ее часть идет на производство химических волокон и минеральных удобрений, она необходима в производстве лекарственных веществ и красителей. С помощью серной кислоты получают этиловый и другие спирты, моющие средства и ядохимикаты.
Ее растворы применяются в текстильной, пищевой промышленности, в процессах нитрования и для производства Кислота серная аккумуляторная служит электролитом для заливки в свинцовые аккумуляторы, которые широко используются в транспорте.
ОВР в статье специально выделены цветом. Обратите на них особое внимание. Эти уравнения могут попасться в ЕГЭ.
Разбавленная серная ведет себя, как и остальные кислоты, окислительные свои возможности прячет:
И еще, что надо помнить про разбавленную серную кислоту : она не реагирует со свинцом . Кусок свинца, брошенный в разбавленную H2SO4 покрывается слоем нерастворимого (см. таблицу растворимости) сульфата свинца и реакция моментально прекращается.
– тяжелая маслянистая жидкость, не летучая, не имеет вкуса и запаха
За счет серы в степени окисления +6(высшей) серная кислота приобретает сильные окислительные свойства.
Правило для задания 24 (по-старому А24) при приготовлении растворов серной кислоты никогда нельзя в нее лить воду . Концентрированую серную кислоту нужно тонкой струйкой вливать в воду, постоянно помешивая.
Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами
Эти реакции строго стандартизированны и идут по схеме:
H2SO4(конц.) + металл → сульфат металла + H2O + продукт восстановленной серы.
Есть два нюанса:
1) Алюминий, железо и хром с H2SO4 (конц) в нормальных условиях не реагируют, из-за пассивации. Нужно нагреть.
2) С платиной и золотом H2SO4 (конц) не реагирует вообще.
Сера в концентрированной серной кислоте – окислитель
Рассмотрим диаграмму степеней окисления серы :
Реакции будут идти вот так:
8Li + 5H 2 SO 4( конц .) → 4Li 2 SO 4 + 4H 2 O + H 2 S
4Mg + 5H 2 SO 4( конц .) → 4MgSO 4 + 4H 2 O + H 2 S
8Al + 15H 2 SO 4( конц .) (t)→ 4Al 2 (SO 4 ) 3 + 12H 2 O + 3H 2 S
3Mn + 4H 2 SO 4( конц .) → 3MnSO 4 + 4H 2 O + S↓
2Cr + 4H 2 SO 4( конц .) (t)→ Cr 2 (SO 4 ) 3 + 4H 2 O + S↓
3Zn + 4H 2 SO 4( конц .) → 3ZnSO 4 + 4H 2 O + S↓
2 Fe + 6 H 2 SO 4(конц.) ( t )→ Fe 2 ( SO 4 ) 3 + 6 H 2 O + 3 SO 2
(обратите внимание, что железо окисляется до +3, до максимально возможной, высшей степени окисления, так как оно имеет дело с сильным окислителем)
Cu + 2H 2 SO 4( конц .) → CuSO 4 + 2H 2 O + SO 2
2Ag + 2H 2 SO 4( конц .) → Ag 2 SO 4 + 2H 2 O + SO 2
Конечно, все относительно. Глубина восстановления будет зависеть от многих факторов: концентрации кислоты (90%, 80%, 60%), температуры и т.д. Поэтому совсем уж точно предсказать продукты нельзя. Приведенная выше таблица тоже имеет свой процент приблизительности, но пользоваться ей можно. Еще необходимо помнить, что в ЕГЭ, когда продукт восстановленной серы не указан, и металл не отличается особой активностью, то, скорее всего, составители имеют в виду SO 2 . Нужно смотреть по ситуации и искать зацепки в условиях.
SO 2 – это вообще частый продукт ОВР с участием конц. серной кислоты.
H2SO4 (конц) окисляет некоторые неметаллы (которые проявляют восстановительные свойства), как правило, до максимальной — высшей степени окисления (образуется оксид этого неметалла). Сера при этом тоже восстанавливается до SO 2:
C + 2H 2 SO 4( конц .) → CO 2 + 2H 2 O + 2SO 2
2P + 5H 2 SO 4( конц .) → P 2 O 5 + 5H 2 O + 5SO 2
Свежеобразованный оксид фосфора (V ) реагирует с водой, получается ортофосфорная кислота. Поэтому реакцию записывают сразу:
2P + 5H 2 SO 4( конц ) → 2H 3 PO 4 + 2H 2 O + 5SO 2
То же самое с бором, он превращается в ортоборную кислоту:
2B + 3H 2 SO 4( конц ) → 2H 3 BO 3 + 3SO 2
Очень интересны взаимодействие серы со степенью окисления +6 (в серной кислоте) с «другой» серой (находящейся в другом соединении). В рамках ЕГЭ рассматривается взаимодействиеH2SO4 (конц) с серой (простым веществом) и сероводородом .
Начнем с взаимодействия серы (простого вещества) с концентрированной серной кислотой . В простом веществе степень окисления 0, в кислоте +6. В этой ОВР сера +6 будет окислять серу 0. Посмотрим на диаграмму степеней окисления серы:
Сера 0 будет окисляться, а сера +6 будет восстанавливаться, то есть понижать степень окисления. Будет выделяться сернистый газ:
2 H 2 SO 4(конц.) + S → 3 SO 2 + 2 H 2 O
Но в случае с сероводородом:
Образуется и сера (простое вещество), и сернистый газ:
H 2 SO 4( конц .) + H 2 S → S↓ + SO 2 + 2H 2 O
Этот принцип часто может помочь в определении продукта ОВР, где окислитель и восстановитель – один и тот же элемент, в разных степенях окисления. Окислитель и восстановитель «идут навстречу друг другу» по диаграмме степеней окисления.
H2SO4 (конц) , так или иначе, взаимодействует с галогенидами . Только вот тут надо понимать, что фтор и хлор – «сами с усами» и с фторидами и хлоридами ОВР не протекает , проходит обычный ионно-обменный процесс, в ходе которого образуется газообразный галогеноводород:
CaCl 2 + H 2 SO 4( конц .) → CaSO 4 + 2HCl
CaF 2 + H 2 SO 4( конц .) → CaSO 4 + 2HF
А вот галогены в составе бромидов и иодидов (как и в составе соответствующих галогеноводородов) окисляются ей до свободных галогенов. Только вот сера восстанавливается по-разному: иодид является более cильным восстановителем, чем бромид. Поэтому иодид восстанавливает серу до сероводорода, а бромид до сернистого газа:
2H 2 SO 4( конц .) + 2NaBr → Na 2 SO 4 + 2H 2 O + SO 2 + Br 2
H 2 SO 4( конц .) + 2HBr → 2H 2 O + SO 2 + Br 2
5H 2 SO 4( конц .) + 8NaI → 4Na 2 SO 4 + 4H 2 O + H 2 S + 4I 2 ↓
H 2 SO 4( конц .) + 8HI → 4H 2 O + H 2 S + 4I 2 ↓
Хлороводород и фтороводород (как и их соли) устойчивы к окисляющему действию H2SO4 (конц).
И наконец, последнее: для концентрированной серной кислоты это уникально, больше никто так не может. Она обладает водоотнимающим свойством .
Это позволяет использовать концентрированную серную кислоту самым разным образом:
Во-первых, осушение веществ. Концентрированная серная кислота забирает воду от вещества и оно «становится сухим».
Во-вторых, катализатор в реакциях, в которых отщепляется вода (например, дегидратация и этерификация):
H 3 C–COOH + HO–CH 3 (H 2 SO 4 (конц.) )→ H 3 C–C(O)–O–CH 3 + H 2 O
H 3 C–CH 2 –OH (H 2 SO 4 (конц.) )→ H 2 C =CH 2 + H 2 O
