Серная кислота

Характеристики и физические свойства серной кислоты

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.

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⁺ + SO₄^2-

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:

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как диоксид, так и свободная сера и сероводород. Например, при взаимодействии с цинком могут протекать реакции:

Zn + 2H₂SO₄ = ZnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O;

3Zn + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S↓ + 4H₂O;

4Zn + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O.

Применение серной кислоты

Применение серной кислоты меняется от страны к стране и от десятилетия к десятилетию. Так, например в США в настоящее время главная область потребления H₂SO₄ — производство удобрений (70%), за ним следуют химическое производство, металлургия, очистка нефти (~5% в каждой области). В Великобритании распределение потребления по отраслям иное: только 30% производимой H₂SO₄ используется в производстве удобрений, зато 18% идет на краски, пигменты и полупродукты производства красителей, 16% на химическое производство, 12% на получение мыла и моющих средств, 10% на производство натуральных и искусственных волокон и 2,5% применяется в металлургии.

Примеры решения задач