Физични свойства на сярната киселина:
Тежка мазна течност („масло от витриол“);
плътност 1,84 g/cm3; нелетлив, силно разтворим във вода - при силно нагряване; t°pl. = 10,3°C, t°кип. = 296°C, много хигроскопичен, има водоотстраняващи свойства (овъгляване на хартия, дърво, захар).
Топлината на хидратация е толкова голяма, че сместа може да заври, да се пръсне и да причини изгаряния. Следователно е необходимо да се добави киселина към водата, а не обратното, тъй като когато се добави вода към киселината, по-леката вода ще се окаже на повърхността на киселината, където ще се концентрира цялата генерирана топлина.
Промишлено производство на сярна киселина (контактен метод):
1) 4FeS 2 + 11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2
2) 2SO 2 + O 2 V 2 O 5 → 2SO 3
3) nSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 nSO 3 (олеум)
Натрошен, пречистен, мокър пирит (сярен пирит) се изсипва в пещта отгоре за изпичане в " кипящ слой". Въздухът, обогатен с кислород, се пропуска отдолу (принцип на противотока).
От пещта излиза пещен газ, чийто състав е: SO 2, O 2, водна пара (пиритът е бил мокър) и малки частици сгурия (железен оксид). Газът се пречиства от примеси на твърди частици (в циклон и електрически утаител) и водни пари (в сушилна кула).
В контактен апарат серният диоксид се окислява с помощта на катализатор V 2 O 5 (ванадиев пентаоксид), за да се увеличи скоростта на реакцията. Процесът на окисляване на един оксид в друг е обратим. Поради това се избират оптимални условия за директна реакция - повишено налягане (тъй като директната реакция протича с намаляване на общия обем) и температура не по-висока от 500 С (тъй като реакцията е екзотермична).
В абсорбционната кула серният оксид (VI) се абсорбира от концентрирана сярна киселина.
Абсорбцията от вода не се използва, тъй като серният оксид се разтваря във вода с отделяне на голямо количество топлина, така че получената сярна киселина кипи и се превръща в пара. За да предотвратите образуването на мъгла от сярна киселина, използвайте 98% концентрирана сярна киселина. Серният оксид се разтваря много добре в такава киселина, образувайки олеум: H 2 SO 4 nSO 3
Химични свойства на сярната киселина:
H 2 SO 4 е силна двуосновна киселина, една от най-силните минерални киселини; поради високата си полярност връзката H – O лесно се разрушава.
1)
Сярната киселина се дисоциира във воден разтвор
, образувайки водороден йон и киселинен остатък:
H2SO4 = H++ HSO4-;
HSO 4 - = H + + SO 4 2-.
Обобщено уравнение:
H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 2-.
2) Взаимодействие на сярна киселина с метали:
Разредената сярна киселина разтваря само метали в серията на напрежение вляво от водорода:
Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (разреден) → Zn +2 SO 4 + H 2
3)
Реакция на сярна киселинас основни оксиди:
CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O
4)
Реакция на сярна киселина схидроксиди:
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)
Обменни реакции със соли:
BaCl 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2HCl
Образуването на бяла утайка от BaSO 4 (неразтворим в киселини) се използва за откриване на сярна киселина и разтворими сулфати (качествена реакция към сулфатен йон).
Специални свойства на концентрираната H 2 SO 4:
1) Концентриран сярна киселина е силен окислител ; при взаимодействие с метали (с изключение на Au, Pt) се редуцира до S +4 O 2, S 0 или H 2 S -2 в зависимост от активността на метала. Без нагряване не реагира с Fe, Al, Cr - пасивация. При взаимодействие с метали с променлива валентност, последните се окисляват към по-високи степени на окисление отколкото в случая на разреден киселинен разтвор: Fe 0→ Fe 3+, Cr 0→ Cr 3+, Mn 0→Mn 4+,Sn 0→ Sn 4+
Активен метал
8 Al + 15 H 2 SO 4 (конц.) → 4Al 2 (SO 4) 3 + 12H 2 O + 3 H2S
4│2Al 0 – 6 д— → 2Al 3+ — окисление
3│ S 6+ + 8e → S 2– възстановяване
4Mg+ 5H 2 SO 4 → 4MgSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
Метал със средна активност
2Cr + 4 H 2 SO 4 (конц.) → Cr 2 (SO 4) 3 + 4 H 2 O + С
1│ 2Cr 0 – 6e →2Cr 3+ - окисление
1│ S 6+ + 6e → S 0 – възстановяване
Ниско активен метал
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+ - възстановяване
2Ag + 2H 2 SO 4 →Ag 2 SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
2) Концентрираната сярна киселина окислява някои неметали, обикновено до максимално ниво на окисление, а самата тя се редуцира доS+4O2:
C + 2H 2 SO 4 (конц.) → CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
S+ 2H 2 SO 4 (конц.) → 3SO 2 + 2H 2 O
2P+ 5H 2 SO 4 (конц.) → 5SO 2 + 2H 3 PO 4 + 2H 2 O
3) Окисляване на сложни вещества:
Сярната киселина окислява HI и HBr до свободни халогени:
2 KBr + 2H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + SO 2 + Br 2 + 2H 2 O
2 KI + 2H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + SO 2 + I 2 + 2H 2 O
Концентрираната сярна киселина не може да окисли хлоридните йони до свободен хлор, което прави възможно получаването на HCl чрез обменна реакция:
NaCl + H2SO4 (конц.) = NaHSO4 + HCl
Сярната киселина отстранява химически свързаната вода от органичните съединения, съдържащи хидроксилни групи. При дехидратиране на етилов алкохол в присъствието на концентрирана сярна киселина се получава етилен:
C 2 H 5 OH = C 2 H 4 + H 2 O.
Овъгляването на захар, целулоза, нишесте и други въглехидрати при контакт със сярна киселина също се обяснява с тяхната дехидратация:
C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2.
Неразредената сярна киселина е ковалентно съединение.
В молекулата сярната киселина е тетраедрично заобиколена от четири кислородни атома, два от които са част от хидроксилните групи. S–O връзките са двойни, а S–OH връзките са единични.
Безцветните, подобни на лед кристали имат слоеста структура: всяка молекула H 2 SO 4 е свързана с четири съседни силни водородни връзки, образувайки единна пространствена рамка.
Структурата на течната сярна киселина е подобна на структурата на твърдата, само че е нарушена целостта на пространствената рамка.
Физични свойства на сярната киселина
При нормални условия сярната киселина е тежка мазна течност без цвят и мирис. В технологията сярната киселина е смес от вода и серен анхидрид. Ако моларното съотношение на SO 3: H 2 O е по-малко от 1, тогава това е воден разтвор на сярна киселина; ако е по-голямо от 1, това е разтвор на SO 3 в сярна киселина.
100% H 2 SO 4 кристализира при 10,45 ° C; T kip = 296.2 °С; плътност 1,98 g/cm3. H 2 SO 4 се смесва с H 2 O и SO 3 във всяко съотношение, за да образува хидрати; топлината на хидратация е толкова висока, че сместа може да заври, да се пръсне и да причини изгаряния. Следователно е необходимо да се добави киселина към водата, а не обратното, тъй като когато се добави вода към киселината, по-леката вода ще се окаже на повърхността на киселината, където ще се концентрира цялата генерирана топлина.
При нагряване и кипене на водни разтвори на сярна киселина, съдържащи до 70% H 2 SO 4, в парната фаза се отделят само водни пари. Парите на сярната киселина също се появяват над по-концентрирани разтвори.
По структурни характеристики и аномалии течната сярна киселина е подобна на водата. Съществува същата система от водородни връзки, почти същата пространствена рамка.
Химични свойства на сярната киселина
Сярната киселина е една от най-силните минерални киселини; поради високата си полярност връзката H–O лесно се разрушава.
Сярната киселина се дисоциира във воден разтвор , образувайки водороден йон и киселинен остатък:
H2SO4 = H++ HSO4-;
HSO 4 - = H + + SO 4 2-.
Обобщено уравнение:
H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 2-.
Показва свойствата на киселините , реагира с метали, метални оксиди, основи и соли.
Разредената сярна киселина не проявява окислителни свойства; когато взаимодейства с метали, се отделя водород и сол, съдържаща метала в най-ниско състояние на окисление. На студено киселината е инертна към метали като желязо, алуминий и дори барий.
Концентрираната киселина има окислителни свойства. Възможните продукти от взаимодействието на прости вещества с концентрирана сярна киселина са дадени в таблицата. Показана е зависимостта на редукционния продукт от концентрацията на киселината и степента на активност на метала: колкото по-активен е металът, толкова по-дълбоко редуцира сулфатния йон на сярната киселина.
Взаимодействие с оксиди:
CaO + H 2 SO 4 = CaSO 4 = H 2 O.
Взаимодействие с бази:
2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O.
Взаимодействие със соли:
Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O.
Окислителни свойства
Сярната киселина окислява HI и HBr до свободни халогени:
H 2 SO 4 + 2HI = I 2 + 2H 2 O + SO 2.
Сярната киселина отстранява химически свързаната вода от органичните съединения, съдържащи хидроксилни групи. При дехидратиране на етилов алкохол в присъствието на концентрирана сярна киселина се получава етилен:
C 2 H 5 OH = C 2 H 4 + H 2 O.
Овъгляването на захар, целулоза, нишесте и други въглехидрати при контакт със сярна киселина също се обяснява с тяхната дехидратация:
C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2.
Всяка киселина е сложно вещество, чиято молекула съдържа един или повече водородни атоми и киселинен остатък.
Формулата на сярната киселина е H2SO4. Следователно молекулата на сярната киселина съдържа два водородни атома и киселинния остатък SO4.
Сярна киселина се образува, когато серен оксид реагира с вода
SO3+H2O -> H2SO4
Чистата 100% сярна киселина (монохидрат) е тежка течност, вискозна като масло, без цвят и мирис, с кисел "меден" вкус. Вече при температура от +10 ° C се втвърдява и се превръща в кристална маса.
Концентрираната сярна киселина съдържа приблизително 95% H2SO4. И се втвърдява при температури под –20°C.
Взаимодействие с вода
Сярната киселина се разтваря добре във вода, смесвайки се с нея във всякаква пропорция. Това освобождава голямо количество топлина.
Сярната киселина може да абсорбира водни пари от въздуха. Това свойство се използва в промишлеността за изсушаване на газове. Газовете се изсушават чрез преминаването им през специални контейнери със сярна киселина. Разбира се, този метод може да се използва само за онези газове, които не реагират с него.
Известно е, че когато сярната киселина влезе в контакт с много органични вещества, особено въглехидрати, тези вещества се овъгляват. Факт е, че въглехидратите, подобно на водата, съдържат както водород, така и кислород. Сярната киселина отнема тези елементи от тях. Това, което остава, са въглища.
Във воден разтвор на H2SO4 индикаторите лакмус и метилоранж стават червени, което показва, че този разтвор има кисел вкус.
Взаимодействие с метали
Както всяка друга киселина, сярната киселина е способна да замени водородните атоми с метални атоми в своята молекула. Взаимодейства с почти всички метали.
Разредена сярна киселинареагира с метали като обикновена киселина. В резултат на реакцията се образува сол с киселинен остатък SO4 и водород.
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
А концентрирана сярна киселинае много силен окислител. Той окислява всички метали, независимо от позицията им в серията на напрежението. И когато реагира с метали, самият той се редуцира до SO2. Водород не се отделя.
Сu + 2 H2SO4 (конц.) = CuSO4 + SO2 + 2H2O
Zn + 2 H2SO4 (конц.) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O
Но златото, желязото, алуминият и металите от платиновата група не се окисляват в сярна киселина. Следователно сярната киселина се транспортира в стоманени цистерни.
Солите на сярната киселина, които се получават в резултат на такива реакции, се наричат сулфати. Те са безцветни и лесно кристализират. Някои от тях са силно разтворими във вода. Само CaSO4 и PbSO4 са слабо разтворими. BaSO4 е почти неразтворим във вода.
Взаимодействие с бази
Реакцията между киселини и основи се нарича реакция на неутрализация. В резултат на реакцията на неутрализация на сярната киселина се образува сол, съдържаща киселинен остатък SO4 и вода H2O.
Примери за реакции на неутрализация на сярна киселина:
H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O
H2SO4 + CaOH = CaSO4 + 2 H2O
Сярната киселина реагира с неутрализация както с разтворими, така и с неразтворими основи.
Тъй като молекулата на сярната киселина има два водородни атома и са необходими две основи, за да се неутрализира, тя се класифицира като двуосновна киселина.
Взаимодействие с основни оксиди
От училищния курс по химия знаем, че оксидите са сложни вещества, които съдържат два химични елемента, единият от които е кислород в степен на окисление -2. Основните оксиди се наричат оксиди на 1, 2 и някои 3 валентни метали. Примери за основни оксиди: Li2O, Na2O, CuO, Ag2O, MgO, CaO, FeO, NiO.
Сярната киселина реагира с основни оксиди в реакция на неутрализация. В резултат на тази реакция, както при реакцията с основи, се образуват сол и вода. Солта съдържа киселинния остатък SO4.
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O
Взаимодействие със соли
Сярната киселина реагира със соли на по-слаби или летливи киселини, като измества тези киселини от тях. В резултат на тази реакция се образува сол с киселинен остатък SO4 и киселина
H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl
Приложение на сярната киселина и нейните съединения
Бариевата каша BaSO4 е способна да блокира рентгеновите лъчи. Изпълвайки с него кухите органи на човешкото тяло, рентгенолозите ги изследват.
В медицината и строителството естественият гипс CaSO4 * 2H2O и кристалният хидрат на калциевия сулфат се използват широко. Глауберовата сол Na2SO4 * 10H2O се използва в медицината и ветеринарната медицина, в химическата промишленост - за производството на сода и стъкло. Медният сулфат CuSO4 * 5H2O е известен на градинарите и агрономите, които го използват за борба с вредители и болести по растенията.
Сярната киселина се използва широко в различни индустрии: химическа, металообработваща, петролна, текстилна, кожарска и др.
