Fizička svojstva sumporne kiseline:
Teška uljasta tečnost („ulje vitriola“);
gustina 1,84 g/cm3; nehlapljiv, vrlo topljiv u vodi - uz jako zagrijavanje; t°pl. = 10,3°C, t° ključanja. = 296°C, vrlo higroskopno, ima svojstva uklanjanja vode (ugljenje papira, drveta, šećera).
Toplota hidratacije je tolika da smjesa može proključati, prskati i uzrokovati opekotine. Stoga je potrebno dodati kiselinu u vodu, a ne obrnuto, jer kada se voda doda kiselini, lakša voda će završiti na površini kiseline, gdje će se koncentrirati sva stvorena toplina.
Industrijska proizvodnja sumporne kiseline (kontaktna metoda):
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 (oleum)
Zdrobljeni, pročišćeni, mokri pirit (sumporni pirit) se sipa u peć na vrhu za pečenje u " fluidizovani sloj". Vazduh obogaćen kiseonikom prolazi odozdo (princip protivtoka).
Iz peći izlazi plin iz peći, čiji je sastav: SO 2, O 2, vodena para (pirit je bio mokar) i sitne čestice pepela (gvozdeni oksid). Gas se prečišćava od nečistoća čvrstih čestica (u ciklonu i elektrofilteru) i vodene pare (u tornju za sušenje).
U kontaktnom aparatu, sumpor dioksid se oksidira pomoću katalizatora V 2 O 5 (vanadij pentoksid) kako bi se povećala brzina reakcije. Proces oksidacije jednog oksida u drugi je reverzibilan. Zbog toga se biraju optimalni uslovi za direktnu reakciju - povećani pritisak (pošto se direktna reakcija odvija sa smanjenjem ukupnog volumena) i temperatura ne viša od 500 C (pošto je reakcija egzotermna).
U apsorpcionom tornju, sumpor oksid (VI) se apsorbuje koncentrovanom sumpornom kiselinom.
Apsorpcija vodom se ne koristi, jer se sumporov oksid otapa u vodi uz oslobađanje velike količine toplote, pa nastala sumporna kiselina ključa i pretvara se u paru. Da biste spriječili stvaranje magle sumporne kiseline, koristite 98% koncentriranu sumpornu kiselinu. Sumporov oksid se vrlo dobro rastvara u takvoj kiselini, formirajući oleum: H 2 SO 4 nSO 3
Hemijska svojstva sumporne kiseline:
H 2 SO 4 je jaka dvobazna kiselina, jedna od najjačih mineralnih kiselina; zbog visokog polariteta, H – O veza se lako prekida.
1)
Sumporna kiselina disocira u vodenom rastvoru
tvoreći vodikov ion i kiseli ostatak:
H 2 SO 4 = H + + HSO 4 - ;
HSO 4 - = H + + SO 4 2- .
Sumarna jednadžba:
H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 2- .
2) Interakcija sumporne kiseline sa metalima:
Razrijeđena sumporna kiselina otapa samo metale u nizu napona lijevo od vodonika:
Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (razrijeđen) → Zn +2 SO 4 + H 2
3)
Reakcija sumporne kiselinesa osnovnim oksidima:
CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O
4)
Reakcija sumporne kiseline sahidroksidi:
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)
Reakcije razmjene sa solima:
BaCl 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2HCl
Formiranje bijelog taloga BaSO 4 (nerastvorljivog u kiselinama) koristi se za detekciju sumporne kiseline i rastvorljivih sulfata (kvalitativne reakcije na sulfatni ion).
Posebna svojstva koncentrovanog H 2 SO 4:
1) Koncentrirano sumporna kiselina je jak oksidant ; pri interakciji sa metalima (osim Au, Pt) svodi se na S +4 O 2, S 0 ili H 2 S -2 u zavisnosti od aktivnosti metala. Bez zagrevanja ne reaguje sa Fe, Al, Cr - pasivacijom. U interakciji s metalima promjenjive valencije, potonji oksidiraju do viših oksidacionih stanja nego u slučaju razrijeđene otopine kiseline: Fe 0→ Fe 3+, Cr 0→ Cr 3+, Mn 0→Mn 4+,Sn 0→ Sn 4+
Aktivni metal
8 Al + 15 H 2 SO 4 (konc.) → 4Al 2 (SO 4) 3 + 12H 2 O + 3 H2S
4│2Al 0 – 6 e— → 2Al 3+ — oksidacija
3│ S 6+ + 8e → S 2– oporavak
4Mg+ 5H 2 SO 4 → 4MgSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
Metal srednje aktivnosti
2Cr + 4 H 2 SO 4 (konc.) → Cr 2 (SO 4) 3 + 4 H 2 O + S
1│ 2Cr 0 – 6e →2Cr 3+ - oksidacija
1│ S 6+ + 6e → S 0 – oporavak
Niskoaktivni metal
2Bi + 6H 2 SO 4 (konc.) → Bi 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O + 3 SO 2
1│ 2Bi 0 – 6e → 2Bi 3+ – oksidacija
3│ S 6+ + 2e →S 4+ - oporavak
2Ag + 2H 2 SO 4 →Ag 2 SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
2) Koncentrirana sumporna kiselina oksidira neke nemetale, obično do maksimalnog oksidacijskog stanja, a sama se reducira uS+4O2:
C + 2H 2 SO 4 (konc) → CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
S+ 2H 2 SO 4 (konc) → 3SO 2 + 2H 2 O
2P+ 5H 2 SO 4 (konc) → 5SO 2 + 2H 3 PO 4 + 2H 2 O
3) Oksidacija složenih supstanci:
Sumporna kiselina oksidira HI i HBr u slobodne halogene:
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
Koncentrirana sumporna kiselina ne može oksidirati kloridne ione u slobodni klor, što omogućava dobivanje HCl reakcijom izmjene:
NaCl + H 2 SO 4 (konc.) = NaHSO 4 + HCl
Sumporna kiselina uklanja hemijski vezanu vodu iz organskih jedinjenja koja sadrže hidroksilne grupe. Dehidracija etil alkohola u prisustvu koncentrovane sumporne kiseline proizvodi etilen:
C 2 H 5 OH = C 2 H 4 + H 2 O.
Pougljenje šećera, celuloze, škroba i drugih ugljikohidrata u kontaktu sa sumpornom kiselinom također se objašnjava njihovom dehidracijom:
C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2.
Nerazrijeđena sumporna kiselina je kovalentno jedinjenje.
U molekuli, sumporna kiselina je tetraedaralno okružena sa četiri atoma kiseonika, od kojih su dva deo hidroksilnih grupa. S–O veze su dvostruke, a S–OH veze su jednostruke.
Bezbojni kristali nalik ledu imaju slojevitu strukturu: svaki molekul H 2 SO 4 povezan je sa četiri susjedne jake vodonične veze, formirajući jedinstveni prostorni okvir.
Struktura tekuće sumporne kiseline je slična strukturi čvrste, samo je narušen integritet prostornog okvira.
Fizička svojstva sumporne kiseline
U normalnim uslovima, sumporna kiselina je teška, uljasta tečnost bez boje i mirisa. U tehnologiji, sumporna kiselina je mješavina vode i sumpornog anhidrida. Ako je molarni odnos SO 3 : H 2 O manji od 1, onda je to vodeni rastvor sumporne kiseline, a ako je veći od 1, to je rastvor SO 3 u sumpornoj kiselini.
100% H 2 SO 4 kristalizira na 10,45 °C; T kip = 296,2 °C; gustina 1,98 g/cm3. H 2 SO 4 se miješa sa H 2 O i SO 3 u bilo kojem omjeru kako bi formirao hidrate; toplina hidratacije je toliko visoka da smjesa može proključati, prskati i uzrokovati opekotine. Stoga je potrebno dodati kiselinu u vodu, a ne obrnuto, jer kada se voda doda kiselini, lakša voda će završiti na površini kiseline, gdje će se koncentrirati sva stvorena toplina.
Kada se vodeni rastvori sumporne kiseline koji sadrže do 70% H 2 SO 4 zagreju i prokuvaju, u parnu fazu se oslobađa samo vodena para. Para sumporne kiseline se također pojavljuje iznad koncentriranijih otopina.
U pogledu strukturnih karakteristika i anomalija, tečna sumporna kiselina je slična vodi. Postoji isti sistem vodoničnih veza, gotovo isti prostorni okvir.
Hemijska svojstva sumporne kiseline
Sumporna kiselina je jedna od najjačih mineralnih kiselina; zbog visokog polariteta, H–O veza se lako prekida.
Sumporna kiselina disocira u vodenom rastvoru tvoreći vodikov ion i kiseli ostatak:
H 2 SO 4 = H + + HSO 4 - ;
HSO 4 - = H + + SO 4 2- .
Sumarna jednadžba:
H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 2- .
Pokazuje svojstva kiselina , reagira s metalima, metalnim oksidima, bazama i solima.
Razrijeđena sumporna kiselina ne pokazuje oksidirajuća svojstva; kada je u interakciji s metalima, oslobađaju se vodik i sol koja sadrži metal u najnižem oksidacijskom stanju. Na hladnoći, kiselina je inertna prema metalima kao što su gvožđe, aluminijum, pa čak i barijum.
Koncentrirana kiselina ima oksidirajuća svojstva. Mogući produkti interakcije jednostavnih supstanci sa koncentriranom sumpornom kiselinom dati su u tabeli. Prikazana je ovisnost redukcionog produkta o koncentraciji kiseline i stupnju aktivnosti metala: što je metal aktivniji, to dublje reducira sulfatni ion sumporne kiseline.
Interakcija sa oksidima:
CaO + H 2 SO 4 = CaSO 4 = H 2 O.
Interakcija sa bazama:
2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O.
Interakcija sa solima:
Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O.
Oksidativna svojstva
Sumporna kiselina oksidira HI i HBr u slobodne halogene:
H 2 SO 4 + 2HI = I 2 + 2H 2 O + SO 2.
Sumporna kiselina uklanja hemijski vezanu vodu iz organskih jedinjenja koja sadrže hidroksilne grupe. Dehidracija etil alkohola u prisustvu koncentrovane sumporne kiseline proizvodi etilen:
C 2 H 5 OH = C 2 H 4 + H 2 O.
Pougljenje šećera, celuloze, škroba i drugih ugljikohidrata u kontaktu sa sumpornom kiselinom također se objašnjava njihovom dehidracijom:
C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2.
Svaka kiselina je složena tvar čija molekula sadrži jedan ili više atoma vodika i kiselinski ostatak.
Formula sumporne kiseline je H2SO4. Posljedično, molekul sumporne kiseline sadrži dva atoma vodika i kiseli ostatak SO4.
Sumporna kiselina nastaje kada sumporov oksid reagira s vodom
SO3+H2O -> H2SO4
Čista 100% sumporna kiselina (monohidrat) je teška tečnost, viskozna poput ulja, bez boje i mirisa, kiselog „bakarnog“ ukusa. Već na temperaturi od +10 ° C stvrdne se i pretvara u kristalnu masu.
Koncentrirana sumporna kiselina sadrži približno 95% H2SO4. I stvrdnjava na temperaturama ispod –20°C.
Interakcija sa vodom
Sumporna kiselina se dobro otapa u vodi, miješajući se s njom u bilo kojem omjeru. Time se oslobađa velika količina topline.
Sumporna kiselina može apsorbirati vodenu paru iz zraka. Ovo svojstvo se koristi u industriji za sušenje gasova. Plinovi se suše propuštanjem kroz posebne posude sa sumpornom kiselinom. Naravno, ova metoda se može koristiti samo za one plinove koji s njom ne reagiraju.
Poznato je da kada sumporna kiselina dođe u kontakt sa mnogim organskim materijama, posebno ugljikohidratima, te tvari postaju ugljenisane. Činjenica je da ugljikohidrati, poput vode, sadrže i vodonik i kisik. Sumporna kiselina im oduzima ove elemente. Ono što ostaje je ugalj.
U vodenom rastvoru H2SO4 indikatori lakmus i metilnarandža postaju crveni, što ukazuje da je ovaj rastvor kiselkastog ukusa.
Interakcija sa metalima
Kao i svaka druga kiselina, sumporna kiselina je sposobna zamijeniti atome vodika atomima metala u svojoj molekuli. U interakciji je sa gotovo svim metalima.
Razrijeđena sumporna kiselina reaguje sa metalima kao obična kiselina. Kao rezultat reakcije nastaje sol s kiselim ostatkom SO4 i vodikom.
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
A koncentrovane sumporne kiseline je veoma jak oksidant. On oksidira sve metale, bez obzira na njihov položaj u naponskom nizu. A kada reagira s metalima, sam se reducira u SO2. Vodik se ne oslobađa.
Su + 2 H2SO4 (konc) = CuSO4 + SO2 + 2H2O
Zn + 2 H2SO4 (konc) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O
Ali zlato, željezo, aluminij i metali platinske grupe ne oksidiraju u sumpornoj kiselini. Zbog toga se sumporna kiselina transportuje u čeličnim rezervoarima.
Soli sumporne kiseline koje se dobiju kao rezultat takvih reakcija nazivaju se sulfati. Bezbojne su i lako kristališu. Neki od njih su vrlo topljivi u vodi. Samo su CaSO4 i PbSO4 slabo rastvorljivi. BaSO4 je skoro nerastvorljiv u vodi.
Interakcija sa bazama
Reakcija između kiselina i baza naziva se reakcija neutralizacije. Kao rezultat reakcije neutralizacije sumporne kiseline, nastaje sol koja sadrži kiseli ostatak SO4 i vodu H2O.
Primjeri reakcija neutralizacije sumporne kiseline:
H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O
H2SO4 + CaOH = CaSO4 + 2 H2O
Sumporna kiselina reaguje neutralizacijom sa rastvorljivim i nerastvorljivim bazama.
Budući da molekula sumporne kiseline ima dva atoma vodika, a za neutralizaciju su potrebne dvije baze, klasificira se kao dvobazna kiselina.
Interakcija sa bazičnim oksidima
Iz školskog kursa hemije znamo da su oksidi složene supstance koje sadrže dva hemijska elementa, od kojih je jedan kiseonik u oksidacionom stanju -2. Osnovni oksidi se nazivaju oksidi 1, 2 i nekih 3 valentnih metala. Primjeri osnovnih oksida: Li2O, Na2O, CuO, Ag2O, MgO, CaO, FeO, NiO.
Sumporna kiselina reagira s bazičnim oksidima u reakciji neutralizacije. Kao rezultat ove reakcije, kao i u reakciji s bazama, nastaju sol i voda. Sol sadrži kiseli ostatak SO4.
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O
Interakcija sa solima
Sumporna kiselina reagira sa solima slabijih ili hlapljivih kiselina, istiskujući te kiseline iz njih. Kao rezultat ove reakcije nastaju sol s kiselim ostatkom SO4 i kiselina
H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl
Primjena sumporne kiseline i njenih spojeva
Barijumska kaša BaSO4 je sposobna da blokira rendgenske zrake. Ispunjavajući njime šuplje organe ljudskog tijela, radiolozi ih pregledavaju.
U medicini i građevinarstvu široko se koriste prirodni gips CaSO4 * 2H2O i kristalni hidrat kalcijum sulfata. Glauberova so Na2SO4*10H2O koristi se u medicini i veterini, u hemijskoj industriji - za proizvodnju sode i stakla. Bakar sulfat CuSO4 * 5H2O poznat je vrtlarima i agronomima koji ga koriste za borbu protiv štetočina i biljnih bolesti.
Sumporna kiselina ima široku primenu u raznim industrijama: hemijskoj, metaloprerađivačkoj, naftnoj, tekstilnoj, kožnoj i dr.
