Schwefelsäure_9879. Struktur der H2so4-Molekülbeschreibung

Physikalische Eigenschaften von Schwefelsäure:
Schwere ölige Flüssigkeit („Vitriolöl“);
Dichte 1,84 g/cm3; nichtflüchtig, gut wasserlöslich – bei starker Erhitzung; t°pl. = 10,3°C, T°Sieden. = 296°C, sehr hygroskopisch, hat wasserentziehende Eigenschaften (Verkohlung von Papier, Holz, Zucker).

Die Hydratationswärme ist so groß, dass die Mischung kochen, spritzen und Verbrennungen verursachen kann. Daher ist es notwendig, dem Wasser Säure zuzusetzen, und nicht umgekehrt, da bei der Zugabe von Wasser zur Säure leichteres Wasser auf der Oberfläche der Säure landet, wo die gesamte erzeugte Wärme konzentriert wird.

Industrielle Herstellung von Schwefelsäure (Kontaktverfahren):

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)

Zerkleinerter, gereinigter, feuchter Pyrit (Schwefelpyrit) wird oben in den Ofen gegossen und dort gebrannt. Wirbelschicht". Mit Sauerstoff angereicherte Luft wird von unten zugeführt (Gegenstromprinzip).
Aus dem Ofen tritt Ofengas aus, dessen Zusammensetzung SO 2, O 2, Wasserdampf (der Pyrit war nass) und winzige Schlackenpartikel (Eisenoxid) ist. Das Gas wird von Verunreinigungen aus Feststoffpartikeln (in einem Zyklon und Elektrofilter) und Wasserdampf (in einem Trockenturm) gereinigt.
In einer Kontaktapparatur wird Schwefeldioxid mit einem Katalysator V 2 O 5 (Vanadiumpentoxid) oxidiert, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Der Prozess der Oxidation eines Oxids zu einem anderen ist reversibel. Daher werden optimale Bedingungen für die direkte Reaktion ausgewählt – erhöhter Druck (da die direkte Reaktion mit einer Verringerung des Gesamtvolumens erfolgt) und eine Temperatur von nicht mehr als 500 °C (da die Reaktion exotherm ist).

Im Absorptionsturm wird Schwefeloxid (VI) durch konzentrierte Schwefelsäure absorbiert.
Die Absorption durch Wasser wird nicht genutzt, da sich Schwefeloxid unter Freisetzung großer Wärmemengen in Wasser auflöst, sodass die entstehende Schwefelsäure siedet und in Dampf umgewandelt wird. Um die Bildung von Schwefelsäurenebel zu verhindern, verwenden Sie 98 %ige konzentrierte Schwefelsäure. Schwefeloxid löst sich in einer solchen Säure sehr gut und bildet Oleum: H 2 SO 4 nSO 3

Chemische Eigenschaften von Schwefelsäure:

H 2 SO 4 ist eine starke zweibasige Säure, eine der stärksten Mineralsäuren; aufgrund ihrer hohen Polarität wird die H-O-Bindung leicht aufgebrochen.

1) Schwefelsäure dissoziiert in wässriger Lösung , bildet ein Wasserstoffion und einen sauren Rest:
H 2 SO 4 = H + + HSO 4 - ;
HSO 4 - = H + + SO 4 2- .
Zusammenfassende Gleichung:
H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 2- .

2) Wechselwirkung von Schwefelsäure mit Metallen:
Verdünnte Schwefelsäure löst nur Metalle in der Spannungsreihe links von Wasserstoff:
Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (verdünnt) → Zn +2 SO 4 + H 2

3) Reaktion von Schwefelsäuremit basischen Oxiden:
CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O

4) Reaktion von Schwefelsäure mitHydroxide:
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) Austauschreaktionen mit Salzen:
BaCl 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2HCl
Die Bildung eines weißen Niederschlags von BaSO 4 (unlöslich in Säuren) dient zum Nachweis von Schwefelsäure und löslichen Sulfaten (qualitative Reaktion auf Sulfationen).

Besondere Eigenschaften von konzentrierter H 2 SO 4:

1) Konzentriert Schwefelsäure ist starkes Oxidationsmittel ; Bei Wechselwirkung mit Metallen (außer Au, Pt) wird es je nach Aktivität des Metalls zu S +4 O 2, S 0 oder H 2 S -2 reduziert. Ohne Erhitzen reagiert es nicht mit Fe, Al, Cr – Passivierung. Bei der Wechselwirkung mit Metallen variabler Wertigkeit oxidieren diese zu höheren Oxidationsstufen als im Fall einer verdünnten Säurelösung: Fe 0→ Fe 3+ , Cr 0→ Cr 3+ , Mn 0→Mn 4+,Sn 0→ Sn 4+

Aktives Metall

8 Al + 15 H 2 SO 4 (konz.) → 4Al 2 (SO 4) 3 + 12H 2 O + 3 H2S
4│2Al 0 – 6 e— → 2Al 3+ — Oxidation
3│ S 6+ + 8e → S 2– Erholung

4Mg+ 5H 2 SO 4 → 4MgSO 4 + H 2 S + 4H 2 O

Metall mit mittlerer Aktivität

2Cr + 4 H 2 SO 4 (konz.) → Cr 2 (SO 4) 3 + 4 H 2 O + S
1│ 2Cr 0 – 6e →2Cr 3+ - Oxidation
1│ S 6+ + 6e → S 0 – Erholung

Niedrigaktives Metall

2Bi + 6H 2 SO 4 (konz.) → Bi 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O + 3 SO 2
1│ 2Bi 0 – 6e → 2Bi 3+ – Oxidation
3│ S 6+ + 2e →S 4+ - Erholung

2Ag + 2H 2 SO 4 → Ag 2 SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

2) Konzentrierte Schwefelsäure oxidiert einige Nichtmetalle, normalerweise bis zur maximalen Oxidationsstufe, und wird selbst reduziertS+4O2:

C + 2H 2 SO 4 (konz.) → CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

S+ 2H 2 SO 4 (konz.) → 3SO 2 + 2H 2 O

2P+ 5H 2 SO 4 (konz.) → 5SO 2 + 2H 3 PO 4 + 2H 2 O

3) Oxidation komplexer Stoffe:
Schwefelsäure oxidiert HI und HBr zu freien Halogenen:
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
Konzentrierte Schwefelsäure kann Chloridionen nicht zu freiem Chlor oxidieren, was die Gewinnung von HCl durch die Austauschreaktion ermöglicht:
NaCl + H 2 SO 4 (konz.) = NaHSO 4 + HCl

Schwefelsäure entfernt chemisch gebundenes Wasser aus hydroxylgruppenhaltigen organischen Verbindungen. Durch Dehydratisierung von Ethylalkohol in Gegenwart konzentrierter Schwefelsäure entsteht Ethylen:
C 2 H 5 OH = C 2 H 4 + H 2 O.

Die Verkohlung von Zucker, Zellulose, Stärke und anderen Kohlenhydraten bei Kontakt mit Schwefelsäure wird auch durch deren Austrocknung erklärt:
C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2.

Unverdünnte Schwefelsäure ist eine kovalente Verbindung.

Im Molekül ist Schwefelsäure tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben, von denen zwei zu den Hydroxylgruppen gehören. Die S-O-Bindungen sind doppelt und die S-OH-Bindungen sind einfach.

Die farblosen, eisähnlichen Kristalle haben eine Schichtstruktur: Jedes H 2 SO 4-Molekül ist mit vier benachbarten starken Wasserstoffbrücken verbunden und bildet so ein einziges räumliches Gerüst.

Die Struktur flüssiger Schwefelsäure ähnelt der Struktur fester Schwefelsäure, lediglich die Integrität des räumlichen Gerüsts ist gebrochen.

Physikalische Eigenschaften von Schwefelsäure

Unter normalen Bedingungen ist Schwefelsäure eine schwere, ölige Flüssigkeit ohne Farbe und Geruch. In der Technik ist Schwefelsäure eine Mischung aus Wasser und Schwefelsäureanhydrid. Ist das Molverhältnis SO 3:H 2 O kleiner als 1, handelt es sich um eine wässrige Lösung von Schwefelsäure, ist es größer als 1, handelt es sich um eine Lösung von SO 3 in Schwefelsäure.

100 % H 2 SO 4 kristallisiert bei 10,45 °C; T Kip = 296,2 °C; Dichte 1,98 g/cm3. H 2 SO 4 vermischt sich mit H 2 O und SO 3 in jedem Verhältnis zu Hydraten; die Hydratationswärme ist so hoch, dass die Mischung kochen, spritzen und Verbrennungen verursachen kann. Daher ist es notwendig, dem Wasser Säure zuzusetzen, und nicht umgekehrt, da bei der Zugabe von Wasser zur Säure leichteres Wasser auf der Oberfläche der Säure landet, wo die gesamte erzeugte Wärme konzentriert wird.

Beim Erhitzen und Sieden von wässrigen Schwefelsäurelösungen mit bis zu 70 % H 2 SO 4 gelangt nur Wasserdampf in die Dampfphase. Auch über konzentrierteren Lösungen tritt Schwefelsäuredampf auf.

Hinsichtlich struktureller Merkmale und Anomalien ähnelt flüssige Schwefelsäure Wasser. Es gibt das gleiche System von Wasserstoffbrückenbindungen, fast das gleiche räumliche Gerüst.

Chemische Eigenschaften von Schwefelsäure

Schwefelsäure ist eine der stärksten Mineralsäuren; aufgrund ihrer hohen Polarität wird die HO-Bindung leicht aufgebrochen.

Schwefelsäure dissoziiert in wässriger Lösung , bildet ein Wasserstoffion und einen sauren Rest:

H 2 SO 4 = H + + HSO 4 - ;

HSO 4 - = H + + SO 4 2- .

Zusammenfassende Gleichung:

H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 2- .

Zeigt Eigenschaften von Säuren , reagiert mit Metallen, Metalloxiden, Basen und Salzen.

Verdünnte Schwefelsäure weist keine oxidierenden Eigenschaften auf; bei der Wechselwirkung mit Metallen werden Wasserstoff und ein Salz freigesetzt, das das Metall in der niedrigsten Oxidationsstufe enthält. In der Kälte verhält sich die Säure gegenüber Metallen wie Eisen, Aluminium und sogar Barium inert.

Konzentrierte Säure hat oxidierende Eigenschaften. Mögliche Produkte der Wechselwirkung einfacher Stoffe mit konzentrierter Schwefelsäure sind in der Tabelle aufgeführt. Dargestellt wird die Abhängigkeit des Reduktionsprodukts von der Säurekonzentration und dem Aktivitätsgrad des Metalls: Je aktiver das Metall, desto stärker reduziert es das Sulfation der Schwefelsäure.

Wechselwirkung mit Oxiden:

CaO + H 2 SO 4 = CaSO 4 = H 2 O.

Interaktion mit Basen:

2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O.

Wechselwirkung mit Salzen:

Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O.

Oxidative Eigenschaften

Schwefelsäure oxidiert HI und HBr zu freien Halogenen:

H 2 SO 4 + 2HI = I 2 + 2H 2 O + SO 2.

Schwefelsäure entfernt chemisch gebundenes Wasser aus hydroxylgruppenhaltigen organischen Verbindungen. Durch Dehydratisierung von Ethylalkohol in Gegenwart konzentrierter Schwefelsäure entsteht Ethylen:

C 2 H 5 OH = C 2 H 4 + H 2 O.

Die Verkohlung von Zucker, Zellulose, Stärke und anderen Kohlenhydraten bei Kontakt mit Schwefelsäure wird auch durch deren Austrocknung erklärt:

C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2.

Jede Säure ist eine komplexe Substanz, deren Molekül ein oder mehrere Wasserstoffatome und einen Säurerest enthält.

Die Formel der Schwefelsäure lautet H2SO4. Folglich enthält das Schwefelsäuremolekül zwei Wasserstoffatome und den sauren Rest SO4.

Schwefelsäure entsteht, wenn Schwefeloxid mit Wasser reagiert

SO3+H2O -> H2SO4

Reine 100 %ige Schwefelsäure (Monohydrat) ist eine schwere Flüssigkeit, viskos wie Öl, farb- und geruchlos, mit einem sauren „Kupfer“-Geschmack. Bereits bei einer Temperatur von +10 °C härtet es aus und verwandelt sich in eine kristalline Masse.

Konzentrierte Schwefelsäure enthält etwa 95 % H2SO4. Und es härtet bei Temperaturen unter –20 °C aus.

Wechselwirkung mit Wasser

Schwefelsäure löst sich gut in Wasser und lässt sich in jedem Verhältnis damit vermischen. Dadurch wird eine große Menge Wärme freigesetzt.

Schwefelsäure kann Wasserdampf aus der Luft aufnehmen. Diese Eigenschaft wird in der Industrie zur Trocknung von Gasen genutzt. Die Gase werden getrocknet, indem sie mit Schwefelsäure durch spezielle Behälter geleitet werden. Natürlich ist diese Methode nur für solche Gase anwendbar, die damit nicht reagieren.

Es ist bekannt, dass Schwefelsäure bei Kontakt mit vielen organischen Substanzen, insbesondere Kohlenhydraten, verkohlt. Tatsache ist, dass Kohlenhydrate wie Wasser sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff enthalten. Schwefelsäure entzieht ihnen diese Elemente. Was bleibt, ist Kohle.

In einer wässrigen Lösung von H2SO4 verfärben sich die Indikatoren Lackmus und Methylorange rot, was darauf hindeutet, dass diese Lösung einen sauren Geschmack hat.

Wechselwirkung mit Metallen

Schwefelsäure ist wie jede andere Säure in der Lage, in ihrem Molekül Wasserstoffatome durch Metallatome zu ersetzen. Es interagiert mit fast allen Metallen.

Verdünnte Schwefelsäure reagiert mit Metallen wie eine gewöhnliche Säure. Durch die Reaktion entsteht ein Salz mit einem sauren Rest SO4 und Wasserstoff.

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

A konzentrierte Schwefelsäure ist ein sehr starkes Oxidationsmittel. Es oxidiert alle Metalle, unabhängig von ihrer Position in der Spannungsreihe. Und bei der Reaktion mit Metallen wird es selbst zu SO2 reduziert. Wasserstoff wird nicht freigesetzt.

Сu + 2 H2SO4 (konz.) = CuSO4 + SO2 + 2H2O

Zn + 2 H2SO4 (konz.) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O

Gold, Eisen, Aluminium und Metalle der Platingruppe oxidieren jedoch nicht in Schwefelsäure. Daher wird Schwefelsäure in Stahltanks transportiert.

Die bei solchen Reaktionen entstehenden Schwefelsäuresalze werden Sulfate genannt. Sie sind farblos und kristallisieren leicht. Einige von ihnen sind gut wasserlöslich. Nur CaSO4 und PbSO4 sind schwer löslich. BaSO4 ist in Wasser nahezu unlöslich.

Interaktion mit Basen

Die Reaktion zwischen Säuren und Basen wird Neutralisationsreaktion genannt. Durch die Neutralisationsreaktion von Schwefelsäure entsteht ein Salz, das den Säurerest SO4 und Wasser H2O enthält.

Beispiele für Schwefelsäure-Neutralisationsreaktionen:

H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O

H2SO4 + CaOH = CaSO4 + 2 H2O

Schwefelsäure reagiert unter Neutralisation sowohl mit löslichen als auch mit unlöslichen Basen.

Da das Schwefelsäuremolekül über zwei Wasserstoffatome verfügt und zu seiner Neutralisierung zwei Basen erforderlich sind, wird es als zweibasische Säure klassifiziert.

Wechselwirkung mit basischen Oxiden

Aus dem Chemiekurs in der Schule wissen wir, dass Oxide komplexe Stoffe sind, die zwei chemische Elemente enthalten, darunter Sauerstoff in der Oxidationsstufe -2. Basische Oxide werden als Oxide von 1-, 2- und etwa 3-wertigen Metallen bezeichnet. Beispiele für basische Oxide: Li2O, Na2O, CuO, Ag2O, MgO, CaO, FeO, NiO.

Schwefelsäure reagiert mit basischen Oxiden in einer Neutralisationsreaktion. Bei dieser Reaktion entstehen, wie auch bei der Reaktion mit Basen, Salz und Wasser. Das Salz enthält den sauren Rest SO4.

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

Wechselwirkung mit Salzen

Schwefelsäure reagiert mit Salzen schwächerer oder flüchtiger Säuren und verdrängt diese Säuren aus diesen. Als Ergebnis dieser Reaktion entsteht ein Salz mit einem sauren Rest SO4 und einer Säure

H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl

Anwendung von Schwefelsäure und ihren Verbindungen

Bariumbrei BaSO4 ist in der Lage, Röntgenstrahlen zu blockieren. Radiologen füllen damit die Hohlorgane des menschlichen Körpers und untersuchen sie.

In der Medizin und im Bauwesen werden häufig Naturgips CaSO4 * 2H2O und kristallines Calciumsulfathydrat verwendet. Glaubersalz Na2SO4 * 10H2O wird in der Medizin und Veterinärmedizin, in der chemischen Industrie – zur Herstellung von Soda und Glas – eingesetzt. Kupfersulfat CuSO4 * 5H2O ist Gärtnern und Agronomen bekannt, die es zur Bekämpfung von Schädlingen und Pflanzenkrankheiten einsetzen.

Schwefelsäure wird häufig in verschiedenen Branchen eingesetzt: Chemie, Metallverarbeitung, Öl, Textil, Leder und anderen.