Сірчана кислота_9879. Будова молекули H2so4 опис

Фізичні властивості сірчаної кислоти:
Тяжка масляниста рідина («купоросне масло»);
густина 1,84 г/см3; нелетюча, добре розчинна у воді – з сильним нагріванням; t°пл. = 10,3 ° C, t ° кип. = 296°С, дуже гігроскопічна, має водовіднімні властивості (обвуглювання паперу, дерева, цукру).

Теплота гідратації настільки велика, що суміш може закипати, розбризкуватися та викликати опіки. Тому необхідно додавати кислоту до води, а не навпаки, оскільки при додаванні води до кислоти легша вода виявиться на поверхні кислоти, де і зосередиться вся теплота, що виділяється.

Промислове виробництво сірчаної кислоти (контактний спосіб):

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)

Подрібнений очищений вологий пірит (сірчаний колчедан) зверху засипають у піч для випалу киплячому шарі“. Знизу (принцип протитечії) пропускають повітря, збагачене киснем.
З печі виходить пічний газ, склад якого: SO 2 , O 2 пари води (пірит був вологий) і дрібні частинки недогарка (оксиду заліза). Газ очищають від домішок твердих частинок (у циклоні та електрофільтрі) та парів води (у сушильній вежі).
У контактному апараті відбувається окислення сірчистого газу з використанням каталізатора V 2 O 5 (п'ятиокис ванадію) для збільшення швидкості реакції. Процес окислення одного оксиду в інший є оборотним. Тому підбирають оптимальні умови протікання прямої реакції - підвищений тиск (т.к пряма реакція йде зі зменшенням загального обсягу) і температура не вище 500 С (т.к екзотермічна реакція).

У поглинальній вежі відбувається поглинання оксиду сірки (VI) концентрованою сірчаною кислотою.
Поглинання водою не використовують, тому що оксид сірки розчиняється у воді з виділенням великої кількості теплоти, тому сірчана кислота, що утворюється, закипає і перетворюється на пару. Для того, щоб не утворювалося сірчанокислотного туману, використовують 98% концентровану сірчану кислоту. Оксид сірки дуже добре розчиняється в такій кислоті, утворюючи олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3

Хімічні властивості сірчаної кислоти:

H 2 SO 4 — сильна двоосновна кислота, одна з найсильніших мінеральних кислот, через високу полярність зв'язок Н – легко розривається.

1) У водному розчині сірчана кислота дисоціює , утворюючи іон водню та кислотний залишок:
H 2 SO 4 = H + + HSO 4 -;
HSO 4 - = H + + SO 4 2-.
Сумарне рівняння:
H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 2-.

2) Взаємодія сірчаної кислоти з металами:
Розведена сірчана кислота розчиняє тільки метали, що стоять у ряді напруг лівіше водню:
Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (розб) → Zn +2 SO 4 + H 2

3) Взаємодія сірчаної кислотиз основними оксидами:
CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O

4) Взаємодія сірчаної кислоти згідроксидами:
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) Обмінні реакції із солями:
BaCl 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2HCl
Утворення білого осаду BaSO 4 (нерозчинного в кислотах) використовується для виявлення сірчаної кислоти та розчинних сульфатів (якісна реакція на сульфат іон).

Особливі властивості концентрованої H2SO4:

1) Концентрована сірчана кислота є сильним окислювачем ; при взаємодії з металами (крім Au, Pt) відновлюватися до S +4 O 2 , S 0 або H 2 S -2 залежно від активності металу. Без нагрівання не реагує з Fe, Al, Cr – пасивація. При взаємодії з металами, що мають змінну валентність, останні окислюються до вищих ступенів окислення ніж у випадку з розведеним розчином кислоти: Fe 0→ Fe 3+ , Cr 0→ Cr 3+ , Mn 0→Mn 4+,Sn 0→ Sn 4+

Активний метал

8 Al + 15 H 2 SO 4(конц.) →4Al 2 (SO 4) 3 + 12H 2 O + 3 H 2 S
4│2Al 0 – 6 e- → 2Al 3+ - окислення
3│ S 6+ + 8e → S 2– відновлення

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

Метал середньої активності

2Cr + 4 H 2 SO 4(конц.) → Cr 2 (SO 4) 3 + 4 H 2 O + S
1│ 2Cr 0 – 6e →2Cr 3+ — окислення
1│ S 6+ + 6e → S 0 – відновлення

Метал малоактивний

2Bi + 6H 2 SO 4(конц.) → Bi 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O + 3 SO 2
1│ 2Bi 0 – 6e → 2Bi 3+ – окислення
3│ S 6+ + 2e →S 4+ — відновлення

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

2) Концентрована сірчана кислота окислює деякі неметали як правило до максимального ступеня окислення, сама відновлюється доS+4O 2:

С + 2H 2 SO 4 (конц) → CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

S+ 2H 2 SO 4 (кінець) → 3SO 2 + 2H 2 O

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

3) Окислення складних речовин:
Сірчана кислота окислює HI та НВг до вільних галогенів:
2 КВr + 2Н 2 SO 4 = К 2 SО 4 + SO 2 + Вr 2 + 2Н 2 О
2 КI + 2Н 2 SО 4 = К 2 SO 4 + SO 2 + I 2 + 2Н 2 О
Концентрована сірчана кислота не може окислити хлорид-іони до вільного хлору, що дає можливість отримувати НСl за реакції обміну:
NаСl + Н 2 SO 4 (конц.) = NаНSO 4 + НСl

Сірчана кислота забирає хімічно зв'язану воду від органічних сполук, що містять гідроксильні групи. Дегідратація етилового спирту в присутності концентрованої сірчаної кислоти призводить до одержання етилену:
З 2 Н 5 ОН = З 2 Н 4 + Н 2 О.

Обвуглювання цукру, целюлози, крохмалю та ін. вуглеводів при контакті з сірчаною кислотою пояснюється також їх зневодненням:
C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2 .

Нерозведена сірчана кислота є ковалентною сполукою.

У молекулі сірчана кислота тетраедрично оточена чотирма атомами кисню, два з яких входять до складу гідроксильних груп. Зв'язки S – O – подвійні, а S – OH – одинарні.

Безбарвні, схожі на лід кристали мають шарувату структуру: кожна молекула H 2 SO 4 з'єднана з чотирма сусідніми міцними водневими зв'язками, утворюючи просторовий єдиний каркас.

Структура рідкої сірчаної кислоти схожа на тверду структуру, тільки цілісність просторового каркаса порушена.

Фізичні властивості сірчаної кислоти

За звичайних умов сірчана кислота – важка масляниста рідина без кольору та запаху. У техніці сірчаною кислотою називають її суміші як із водою, і з сірчаним ангідридом. Якщо молярне відношення SO 3: Н 2 Про менше 1, це водний розчин сірчаної кислоти, якщо більше 1, - розчин SO 3 в сірчаній кислоті.

100%-на H 2 SO 4 кристалізується при 10,45 °З; Тстос = 296,2 °С; густина 1,98 г/см 3 . H 2 SO 4 змішується з Н 2 Про та SO 3 у будь-яких співвідношеннях з утворенням гідратів, теплота гідратації настільки велика, що суміш може закипати, розбризкуватися та викликати опіки. Тому необхідно додавати кислоту до води, а не навпаки, оскільки при додаванні води до кислоти легша вода виявиться на поверхні кислоти, де і зосередиться вся теплота, що виділяється.

При нагріванні та кипінні водних розчинів сірчаної кислоти, що містять до 70 % H 2 SO 4 , у парову фазу виділяються лише пари води. Над більш концентрованими розчинами з'являються пари сірчаної кислоти.

За структурними особливостями та аномаліями рідка сірчана кислота схожа на воду. Тут та сама система водневих зв'язків, майже такий самий просторовий каркас.

Хімічні властивості сірчаної кислоти

Сірчана кислота – одна з найсильніших мінеральних кислот, через високу полярність зв'язок Н – легко розривається.

У водному розчині сірчана кислота дисоціює , утворюючи іон водню та кислотний залишок:

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

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

Сумарне рівняння:

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

Виявляє властивості кислот , реагує з металами, оксидами металів, основами та солями.

Розведена сірчана кислота не виявляє окисних властивостей, при її взаємодії з металами виділяється водень і сіль, що містить метал у нижчому ступені окислення. На холоді кислота інертна до таких металів, як залізо, алюміній і навіть барій.

Концентрована кислота має окислювальні властивості. Можливі продукти взаємодії простих речовин із концентрованою сірчаною кислотою наведені у таблиці. Показано залежність продукту відновлення від концентрації кислоти та ступеня активності металу: чим активніший метал, тим глибше він відновлює сульфат-іон сірчаної кислоти.

Взаємодія з оксидами:

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

Взаємодія з основами:

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

Взаємодія із солями:

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

Окислювальні властивості

Сірчана кислота окислює HI та НВг до вільних галогенів:

H2SO4+2HI = I2+2H2O+SO2.

Сірчана кислота забирає хімічно зв'язану воду від органічних сполук, що містять гідроксильні групи. Дегідратація етилового спирту в присутності концентрованої сірчаної кислоти призводить до одержання етилену:

З 2 Н 5 ОН = З 2 Н 4 + Н 2 О.

Обвуглювання цукру, целюлози, крохмалю та ін. вуглеводів при контакті з сірчаною кислотою пояснюється також їх зневодненням:

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

Будь-яка кислота є складною речовиною, молекула якої містить один або кілька атомів водню і кислотний залишок.

Формула сірчаної кислоти – H2SO4. Отже, до складу молекули сірчаної кислоти входять два атоми водню та кислотний залишок SO4.

Утворюється сірчана кислота під час взаємодії оксиду сірки з водою

SO3+H2O -> H2SO4

Чиста 100% сірчана кислота (моногідрат) - важка рідина, в'язка як масло, без кольору і запаху, з кислим «мідним» смаком. Вже за температури +10 °З вона застигає і перетворюється на кристалічну масу.

Концентрована сірчана кислота містить приблизно 95% H2SO4. І застигає вона за температури нижче –20°С.

Взаємодія з водою

Сірчана кислота добре розчиняється у воді, змішуючись із нею у будь-яких співвідношеннях. При цьому виділяється велика кількість тепла.

Сірчана кислота здатна поглинати пари води із повітря. Це її властивість використовують у промисловості для осушення газів. Осушують гази, пропускаючи їх через спеціальні ємності із сірчаною кислотою. Звичайно ж, цей спосіб можна застосовувати лише для тих газів, які не вступають у реакцію із нею.

Відомо, що при попаданні сірчаної кислоти на органічні речовини, особливо вуглеводи, ці речовини обвугливаются. Справа в тому, що вуглеводи, як і вода, містять і водень, і кисень. Сірчана кислота забирає в них ці елементи. Залишається вугілля.

У водному розчині H2SO4 індикатори лакмус та метиловий помаранчевий забарвлюються у червоний колір, що говорить про те, що цей розчин має кислий смак.

Взаємодія з металами

Як і будь-яка інша кислота, сірчана кислота здатна замінювати атоми водню на атоми металу у своїй молекулі. Взаємодіє вона майже з усіма металами.

У розведеному вигляді сірчана кислотареагує із металами як звичайна кислота. В результаті реакції утворюється сіль із кислотним залишком SO4 та водень.

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

А концентрована сірчана кислотає дуже сильним окислювачем. Вона окислює всі метали, незалежно від їхнього становища серед напруг. І за реакції з металами вона сама відновлюється до SO2. Водень не виділяється.

Сu + 2 H2SO4 (кінець) = CuSO4 + SO2 + 2H2O

Zn + 2 H2SO4 (кінець) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O

А ось золото, залізо, алюміній, метали платинової групи у сірчаній кислоті не окислюються. Тому сірчану кислоту перевозять у сталевих цистернах.

Сірчанокислі солі, які утворюються внаслідок таких реакцій, називають сульфатами. Вони не мають кольору, легко кристалізуються. Деякі їх добре розчиняються у воді. Малорозчинними є лише CaSO4 та PbSO4. Майже не розчиняється у воді BaSO4.

Взаємодія з основами

Реакція взаємодії кислоти з основами називається реакцією нейтралізації. В результаті реакції нейтралізації сірчаної кислоти утворюється сіль, що містить кислотний залишок SO4 і вода H2O.

Приклади реакцій нейтралізації сірчаної кислоти:

H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O

H2SO4 + CaOH = CaSO4 + 2 H2O

Сірчана кислота входить у реакцію нейтралізації як із розчинними, і з нерозчинними основами.

Так як в молекулі сірчаної кислоти два атоми водню, і для її нейтралізації потрібно дві основи, вона відноситься до двоосновних кислот.

Взаємодія з основними оксидами

Зі шкільного курсу хімії нам відомо, що оксидами називають складні речовини, до складу яких входять два хімічні елементи, одним з яких є кисень у ступені окислення -2. Основними оксидами називають оксиди 1, 2 та деяких 3 валентних металів. Приклади основних оксидів: Li2O, Na2O, CuO, Ag2O, MgO, CaO, FeO, NiO.

З основними оксидами сірчана кислота входить у реакцію нейтралізації. В результаті такої реакції, як і реакції з основами, утворюються сіль і вода. Сіль містить кислотний залишок SO4.

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

Взаємодія із солями

Сірчана кислота взаємодіє з солями слабкіших або летких кислот, витісняючи їх ці кислоти. В результаті такої реакції утворюється сіль з кислотним залишком SO4 та кислота

H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl

Застосування сірчаної кислоти та її сполук

Барієва каша ВaSO4 здатна затримувати рентгенівське проміння. Заповнюючи нею порожнисті органи людського організму, рентгенологи досліджують їх.

У медицині та будівництві широко застосовують природний гіпс CaSO4*2H2O, кристалогідрат сульфату кальцію. Глауберова сіль Na2SO4*10H2O використовується в медицині та ветеринарії, в хімічній промисловості - для виробництва соди та скла. Мідний купорос CuSO4*5H2O відомий садівникам та агрономам, які використовують його для боротьби зі шкідниками та хворобами рослин.

Сірчана кислота широко використовується у різних галузях промисловості: хімічної, металообробної, нафтової, текстильної, шкіряної та інших.