Сірчана кислота - одна з найсильніших кислот, що є маслянистою рідиною. Хімічні властивості сірчаної кислоти дозволяють широко застосовувати їх у промисловості.

Загальний опис

Сірчана кислота (H 2 SO 4) має характерними властивостямикислот і є сильним окисником. Це найактивніша неорганічна кислотаіз температурою плавлення 10°C. Кислота закипає при 296°C із виділенням води та оксиду сірки SO 3 . Здатна поглинати пари води, тому її використовують для осушення газів.

Мал. 1. Сірчана кислота.

Сірчану кислоту одержують промисловим шляхом з діоксиду сірки (SO 2), який утворюється при горінні сірки або сірчаного колчедану. Два основні способи утворення кислоти:

• контактний (концентрація 94 %) - окислення діоксиду сірки до трикису сірки (SO 3) з наступним гідролізом:

  2SO 2 + O 2 → 2SO3; SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4;

• нітрозний (концентрація 75%) - окислення діоксидом азоту діоксиду сірки при взаємодії води:

  SO 2 + NO 2 + H 2 O → H 2 SO 4 + NO.

Розчин SO 3 у сірчаній кислоті називається олеумом. Його також використовують для одержання сірчаної кислоти.

Мал. 2. Процес одержання сірчаної кислоти.

Реакція з водою сприяє виділенню великої кількості тепла. Тому до води додають кислоту, а не навпаки. Вода легша за кислоту, вона залишається на поверхні. Якщо додати воду до кислоти, вода миттєво закипить, що призведе до розбризкування кислоти.

Властивості

Сірчана кислота утворює два види солей:

• кислі - гідросульфати (NaHSO 4, KHSO 4);
• середні - сульфати (BaSO 4, CaSO 4).

Хімічні властивості концентрованої сірчаної кислоти представлені у таблиці.

Реакція	Що утворюється	приклад
З металами	Оксид сірки; Сірководень	З активними: 2H 2 SO 4 + Mg → MgSO 4 + SO 2 + 2H 2 O З металами середньої активності: 4H2SO4+2Cr → Cr2(SO4)3+4H2O+S; З малоактивними: 2H 2 SO 4 + Cu → CuSO 4 + SO 2 + 2Н 2 О
З неметалами	Кислота; Оксид сірки	2P + 5H 2 SO 4 → 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O
З оксидами	Оксид сірки	Металів: H2SO4+CuO → CuSO4+H2O; Неметалів: H 2 SO 4 + CO → CO 2 + SO 2 + H 2 O
З основами		H 2 SO 4 + 2NaOH → Na 2 SO 4 + 2H 2 O
	Вуглекислий газ; Кислота	Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O Якісна реакція: H 2 SO 4 + BaCl 2 → BaSO 4 (білий осад) + 2HCl
Окислення складних речовин	Вільні галогени; Оксид сірки;	H 2 SO 4 + 2HBr → Br 2 + SO 2 + 2H 2 O; H 2 SO 4 + 2HI → I 2 + 2H 2 O + SO 2
Обвуглювання цукрів (целюлози, крохмалю, глюкози)	Оксид сірки; Вуглекислий газ;	C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 → 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2

Мал. 3. Реакція із цукром.

Розведена кислота не окислює малоактивні метали, що стоять в електрохімічному ряду після водню. При взаємодії з активними металами (літієм, калієм, натрієм, магнієм) виділяється водень та утворюється сіль. Концентрована кислотавиявляє окисні властивостіз важкими, лужними та лужноземельними металами при нагріванні. Відсутня реакція із золотом та платиною.

Сірчана кислота (розведена та концентрована) на холоді не взаємодіє із залізом, хромом, алюмінієм, титаном, нікелем. Завдяки пасивації металів (утворення оксидної захисної плівки) сірчану кислоту можна перевозити в металевих цистернах. Оксид заліза руйнується під час нагрівання.

Що ми дізналися?

З уроку 9 класу дізналися про властивості сірчаної кислоти. Це потужний окислювач, який вступає в реакції з металами, неметалами, органічними сполуками, солями, основами, оксидами. При взаємодії із водою виділяється тепло. Отримують сірчану кислоту з оксиду сірки. Концентрована кислота без нагрівання не взаємодіє з деякими металами, що дозволяє перевозити кислоту у металевій тарі.

Тест на тему

Оцінка доповіді

Середня оцінка: 4.1. Усього отримано оцінок: 150.

ВИЗНАЧЕННЯ

Безводна сірчана кислота являє собою важку, в'язку рідину, яка легко змішується з водою в будь-якій пропорції: взаємодія характеризується виключно великим екзотермічним ефектом (~880 кДж/моль при нескінченному розведенні) і може призвести до вибухового закипання та розбризкування суміші, якщо воду додавати до кислоти; тому так важливо завжди використовувати зворотний порядок приготування розчинів і додавати кислоту у воду, повільно і при перемішуванні.

Деякі фізичні властивості сірчаної кислоти наведені у таблиці.

Безводна H 2 SO 4 — чудове з'єднання з надзвичайно високою діелектричною проникністю і дуже високою електропровідністю, яка обумовлена ​​іонною автодисоціацією (автопротолізом) з'єднання, а також естафетним механізмом провідності з перенесенням протона, що забезпечує протікання електричного струмучерез в'язку рідину з більшим числомводневих зв'язків.

Таблиця 1. Фізичні властивостісірчаної кислоти.

Одержання сірчаної кислоти

Сірчана кислота - найважливіший промисловий хімікат і найдешевша з вироблених у великому обсязі кислот у будь-якій країні світу.

Концентровану сірчану кислоту («купоросне масло») спочатку отримували нагріванням «зеленого купоросу» FeSO 4 ×nH 2 O і витрачали у великій кількості на отримання Na 2 SO 4 і NaCl.

У сучасному процесіотримання сірчаної кислоти використовується каталізатор, що складається з оксиду ванадію(V) з добавкою сульфату калію на носії діоксиду кремнію або кизельгуру. Діоксид сірки SO 2 отримують спалюванням чистої сірки або при випалюванні сульфідної руди (насамперед піриту або руд Сі, Ni і Zn) в процесі вилучення цих металів. Потім SO 2 окислюють до триоксиду, а потім шляхом розчинення у воді отримують сірчану кислоту:

S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 - 297 кДж/моль);

SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 - 9,8 кДж/моль);

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 - 130 кДж/моль).

Хімічні властивості сірчаної кислоти

Сірчана кислота – сильна двоосновна кислота. По першому ступені в розчинах невисокої концентрації вона дисоціює практично націло:

H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 - .

Дисоціація по другому ступеню

HSO 4 - ↔H + + SO 4 2-

протікає меншою мірою. Константа дисоціації сірчаної кислоти по другому ступені, виражена через активність іонів, K 2 = 10 -2 .

Як двоосновна кислота, сірчана кислота утворює два ряди солей: середні і кислі. Середні солі сірчаної кислоти називаються сульфатами, а кислі – гідросульфатами.

Сірчана кислота жадібно поглинає пари води і тому часто застосовується для осушення газів. Здібністю поглинати воду пояснюється і обвуглювання багатьох органічних речовин, що особливо відносяться до класу вуглеводів (клітковина, цукор і т.д.), при дії на них концентрованої сірчаної кислоти. Сірчана кислота забирає від вуглеводів водень та кисень, які утворюють воду, а вуглець виділяється у вигляді вугілля.

Концентрована сірчана кислота, особливо гаряча, енергійний окислювач. Вона окислює HI і HBr (але не HCl) до вільних галогенів, вугілля - до CO 2 , сірку - до SO 2 . Зазначені реакції виражаються рівняннями:

8HI + H 2 SO 4 = 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;

2HBr + H 2 SO 4 = Br 2 + SO 2 + 2H 2 O;

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O.

Взаємодія сірчаної кислоти з металами протікає по-різному залежно від її концентрації. Розведена сірчана кислота окислює своїм іоном водню. Тому вона взаємодіє тільки з тими металами, які стоять у ряді напруги тільки до водню, наприклад:

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2.

Однак свинець не розчиняється в розведеній кислоті, оскільки сіль, що утворюється PbSO 4 нерозчинна.

Концентрована сірчана кислота є окислювачем з допомогою сірки (VI). Вона окислює метали, що стоять у ряді напруги до срібла включно. Продукти її відновлення можуть бути різними залежно від активності металу та умов (концентрація кислоти, температура). При взаємодії з малоактивними металами, наприклад міддю, кислота відновлюється до SO 2:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

При взаємодії з активнішими металами продуктами відновлення можуть бути як діоксид, так і вільна сірка і сірководень. Наприклад, при взаємодії з цинком можуть протікати реакції:

Zn+2H2SO4=ZnSO4+SO2+2H2O;

3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;

4Zn+5H2SO4=4ZnSO4+H2S+4H2O.

Застосування сірчаної кислоти

Застосування сірчаної кислоти змінюється від країни до країни та від десятиліття до десятиліття. Так, наприклад, у США нині головна сфера споживання H 2 SO 4 — виробництво добрив (70%), за ним йдуть хімічне виробництво, металургія, очищення нафти (~5% у кожній області). У Великобританії розподіл споживання по галузях інше: тільки 30% виробленої H 2 SO 4 використовується у виробництві добрив, зате 18% йде на фарби, пігменти та напівпродукти виробництва барвників, 16% на хімічне виробництво, 12% на отримання мила та миючих засобів, 10 % на виробництво натуральних та штучних волокон та 2,5% застосовується в металургії.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Визначте масу сірчаної кислоти, яку можна отримати з однієї тонни піриту, якщо вихід оксиду сірки (IV) реакції випалу становить 90%, а оксиду сірки (VI) реакції каталітичного окислення сірки (IV) - 95% від теоретичного.
Рішення	Запишемо рівняння реакції випалу піриту: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 . Розрахуємо кількість речовини піриту: n(FeS 2) = m(FeS 2) / M(FeS 2); M(FeS 2) = Ar(Fe) + 2×Ar(S) = 56 + 2×32 = 120г/моль; n(FeS 2) = 1000 кг/120 = 8,33 кмоль. Оскільки в рівнянні реакції коефіцієнт при діоксиді сірки вдвічі більший, ніж коефіцієнт при FeS 2 то теоретично можлива кількість речовини оксиду сірки (IV) дорівнює: n(SO 2) theor = 2×n(FeS 2) = 2×8,33 = 16,66 кмоль. А практично отримана кількість моль оксиду сірки (IV) складає: n(SO 2) pract = η × n(SO 2) theor = 0,9 × 16,66 = 15 кмоль. Запишемо рівняння реакції окислення оксиду сірки (IV) до оксиду сірки (VI): 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 . Теоретично можлива кількість речовини оксиду сірки (VI) дорівнює: n(SO 3) theor = n(SO 2) pract = 15 кмоль. А практично отримана кількість моль оксиду сірки (VI) становить: n(SO 3) pract = η × n(SO 3) theor = 0,5 × 15 = 14,25 кмоль. Запишемо рівняння реакції отримання сірчаної кислоти: SO3 + H2O = H2SO4. Знайдемо кількість речовини сірчаної кислоти: n(H 2 SO 4) = n(SO 3) pract = 14,25 кмоль. Вихід реакції становить 100%. Маса сірчаної кислоти дорівнює: m(H 2 SO 4) = n(H 2 SO 4) × M(H 2 SO 4); M(H 2 SO 4) = 2×Ar(H) + Ar(S) + 4×Ar(O) = 2×1 + 32 + 4×16 = 98 г/моль; m(H 2 SO 4) = 14,25×98 = 1397 кг.
Відповідь	Маса сірчаної кислоти дорівнює 1397 кг.

Вступ

Сірчана кислота – найважливіший продукт основою хімічної промисловості. Серед мінеральних кислот, що виробляються хімічною промисловістю, сірчана кислота за обсягом виробництва та споживання посідає перше місце. Пояснюється це двома причинами: її дешевизною порівняно з усіма іншими кислотами та її властивостями. Сірчану кислоту застосовують у різних галузях народного господарстваоскільки вона має комплекс особливих властивостей, що полегшують її технологічне використання. Сірчана кислота не димить, у концентрованому вигляді не кородує чорні метали, здатна утворювати численні стійкі солі та є дешевою сировиною для різних виробництв. Найбільшим споживачем сірчаної кислоти в даний час є промисловість фосфорних і азотних мінеральних добрив, таких як сульфат амонію, амофос, суперфосфат та ін. Застосування мінеральних добрив сприяє підвищенню врожайності сільськогосподарських культур та вмісту в них корисних речовин. Крім того, сірчана кислота застосовується для виробництва деяких кислот (фосфорної, соляної, оцтової), сульфатів, штучних волокон, лаків, фарб, пластмас, миючих засобів, вибухових речовин, лікарських препаратів, отрутохімікатів, а також при виробництві кольорових та рідкісних металів, спиртів , ефірів. Вона витрачається на очищення нафтопродуктів, як електроліт у кислотних акумуляторах, у машинобудуванні - на підготовку поверхні металів при нанесенні гальванічних покриттів. У металообробній промисловості сірчана кислота та її солі застосовують для травлення сталевих виробів. Перш, ніж знайти застосування речовини, спочатку докладно вивчають її фізичні та Хімічні властивості. Після цього стають зрозумілими межі використання речовини.

Технологічна частина

Сірчана кислота: фізико-хімічні властивості, застосування

Фізичні властивості

Сірчана кислота H2SO4 - сильна двоосновна кислота, що відповідає вищому ступеню окислення сірки (+6). За звичайних умов концентрована сірчана кислота - важка масляниста рідина без кольору та запаху. У техніці сірчаною кислотою називають її суміші як із водою, і з сірчаним ангідридом SO3. Якщо молярне відношення SO3: H2O 1 - розчин SO3 в сірчаній кислоті (олеум). Реактивна сірчана кислота зазвичай має щільність 1,84 г/см3 і містить близько

95% H2SO4. Твердить вона лише нижче -20 °С. Температура плавлення моногідрату дорівнює 10,37 ° С при теплоті плавлення 10,5 кДж/моль. У звичайних умовах він є дуже в'язкою рідиною з дуже високим значенням діелектричної проникності (e = 100 при 25 °С). Стандартна ентальпія освіти ДH=298 кДж/моль. Стандартна енергія Гіббсу освіти ДG=298 кДж/моль. Стандартна ентропія освіти S = ​​298 Дж/моль K. Стандартна мольна теплоємність Cp = 298 Дж/моль K.

Хімічні властивості

Сірчана кислота - сильна двоосновна кислота, дисоціація її протікає двома ступенями:

H2SO4 = H+ + HSO4- - перший ступінь

HSO4 =H+ + SO42- - другий ступінь

У концентрованих розчинах дисоціація сірчаної кислоти по другому ступені незначна.

Сірчана кислота - сильна дегідратуюча (водовіднімна) речовина. Вона поглинає вологу з повітря (гігроскопічна), забирає воду від кристалогідратів:

H2SO4 конц. +CuSO4*5H2O блакитний = CuSO4 білий + 5H2O;

вуглеводів:

(обвуглює дерево та папір):

H2SO4конц. + C12H22O = 12C + 11H2O;

H2SO4 конц. + C2H5OH = CH2 = CH2 + H2O

Сірчана кислота виявляє всі властивості сильних кислот:

а) взаємодіє з основними оксидами, наприклад:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

б) з основами, наприклад:

2NaOH + H2SO4 = Na2 SO4 + 2H2O

в) витісняє інші кислоти з їх солей, наприклад ті, які слабші від неї:

CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O

або більш леткі (що мають температури кипіння нижче, ніж у сірчаної кислоти):

NaNO3тв. + H2SO4 конц = NaH SO4 + HNO3- при нагріванні.

В окислювально-відновних реакціях розбавлена ​​сірчана кислота виявляє властивості звичайної кислоти (неокислювач) - при цьому відновлюються іони Н+, наприклад: Fe + H2SO4, розб = Fe SO4 + H2. Розбавлена ​​H2SO4 не взаємодіє з металами, що стоять у ряді напруг правіше водню. Концентрована сірчана кислота – кислота-окислювач, при цьому відновлюється сірка (+6). Вона окислює метали, що стоять у ряді напруг правіше водню: Cu + 2 H2SO4конц = Cu SO4 + SO2 + 2H2O і метали, що стоять лівіше водню, при цьому сірка відновлюється до ступеня окислення +4, 0 і -2:

Zn + 2 H2SO4 = Zn SO4 + SO2 + 2H2O (1.12) 3Zn + 4 H2SO4 = 3Zn SO4 + S + 4H2O

4Zn + 5 H2SO4 = 4Zn SO4 + H2S + 4H2O

Залізо, алюміній, концентрована хром сірчаною кислотою пасивуються (не реагують), проте при сильному нагріванні реакція починається, наприклад:

2Fe + 6 H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.

Концентрована сірчана кислота окислює неметали, наприклад:

C + 2 H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O (1.16) S +2 H2SO4 = 3SO2 + 2H2O

Концентрована сірчана кислота окислює також складні речовини, наприклад HI та HBr:

2HBr + H2SO4 = Br2 + SO2 + 2H2O

8HI + H2SO4 = 4I2 + H2S + 4H2O;

солі заліза:

2Fe SO4 + 2 H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 2H2O + SO2.

Сірчану кислоту випускають кількох сортів. Вони відрізняються концентрацією та кількістю домішок. Для виробництва медичних препаратів, особливо чистих реактивів для заливання акумуляторів потрібна чиста кислота. При травленні металів у виробництві суперфосфату можна скористатися кислотою, яка має деякі забруднення. Економічно це вигідно. Така кислота дешевша. Сірчанокислотна промисловість випускає так званий олеум, який використовується при виробництві деяких органічних препаратів, вибухових речовин. Олеум є розчином сірчаного ангідриду в сірчаній кислоті. Сорти олеуму розрізняються за концентрацією сірчаного ангідриду в сірчаній кислоті. Для деяких особливих цілей випускають олеум, що містить сірчаного ангідриду до 60%. Так, кислота сірчана технічна та олеум технічний (ГОСТ 2184-77) застосовуються у виробництві різних солей, кислот, всіляких органічних продуктів, барвників, вибухових речовин, мінеральних добрив, як водовіднімальний та осушуючий засіб, у процесах нейтралізації, травлення та багатьох інших. Ці продукти не горючі і належать до речовин 2-го класу токсичності.

Сірчана кислота знаходить широке застосування. Найбільший споживач сірчаної кислоти – виробництво мінеральних добрив. На 1 т Р2О5 фосфорних добрив витрачається 2,2-3,4 т сірчаної кислоти, але в 1 т (NH4)2SO4 - 0,75 т сірчаної кислоти. Тому сірчанокислотні заводи прагнуть будувати в комплексі із заводами з виробництва мінеральних добрив. Сірчана кислота також використовується для отримання соляної, азотної, фосфорної, плавикової та багатьох органічних кислот методом обміну, органічних сульфосполук, для очищення різних газів, входить до складу нітруючих сумішей, використовується у виробництві барвників, для заряджання акумуляторів, в металургії сірчану кислоту застосовують для виявлення мікротріщин у готовій продукції, на металообробних заводах сірчану кислоту використовують у цехах гальванопокриттів. Як відомо, перед нанесенням на металеві вироби електричним методом нікелю, хрому, міді їх потрібно ретельно очистити, протерти, знежирити і витримати нетривалий час у ванні з розчином сірчаної кислоти. При цьому вона розчиняє найтонший шар металу і з ним видаляються сліди забруднень. У той же час поверхня металу стає більш шорсткою: на ній з'являються мікроскопічні заглиблення та виступи. Електролітичні покриття до такої поверхні краще чіпляються і міцніше зчеплені з металом. Також сірчана кислота необхідна для переробки різних руд та копалин. Під час переробки руд рідкісних металів велике значеннямає кислотний спосіб їхнього розщеплення. Зазвичай для цієї мети використовують найдешевшу нелетючу сірчану кислоту. Подрібнену руду змішують у певній пропорції із сірчаною кислотою та нагрівають. Отриманий розчин та осад далі переробляють хімічним шляхом, Виходячи з хімічних властивостей того елемента, який потрібно виділити з розчину. На хімічну переробку руд рідкісних елементів витрачають тисячі тонн сірчаної кислоти. Велика кількістьсірчаної кислоти потрібно нафтопереробної промисловості для очищення нафти та її різних фракцій. У органічний синтезконцентрована сірчана кислота - необхідний компонент при отриманні багатьох барвників та лікарських речовин. Широко застосовуються солі сірчаної кислоти. Сульфат натрію (глауберова сіль Na2SO4 * 10Н2О) застосовується для виробництва соди і в скляній промисловості. Сульфат кальцію поширений у природі у вигляді двоводного кристалогідрату гіпсу (СаSO4*2Н2О) та безводної солі ангідриту (СаSO4). Ангідритові в'яжучі матеріали одержують шляхом випалу гіпсового каменю при підвищених температурах (600-700 оС) з різними добавками. При цьому отримують оздоблювальний гіпсовий цемент та кальцинований гіпс (екстрих-гіпс). Ці матеріали тверднуть значно повільніше, ніж напівводний гіпс, і застосовуються для виготовлення будівельних розчинів і бетонів малої міцності, а також штучного мармуру, безшовних настилів підлоги та ін. Сульфат заліза (II), або залізний купорос (FеSO4*7Н2О) застосовується для приготування жовтої кров'яної солі (К4), чорнила, для очищення води та консервування дерева. Сульфат міді або мідний купорос (СuSO4*5Н2О) застосовується для боротьби з різними грибками - шкідниками. сільського господарства, для виробництва мідних покриттів та отримання різних сполук міді. З розчинів, що містять сульфат тривалентного металу (Fе3+, Аl3+, Сг3+) і сульфат одновалентного металу (К+, NН4+, Rb+), викристалізовуються подвійні солі типу К2 SO4Al2(SO4)32*4H2O або КАl(SO4)3*1. Замість калію та алюмінію можуть стояти у будь-якому поєднанні. перелічені елементи. Ці сполуки називаються галуном. Галузі існують тільки в твердому вигляді. У розчині вони поводяться як дві самостійні солі, тобто як суміш сульфатів одно-і тривалентних металів. Розбавлені розчини сірчаної кислоти та її солей застосовують у текстильній, а також в інших галузях легкої промисловості. У харчовій промисловості сірчана кислота застосовується для отримання крохмалю, патоки та інших продуктів. В електротехніці вона використовується як електроліт в акумуляторах. Сірчану кислоту використовують для осушення газів та при концентрації кислот. Нарешті, сірчану кислоту застосовують як компонент реакційного середовища у процесах нітрування, зокрема, при отриманні вибухових речовин.

Способи одержання сірчаної кислоти

Ще XIII в. сірчану кислоту отримували у незначних кількостях термічним розкладаннямзалізного купоросу FeSO4, тому і зараз один із сортів сірчаної кислоти називається купоросною олією, хоча вже давно сірчана кислота не виробляється з купоросу.

В даний час сірчана кислота виробляється двома способами: нітрозним, існуючим більше 200 років, і контактним, освоєним у промисловості наприкінці XIXта на початку XX ст.

Залежно від того, як здійснюється процес окислення SO2 в SO3, розрізняють два основні методи одержання сірчаної кислоти. У контактному методі отримання сірчаної кислоти процес окиснення SO2 SO3 проводять на твердих каталізаторах. Триоксид сірки переводять у сірчану кислоту на останній стадії процесу - абсорбції триоксиду сірки, яку спрощено можна уявити рівнянням реакції: SO3 + H2O = H2SO4

При проведенні процесу за нітрозним (баштовим) методом як переносник кисню використовують оксиди азоту. Окислення діоксиду сірки здійснюється в рідкій фазі і кінцевим продуктом є сірчана кислота: SO2 + N2O3 + H2O = H2SO4 + 2NO

Нині у промисловості переважно застосовують контактний метод отримання сірчаної кислоти, що дозволяє використовувати апарати з більшою інтенсивністю.

Характеристика вихідної сировини

Сировинна база виробництва сірчаної кислоти - сірковмісні сполуки, з яких можна отримати діоксид сірки. У промисловості близько 80% сірчаної кислоти одержують із природної сірки та залізного (сірчаного) колчедану. Значне місце у сировинному балансі займають гази, що відходять кольорової металургії. Деякі виробництва використовують як сировину сірководень, що утворюється при очищенні сірки в нафтопереробці.

Вихідними реагентами для отримання сірчаної кислоти можуть бути елементна сірка та сірковмісні сполуки, з яких можна отримати або сірку, або діоксид сірки. Традиційно основними джерелами сировини є сірка та залізний (сірчаний) колчедан. Близько половини сірчаної кислоти одержують із сірки, третину – з колчедану. Значне місце в сировинному балансі займають гази кольорової кольорової металургії, що містять діоксид сірки. У той же час гази, що відходять - найдешевша сировина, низькі оптові ціни і на колчедан, найбільш дорогою сировиною є сірка. Отже, для того щоб виробництво сірчаної кислоти із сірки було економічно доцільно, повинна бути розроблена схема, в якій вартість її переробки буде істотно нижчою від вартості переробки колчедану або газів, що відходять.

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 із чотирма сусідніми міцними водневими зв'язками, утворюючи єдиний просторовий 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 речовинз концентрованою сірчаною кислотою наведено 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 .

З розведеними кислотами, які виявляють окисні властивості за рахунокіонів водню(Розбавлені сірчана, фосфорна, сірчиста, всі безкисневі та органічні кислоти та ін.)

реагують метали:
розташовані у ряді напруг до водню(ці метали здатні витісняти водень із кислоти);
утворюють із цими кислотами розчинні солі(на поверхні цих металів не утворюється захисна сольова
плівка).

В результаті реакції утворюються розчинні соліі виділяється водень:
2А1 + 6НСI = 2А1С1 3 + ДТ 2
М g + Н 2 SO 4 = М gS Про 4 + Н 2
розб.
З u + Н 2 SO 4 → X (оскільки З u стоїть після Н 2)
розб.
РЬ + Н 2 SO 4 → X (оскільки РЬ SO 4 нерозчинний у воді)
розб.
Деякі кислоти є окислювачами за рахунок елемента, що утворює кислотний залишок, До них відносяться сірчана концентрована, а також азотна кислота будь-якої концентрації. Такі кислоти називають кислотами-окислювачами.

Аніони даних кислот містять атоми сірки та азоту у вищих ступенях окислення

Окислювальні властивості кислотних залишківі значно сильніше, ніж нона водню Н, тому азотна і концентрована сірчана кислоти взаємодіють практично з усіма металами, розташованими в ряду напруг як водню, так і після нього, крім золотаі платини.Так як окислювачами у цих випадках є нони кислотних залишків (за рахунок атомів сірки та азоту у вищих ступенях окислення), а не нони водню Н, то при взаємодії азотної, а концентрованої сірчаної кислотз металами не виділяється водень.Метал під дією даних кислот окислюється до характерного (стійкого) ступеня окисленняі утворює сіль, а продукт відновлення кислоти залежить від активності металу та ступеня розведення кислоти

Взаємодія сірчаної кислоти з металами

Розведена та концентрована сірчані кислоти поводяться по-різному. Розведена сірчана кислота поводиться як звичайна кислота. Активні метали, що стоять у ряді напруг лівіше водню

Li, До, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au

витісняють водень із розведеної сірчаної кислоти. Ми бачимо бульбашки водню при додаванні розведеної сірчаної кислоти до пробірки з цинком.

H 2 SO 4 + Zn = Zn SO 4 + H 2

Мідь стоїть у низці напруг після водню – тому розбавлена ​​сірчана кислота діє на мідь. А в концентрованій сірчаній кислоті, цинку та міді, поводяться таким чином…

Цинк, як активний метал, можеутворювати з концентрованоюсірчаною кислотою сірчистий газ, елементарну сірку, і навіть сірководень.

2H 2 SO 4 + Zn = SO 2 +ZnSO 4 + 2H 2 O

Мідь – менш активний метал. При взаємодії із концентровано сірчаною кислотою відновлює її до сірчистого газу.

2H 2 SO 4 конц. + Cu = SO 2 + CuSO 4 + 2H 2 O

У пробірках з концентрованоюсірчаною кислотою виділяється сірчистий газ.

Слід пам'ятати, що у схемах зазначені продукти, вміст яких максимально серед можливих продуктів відновлення кислот.

На підставі наведених схем складемо рівняння конкретних реакцій - взаємодії міді та магнію з концентрованою сірчаною кислотою:
0 +6 +2 +4
З u + 2Н 2 SO 4 = З uSO 4 + SO 2 + 2Н 2 O
конц.
0 +6 +2 -2
4М g + 5Н 2 SO 4 = 4М gSO 4 + Н 2 S + 4Н 2 O
конц.

Деякі метали ( Fe. АI, Сr) не взаємодіють з концентрованою сірчаною та азотною кислотамипри звичайній температурі, оскільки відбувається пасиваціїметалу. Це пов'язане з утворенням на поверхні металу тонкої, але дуже щільної оксидної плівки, яка захищає метал. З цієї причини азотну та концентровану сірчану кислоти транспортують у залізних ємностях.

Якщо метал виявляє змінні ступені окислення, то з кислотами, що є окислювачами за рахунок іонів Н + , він утворює солі, в яких його ступінь окислення нижче стійкої, а з кислотами-окислювачами - солі, в яких його ступінь окислення більш стійка:
0 +2
F е+Н 2 SO 4 = F е SO 4 +Н 2
0 розб. + 3
F е+Н 2 SO 4 = F е 2 (SO 4 ) 3 + 3 SO 2 + 6Н 2 O
кінець

І.І.Новошинський
Н.С.Новошинська