Серная кислота как растворитель
Серная кислота
Обладает выраженным дегидратационным (водоотнимающим) действием. При попадании на кожу или слизистые оболочки приводит к тяжелым ожогам.
Получение
Известны несколько способов получения серной кислоты. Применяется промышленный (контактный) способ, основанный на сжигании пирита, окислении образовавшегося SO2 до SO3 и последующим взаимодействием с водой.
Нитрозный способ получения основан на взаимодействии сернистого газа с диоксидом азота IV в присутствии воды. Он состоит из нескольких этапов:
В окислительной башне смешивают оксиды азота (II) и (IV) с воздухом:
Смесь газов подается в башни, орошаемые 75-ной% серной кислотой, здесь смесь оксидов азота поглощается с образованием нитрозилсерной кислоты:
В ходе гидролиза нитрозилсерной кислоты получают азотистую кислоту и серную:
В упрощенном виде нитрозный способ можно записать так:
Химические свойства
В водном растворе диссоциирует ступенчато.
С солями реакция идет, если в результате выпадает осадок, образуется газ или слабый электролит (вода). Серная кислота, как и многие другие кислоты, способна растворять осадки.
Подчеркну, что реакции разбавленной серной кислоты с железом и хромом не сопровождаются переходом этих элементов в максимальную степень окисления. Они окисляются до +2.
Cu + H2SO4(разб.) ⇸ (реакция не идет, медь не может вытеснить водород из кислоты)
Холодная концентрированная серная кислота пассивирует Al, Cr, Fe, Ni, Be, Co. При нагревании или амальгамировании данных металлов реакция идет.
Обратите особое внимание, что при реакции железа, хрома с концентрированной серной кислотой достигается степень окисления +3. В подобных реакциях с разбавленной серной кислотой (написаны выше) достигается степень окисления +2.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Серная кислота
Серная кислота
Строение молекулы и физические свойства
Серная кислота H2SO4 – это сильная кислота, двухосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость, хорошо растворимая в воде.
Растворение серной кислоты в воде сопровождается выделением значительного количества кислоты. Поэтому по правилам безопасности в лаборатории при смешивании серной кислоты и воды мы добавляем серную кислоту в воду небольшими порциями при постоянном перемешивании.
Валентность серы в серной кислоте равна VI.
Способы получения
1. Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита FeS2.
Основные стадии получения серной кислоты :
Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):
| Аппарат | Назначение и уравнения реакций |
| Печь для обжига | 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащенный кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800 о С |
| Циклон | Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз. |
| Электрофильтр | Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра). |
| Сушильная башня | Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота. |
| Теплообменник | Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. |
| Контактный аппарат | 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3): Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню. |
| Поглотительная башня | Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне. Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3. Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю. |
Общие научные принципы химического производства:
Химические свойства
1. Серная кислота практически полностью диссоциирует в разбавленном в растворе по первой ступени:
По второй ступени серная кислота диссоциирует частично, ведет себя, как кислота средней силы:
HSO4 – ⇄ H + + SO4 2–
2. Серная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и амфотерными гидроксидами.
Еще пример : при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом калия образуются сульфаты или гидросульфаты:
Серная кислота взаимодействует с амфотерным гидроксидом алюминия:
3. Серная кислота вытесняет более слабые из солей в растворе (карбонаты, сульфиды и др.). Также серная кислота вытесняет летучие кислоты из их солей (кроме солей HBr и HI).
Или с силикатом натрия:
Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:
4. Т акже серная кислота вступает в обменные реакции с солями.
5. Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.
Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:
Железо Fe, алюминий Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании реакция возможна.
При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:
При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:
При взаимодействии с щелочными металлами и цинком концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:
6. Качественная реакция на сульфат-ионы – взаимодействие с растворимыми солями бария. При этом образуется белый кристаллический осадок сульфата бария:
Видеоопыт взаимодействия хлорида бария и сульфата натрия в растворе (качественная реакция на сульфат-ион) можно посмотреть здесь.
7. Окислительные свойства концентрированной серной кислоты проявляются и при взаимодействии с неметаллами.
Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:
Серная кислота – полное руководство
Определение
Серная кислота (серная кислота) является едкой минеральной кислотой с маслянистым, стекловидным внешним видом, что дало ей более раннее название масла купороса. Другие названия – сульфиновая кислота, аккумуляторная кислота и сероводород. Формула серной кислоты H2SO4 указывает на присутствие атома серы, окруженного двумя гидроксидными соединениями и двумя атомами кислорода. Эта мощная кислота используется в различных отраслях промышленности, прежде всего в производстве удобрений и химических веществ.
Короче говоря, Производство серной кислоты делится на пять этапов – извлечение серы из земли или в качестве побочного продукта других производственных процессов, превращение серы в диоксид серы, дальнейшее превращение диоксида серы в триоксид серы и окончательное добавление воды для превращения триоксида серы в дымящую серную кислоту и добавление концентрированной серной кислоты для получения еще большего количества молекул.
Серная кислота в производстве удобрений
Производство удобрений использует серную кислоту для добавления серы в почву. Большая часть сельскохозяйственных земель требует источника серы для замены того, что использовалось зерновыми культурами или выщелачивалось в дождливые периоды. Недостаток серы приводит к лист пожелтение, лист и ткань некроз и задержка развития. Пока растения не могут использовать элементарную серу, почвы бактерии окисляют это, чтобы сформировать сульфат. Сульфат является наиболее важным источником питания для всех растение Жизнь и растения могут легко поглотить его через свои корни.
Во время переработки ископаемого топлива сера извлекается в качестве побочного продукта из угля, сырой нефти и природного газа, которые содержат его в небольших или больших количествах. Во время переработки ископаемого топлива эта сера удаляется и чаще всего отправляется в виде серной кислоты на заводы по производству удобрений. Сера не только добавляется в почву, но и необходима для производства суперфосфата извести, где фосфат породы смешивается с серной и фосфорной кислотой. Суперфосфат извести позволяет растениям поглощать фосфаты. Другим важным удобрением является сульфат аммония, получаемый в результате реакции между аммонием и серной кислотой. Серная кислота, производимая для производства удобрений, имеет техническую чистоту или загрязнена и слабо окрашена с концентрацией от 78 до 93%.
Серная кислота в химическом производстве
Использование серной кислоты в химическом производстве включает производство капролактама для нейлоновых волокон и диоксида титана, который представляет собой ярко-белый пигмент. Кроме того, серная кислота необходима для производства плавиковой кислоты, которая заменила хлорфторуглероды (ХФУ) для использования в холодильниках или системах кондиционирования воздуха.
Сульфатные соли, такие как сульфат кальция (гипс и гипс) и гидросульфат, являются производными этой конкретной кислоты. Хотя сульфиты металлов, как правило, нелегко растворяются в воде, другие сульфатные соли, наоборот, образуют серную кислоту один из самых доступных и лучших растворителей для использования в широком спектре отраслей промышленности, Минеральные добавки в секторе здравоохранения и лауретсульфат натрия в шампуне и туалетных принадлежностях являются другими примерами сульфатных солей. Именно эти частицы способствуют кислотному дождю, но в то же время они могут играть незначительную защитную роль в качестве частиц в воздухе по отношению к диффузия солнечной радиации.
Серная кислота также используется для производства взрывчатых веществ. Добавление азотной и серной кислот в целлюлозу делает легковоспламеняющейся нитроцеллюлозой. По этой причине покупка серной кислоты в больших количествах требует лицензии. Коммерческая серная кислота продается с минимальной концентрацией 95%.
Серная кислота в лаборатории
В лаборатории серная кислота используется в качестве осушающего агента и в количественном анализе, где концентрация решение рассчитывается с использованием метода, известного как титрование. Всякий раз, когда к кислоте добавляют воду (остерегайтесь реакции с серной кислотой и всегда добавляйте кислоту в воду, а не наоборот), положительно заряженные ионы водорода высвобождаются из кислоты путем донорства протонов. Основания или щелочи, такие как гидроксид натрия, производят отрицательно заряженные гидроксид-ионы в присутствии воды из-за принятия протонов. В зависимости от количества кислоты или щелочи в растворе, можно рассчитать его концентрацию, сложив противоположные и выяснив, когда отрицательные и положительные заряды нейтрализуют друг друга и объединяются, образуя воду молекула, Например, когда серная кислота и гидроксид натрия (NaOH) смешиваются, они реагируют и образуют молекулы воды. Однако такой металл, как натрий, в присутствии серы и воды будет дополнительно производить сульфат натрия (Na2SO4) и воду.
Примером использования титрования может быть определение концентрации раствора серной кислоты. Титрование кислоты требует известной концентрации щелочного реагента (титранта) – в данном случае гидроксида натрия. Добавляя небольшие известные количества основания к кислоте и проверяя реакцию нейтрализации с помощью индикатора pH, можно определить, сколько молей NaOH требуется для реакции с H2SO4, и таким образом рассчитать концентрацию в молях на литр.
Серная кислота в автомобильной промышленности
Серная кислота является электролитом; электролит – это раствор, в котором присутствуют ионы. Свинцово-кислотные аккумуляторы в автомобилях состоят из наборов положительно заряженных пластин из оксида свинца, погруженных в электролит, и отрицательно заряженных пластин из чистого свинца, погруженных аналогичным образом. Этот электролит представляет собой разбавленную серную кислоту (примерно 33%). Вот почему серная кислота часто упоминается как аккумуляторная кислота,
Автомобильные аккумуляторы накапливают химическую энергию и преобразуют ее в электрическую энергию посредством реакций водорода, кислорода, свинца и серы друг с другом. Присутствие дистиллированной (чистой) воды в серной кислоте производит водород и сульфат. Отпущенные отрицательные электроны перемещаются от отрицательной к положительной пластине, в то время как сульфат-ионы замещают эту потерю в отрицательно заряженной пластине (электроде), впоследствии реагируя со свинцом с образованием сульфата свинца. Серная кислота идеально подходит для этой реакции, поскольку она является дипротоновой кислотой, способной высвобождать два своих протона одновременно.
Эта реакция также происходит в положительной пластине, где связи оксида свинца разрываются, и атомы кислорода растворяются в растворе серной кислоты, оставляя атомы свинца в пластине для связи с сульфатом. Присутствие кислорода и водорода в растворе приводит к образованию воды, понижающей концентрацию серной кислоты. Когда эта концентрация слишком низкая, батарею необходимо заменить или перезарядить.
Перезарядка является противоположностью вышеописанного процесса, возвращая аккумулятор в исходное состояние положительной пластины сульфата свинца, отрицательной пластины чистого свинца и исходной концентрации сернокислого электролита; Однако, ионы медленно теряются со временем Именно поэтому срок службы батареи, даже когда она перезаряжаемая, ограничен.
Что касается энергетики, серная кислота также является компонентом литий-серно-хлоридных (Li-SO2Cl2) и литий-серно-диоксидных батарей (Li-SO2). Литий-серные батареи в настоящее время вызывают большой интерес, поскольку теоретически они могут хранить значительно больше энергии, чем литий-ионные альтернативы; Тем не менее, много исследований еще предстоит сделать.
Серная кислота в пищевой промышленности
Серная кислота часто используется в пищевой промышленности для обезвоживания некоторых пищевых продуктов, таких как фрукты, или для остановки роста бактерий и других вредных микробов, которые ускоряют процесс распада. Используется в форме спрея для сохранения мяса или птицы. Серная кислота также является пищевой добавкой общего назначения, используемой в алкогольных напитках и сыре.
Для сушки фруктов высоко ценится способность серной кислоты удалять воду. В присутствии воды серная кислота вступает в реакцию с образованием H3O + (гидроний) и HSO4– (сероводород). Последующая реакция объединяет сероводород с водой для получения большего количества H3O + и SO42- или сульфата. В виде реакция гидратации серной кислоты не требует энергии – это термодинамически выгодно – и так как в нем много атомов водорода (протонов), которые она с радостью жертвует, серная кислота быстро снижает pH любой ткани, с которой она вступает в контакт. Однако, в процессах сушки фруктов концентрированная серная кислота не находится в прямом контакте с фруктами но вместо этого используется для сушки воздуха вокруг него, удаляя влагу и тем самым помогая и ускоряя процесс обезвоживания.
Серная кислота в организме человека
В организме человека только аминокислоты цистеин (необязательно) и метионин (обязательно) содержат серу. Это означает, что многие белки, содержащие их, способны производить небольшое количество серной кислоты при метаболизме. Когда эта нелетучая (метаболическая) серная кислота не расщепляется и не используется, она выводится через почки.
Сера является одним из самых распространенных минералов в организме человека. и легко доступны в пищевых источниках от чеснока до мяса. Большинство волос и кожа Лечение, диетические добавки и совместное лечение фармацевтическими препаратами содержат большое количество этого элемента.
H2SO4 + 2NaHCO3 → Na2SO4 + 2H2O + CO2
Производство CO2 позволяет организму быстро регулировать pH посредством вентиляции легких, в то время как почки регулируют ионы водорода и бикарбоната посредством экскреция и реабсорбция в более неторопливом темпе.
Кислотные ожоги являются результатом обезвоживания тканей, Коррозионные характеристики сильного раствора серной кислоты обусловлены его способностью отдавать ионы водорода, вызывая мощную реакцию окисления. Кожа содержит большое количество воды, и взаимодействие H2SO4 с H20 приводит к образованию положительно заряженных ионов гидрония (H3O +) и отрицательно заряженного сероводорода (HSO4–), что соответствует реакции, описанной в разделе, описывающем дегидратацию плодов. Когда эта реакция происходит, она также генерирует тепло, которое увеличивает любой ущерб.
Приток серной кислоты в кожу связан с немедленной диссоциацией ее ионов водорода; рН пораженной ткани быстро падает. В этой сильно кислой среде окружающие клетки погибают, что приводит к некрозу коагуляции, образованию капилляров и образованию тромба и тромбов в капиллярах и более крупных размерах. кровь сосуды при ожогах второй и третьей степени.
Добавление воды к концентрированному сжиганию серной кислоты или даже раствора, превышающего 20%, не только добавляет дополнительный ингредиент, с которым может реагировать серная кислота, но и последующая реакция генерирует еще больше тепла и, таким образом, больше ущерба. Полоскание под проточной водой должно производиться только сразу после контакта смыть кислоту с кожи но это не лечение или терапия. Прежде чем проводить какое-либо лечение, кислоту необходимо нейтрализовать. Вот почему иногда рекомендуется мыть немедленно с мылом, поскольку большинство мыл являются щелочными. При сжигании серной кислоты время имеет большое значение. Старая информация об упаковке, изображенная ниже, говорит вам, чтобы вы использовали много мыла, а затем покрыли магнезией или пищевой содой. Все эти вещества являются щелочными. Для приема серной кислоты в этих инструкциях рекомендуется пить мел, мыло или даже настенную штукатурку, еще раз щелочи, которые будут принимать диссоциированные протоны. В обоих случаях несчастному человеку рекомендуется обратиться за медицинской помощью.
Структура серной кислоты
Структура серной кислоты состоит из одного атома серы, связанного с двумя атомами кислорода посредством двойных связей, и двух гидроксильные группы (ОН) присоединяется через одинарные связи. Это хорошо видно на изображении ниже.
Факты о серной кислоте
Вот некоторые факты о серной кислоте, которые дадут вам дополнительное представление об этой едкой, опасной, но важной кислоте.
Молярная масса серной кислоты составляет 98,08 г / моль. Это рассчитывается в соответствии с атомными массами его атомов: два атома водорода (2 х 1,008 г / моль), один атом серы (1 х 32,065 г / моль) и четыре атома кислорода (4 х 16 г / моль). Для общего веса одной молекулы серной кислоты расчет такой же, но результаты приведены в аму или единицах атомной массы. Именно когда вы хотите знать молекулярную массу более чем одного моля, результат молекулярной массы отличается от молярной массы. Например, когда у вас есть 2 грамма диоксида серы (SO2 с молярной массой 64,065 г / моль) и вы хотите знать, сколько это молей. Чтобы рассчитать этот результат, сначала нужно разделить 1 (моль) с молярной массой вещества. Затем вы умножаете результат на 2 (граммы), как показано в приведенном ниже уравнении.
Плотность серной кислоты зависит от ее силы (концентрации) и температуры. Например, 13% раствор H2SO4 при комнатной температуре имеет плотность 9,09 г / см3. 96% раствор при той же температуре имеет плотность 15,37 г / см3. Температура кипения серной кислоты составляет 639 ° F, 337 ° C или 610 К; температура замерзания составляет 37 ° F, а температура плавления – 50 ° F.
Серная кислота и автопротолиз
Чистая H2SO4 или безводная H2SO4 является очень полярной жидкостью, что означает, что она содержит молекулы, в которых полярные связи – связи между двумя атомами, которые распределены неравномерно – имеют очень слегка отрицательный и положительный заряд на противоположных концах. Эти заряженные концы могут притягивать или отталкивать противоположно заряженные почти соприкасающиеся молекулы посредством очень слабых диполь-дипольные силы, Серная кислота полностью ионизируется в присутствии воды на ионы гидрония (H30 +) и ионы сероводорода (HSO4–). Однако, без воды серная кислота ионизирует сама с собойгде две молекулы серной кислоты автопротолизуются с образованием одного протонированного иона серной кислоты H3SO4 + и одного иона сероводорода (HSO4–), как видно из уравнения ниже:
2 H2SO4 ⇌ H3SO4 + + HSO4-
Этот высокий уровень ионизации делает серную кислоту превосходной растворитель для широкого спектра реакций и хорошо превосходит свойства растворителя воды.
Серная кислота в нашей среде
Серная кислота является составной частью кислотный дождь и образуется в результате атмосферного окисления газообразного диоксида серы в присутствии влаги. Поскольку диоксид серы образуется, когда ископаемое топливо сжигается либо на производственных предприятиях, для производства электроэнергии и отопления, либо на транспортных средствах, кислотные дожди – это прежде всего антропогенное явление. Сухое осаждение в форме кислых частиц означает, что кислоты могут оседать, а затем вымываться дождевыми осадками, принося кислую воду в пресноводные и морские экосистемы, а также в наземную среду. Это может нанести вред жизни растений и животных.
Результирующие потоки кислой воды, вызванные кислотными дождями, могут привести к дренажу кислых пород (ARD). ARD на самом деле является результатом образования разбавленной серной кислоты в результате минеральных реакций в породе, которые несут значительный ущерб окружающей среде. Регулирующие органы пытаются ограничить воздействие ОРЗ, не допуская попадания воды в промышленные отходы серы, добавляя щелочи в сточные воды и следя за тем, чтобы сточные воды очищались до того, как они попадут в природные источники воды. Кислая вода растворяет различные металлы, присутствующие в сульфидных рудах, и производит яркие, но очень токсичные потоки.