Серная кислота как разлагается
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.
Серная кислота — химические свойства и промышленное производство
Физические свойства серной кислоты:
Тяжелая маслянистая жидкость («купоросное масло»);
плотность 1,84 г/см3; нелетучая, хорошо растворима в воде – с сильным нагревом; t°пл. = 10,3°C, t°кип. = 296°С, очень гигроскопична, обладает водоотнимающими свойствами (обугливание бумаги, дерева, сахара).
Теплота гидратации настолько велика, что смесь может вскипать, разбрызгиваться и вызывать ожоги. Поэтому необходимо добавлять кислоту к воде, а не наоборот, поскольку при добавлении воды к кислоте более легкая вода окажется на поверхности кислоты, где и сосредоточится вся выделяющаяся теплота.
Промышленное производство серной кислоты (контактный способ):
1) 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2
Измельчённый очищенный влажный пирит (серный колчедан) сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое«. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом.
Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, пары воды (пирит был влажный) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Газ очищают от примесей твёрдых частиц (в циклоне и электрофильтре) и паров воды (в сушильной башне).
В контактном аппарате происходит окисление сернистого газа с использованием катализатора V 2 O 5 ( пятиокись ванадия) для увеличения скорости реакции. Процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому подбирают оптимальные условия протекания прямой реакции — повышенное давление (т.к прямая реакция идет с уменьшением общего объема) и температура не выше 500 С ( т.к реакция экзотермическая).
В поглотительной башне происходит поглощение оксида серы (VI) концентрированной серной кислотой.
Поглощение водой не используют, т.к оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, поэтому образующаяся серная кислота закипает и превращается в пар. Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3
Химические свойства серной кислоты:
H2SO4 — сильная двухосновная кислота, одна из самых сильных минеральных кислот, из-за высокой полярности связь Н – О легко разрывается.
2) Взаимодействие серной кислоты с металлами:
Разбавленная серная кислота растворяет только металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода:
Zn 0 + H2 +1 SO4(разб) → Zn +2 SO4 + H2
3) Взаимодействие серной кислоты с основными оксидами:
CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O
5) Обменные реакции с солями:
BaCl2 + H2SO4 → BaSO4↓ + 2HCl
Образование белого осадка BaSO4 (нерастворимого в кислотах) используется для обнаружения серной кислоты и растворимых сульфатов (качественная реакция на сульфат ион).
Особые свойства концентрированной H2SO4 :
Активный металл
8 Al + 15 H2SO4(конц.)→4Al2(SO4)3 + 12H2O + 3 H2S
4│2Al 0 – 6e — → 2Al 3+ — окисление
3│ S 6+ + 8e → S 2– восстановление
Металл средней активности
2Cr + 4 H2SO4(конц.)→ Cr2(SO4)3 + 4 H2O + S
1│ 2Cr 0 – 6e →2Cr 3+ — окисление
1│ S 6+ + 6e → S 0 – восстановление
Металл малоактивный
2Bi + 6H2SO4(конц.)→ Bi2(SO4)3 + 6H2O + 3 SO2
1│ 2Bi 0 – 6e → 2Bi 3+ – окисление
3│ S 6+ + 2e →S 4+ — восстановление
2) Концентрированная серная кислота окисляет некоторые неметаллы как правило до максимальной степени окисления, сама восстанавливается до S +4 O2:
3) Окисление сложных веществ:
Серная кислота окисляет HI и НВг до свободных галогенов:
2 КВr + 2Н2SO4 = К2SО4 + SO2 + Вr2 + 2Н2О
2 КI + 2Н2SО4 = К2SO4 + SO2 + I2 + 2Н2О
Концентрированная серная кислота не может окислить хлорид-ионы до свободного хлора, что дает возможность получать НСl по реакции обмена:
NаСl + Н2SO4(конц.) = NаНSO4 + НСl
Серная кислота отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной серной кислоты приводит к получению этилена:
С2Н5ОН = С2Н4 + Н2О.
Обугливание сахара, целлюлозы, крахмала и др. углеводов при контакте с серной кислотой объясняется также их обезвоживанием:
C6H12O6 + 12H2SO4 = 18H2O + 12SO2↑ + 6CO2↑.