Серная кислота

ЧТО ТАКОЕ СЕРНАЯ КИСЛОТА

Это бесцветная маслянистая жидкость H₂SO₄ (Безводная), застывающая в кристаллическую, массу при + 10,5 °C которая жадно поглощает из воздуха влагу . Она называется моногидратом , так как в ней на 1 моль SO₃ приходиться 1 моль H₂O . В моногидрате хорошо растворяется серный ангидрит , образуя олеум — дымящую серную кислоту , из которой выделяется серный ангидрит.

В водных растворах серная кислота является сильной двухосновной . Добавление её к воде связано с выделением значительных количеств теплоты . Поэтому для приготовлении разбавленных растворов H₂SO₄ из концентрированных , нужно не воду приливать к концентрированной серной кислоте , а более тяжёлую кислоту тонкой струей приливать к воде.

Серная кислота является одним из важнейших продуктов химической промышленности . Её в огромных количествах используют для производства минеральных удобрений ( суперфосфат , сульфат аммония ) , используют для получения других кислот из их солей , для производства взрывчатых веществ , в больших количествах ее употребляют в нефтяной промышленности, для очистки нефтепродуктов . Концентрированная серная кислота является катализатором в производстве синтетических волокон , пластмасс и так далее.

Этапы получения

Современное промышленное производство серной кислоты состоит из следующих основных процессов :

1. Получение сернистого ангидрида.
2. Окисление сернистого ангидрида в серный.
3. Поглощение серного ангидрида серной кислотой.

Сернистый ангидрид выделяют из отходящих газов обжига природных сульфидов ( например 2PbS + 3O₂ =2PbO +2SO₂ ) , а также получают в специальных печах при обжиге пирита :

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

На некоторых сернокислотных заводах сернистый ангидрид получают непосредственно сжиганием серы ( S + O₂ = SO₂ ).

Превращение SO₂ в SO₃ осуществляют двумя методами : нитрозным и контактным . Последний имеет ряд преимуществ перед нитрозным методом.

Нитрозный метод производства серной кислоты

Сернистый газ , предварительно освобождают от пыли в электрофильтре , подают в башни , где он встречается со стекающей с верху нитрозой – раствором окислов азота в концентрированной серной кислоте . Она представляет сложную равновесную систему

NO + NO₂ + 2H₂SO₄ → N₂O₃ + 2H₂SO₄ → 2SO₂(OH)(ONO)+H₂O

в которой находятся как окислы азота , химически связанные в нитрозилсерную кислоту

так и растворенные в серной кислоте. При соприкосновении нитрозы с горячим сернистым газом и водой происходят следующие реакции :

2SO₂(OH)(ONO) + H₂O = 2H₂SO₄ + NO + NO₂

NO₂ + SO₂ + H2O = H₂SO₄ + NO

Таким образом NO в этом процессе является катализатором . Серная кислота , получаемая нитрозным способом , имеет умеренную концентрацию ( 70 – 78 %).

Контактный метод получения серной кислоты

Сернистый ангидрид , предварительно очищенный от примесей , окисляют при 400 — 600 °C в присутствии катализаторов ( Pt , V₂O₅ и другие ) кислородом воздуха в контактных аппаратах где происходит основная реакция :

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

Серный ангидрид поступает далее в абсорбент , орошаемый концентрированной 95 — 98  серной кислотой и образует олеум :

SO₃ + H₂SO₄ = H₂S₂O₇

Таким образом , контактный метод производства позволяет получать серную кислоту высокой концентрации.

Концентрированная серная кислота поглощает влагу и поэтому её применяют для осушки газов. Она отнимает воду от многих органических веществ , в результате чего они обугливаются .
Например всем известный опыт сахара с концентрированной серной кислотой :

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂SO₄ = 12C + H₂SO₄ · 11H₂O

Концентрированная кислота причиняет сильные ожоги , в случае поражения кожи кислотой немедленно промыть большим количеством воды.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем , особенно при нагревании :

H₂SO₄ + 8HI = 4I₂ + H₂S + 4H₂O

H₂SO₄ + 2HBr = Br₂ + SO₂ + 2H₂O

Уголь окисляется серной кислотой при нагревании до CO₂ , а сера до SO₂ :

C + 2H₂SO₄ = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

S + 2H₂SO₄ = 3SO₂ + 2H₂O

В концентрированном состоянии серная кислота при нагревании окисляет многие металлы , в том числе и такие , которые в ряду напряжений расположены правее водорода ( медь , серебро , ртуть ) :

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

2Ag + 2H₂SO₄ = Ag₂SO₄ + SO₂ + 2H₂O

2Hg + 2H₂SO₄ = Hg₂SO₄ + SO₂ + 2H₂O

Металлы стоящие в ряду напряжений правее водорода , не растворяются в разбавленной серной кислоте .
Примечание железо находится левее водорода и практически не растворяется в кислоте ( хотя растворяется в разбавленной кислоте ) , это обуславливается тем , что железо покрывается плотной плёнкой оксидов железа , не взаимодействующей с кислотой и предохраняющей железо от дальнейшего разрушения . Что широко используется при перевозке концентрированной серной кислоты в стальных цистернах.

В окислительно — восстановительных реакциях с металлами степень восстановления концентрированной серной кислоты зависит от активности металла — восстановителя . Например , пи нагревании концентрированной H₂SO₄ с цинком Zn вначале выделяется SO₂ , а затем появляется элементарная сера и сероводород :

4Zn + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + 4H₂O + H₂S

Разбавленная серная кислота окислительных свойств за счет S не проявляются . Все металлы стоящие в ряду напряжений до водорода , вытесняют его из разбавленной серной кислоты , если только образующаяся соль растворяется в ней :

Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

Соли серной кислоты

Серная кислота образует кислые ( гидросульфаты ) и средние соли ( сульфаты ) . Чаще всего используют средние соли . Подавляющее большинство сульфатов растворимо в воде.

Многие соли серной кислоты содержат кристаллизационную воду и являются кристаллогидратами . Их часто называют купоросами , например

1. CuSO₄ · 5H₂O — медный купорос ,
2. FeSO₄ · 7H₂O — железный купорос ,
3. ZnSO₄ · 7H₂O — цинковый купорос .

При нагревании они легко выделяют кристаллизационную воду :

                     t
CuSO₄ · 5H₂O →  CuSO₄ + 5H₂O
голубой                      белый

По отношению к нагреванию безводные сульфаты можно разделить на соли щелочных и щелочноземельных металлов , которые не разлагаются даже при сильном нагревании ( 1000 °C и более ) и сульфиты тяжёлых металлов , разлагающихся при t <1000 °C . Разложение безводных сульфидов приводит к образованию соответствующих оксидов.

Для серной кислоты характерно образование двойных солей , называемых квасцами , например алюмокалиевые KAl( SO₄ )₂ · 12H₂O , хромокалиевые KCr( SO₄ )₂ · 12H₂O , железокалиевые KFe( SO₄ )₂ · 12H₂O.

Применение солей серной кислоты

Из его солей большое значение имеют :

Сульфат кальция CaSO₄ , в природе встречается в виде ангидрита CaSO₄ и гипса CaSO₄ · 2H₂O , при нагревании последнего до 150 — 170 °C происходит частичная дегидратация
t
CaSO₄ · 2H₂O →  CaSO₄ · H₂O + H₂O

с образованием жженого гипса или алебастра , последний будучи замешан с водой в жидкое тесто , быстро затвердевает , образуя камне видную массу

CaSO₄ · H₂O + H₂O = CaSO₄ · 2H₂O

На этом свойстве основано использование алебастра для изготовления отливочных форм и слепков различных предметов , а также вяжущего материала для штукатурных работ . В медицине алебастр используют для накладывания повязок .

Медный купорос CuSO₄ · 5H₂O применяют для приготовления некоторых минеральных красок , а водный раствор соли используют опрыскивания растений и протравливания зерна .

Железный купорос FeSO₄ · 7H₂O применяют для пропитки дерева , приготовления чернил , борьбы с вредителями сельского хозяйства .

Квасцы KCr( SO₄ )₂  · 12H₂O , KAl( SO₄ )₂ · 12H₂O и другие применяют при дублении кожи и в производстве красок .

Статья на тему Серная кислота