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 :
- Сжигание или обжиг серосодержащего сырья в кислороде с получением сернистого газа.
- Очистка полученного газа от примесей.
- Окисление сернистого газа в серный ангидрид.
- Взаимодействие серного ангидрида с водой.
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:
- Непрерывность.
- Противоток
- Катализ
- Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ.
- Теплообмен
- Рациональное использование сырья
Химические свойства
Серная кислота – это сильная двухосновная кислота .
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.
Например , серная кислота взаимодействует с оксидом магния:
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).
Например , серная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:
Или с силикатом натрия:
Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:
Аналогично – концентрированная серная кислота вытесняет хлороводород из твердых хлоридов, например , хлорида натрия:
4. Т акже серная кислота вступает в обменные реакции с солями.
Например , серная кислота взаимодействует с хлоридом бария:
5. Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.
Например , серная кислота реагирует с железом. При этом образуется сульфат железа (II):
Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем . При этом она обычно восстанавливается до сернистого газа SO2. С активными металлами может восстанавливаться до серы S, или сероводорода Н2S.
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.
Например , концентрированная серная кислота окисляет фосфор, углерод, серу. При этом серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV):
Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:
Серная кислота, ее химические свойства
1. Серная кислота, ее химические свойства в свете представлений об электролитической диссоциации и окислительно-восстановительных реакциях (взаимодействие с металлами, оксидами металлов, основаниями и солями)
Серная кислота — важнейший продукт химической промышленности. Формула серной кислоты H2SO4. Бесцветная маслянистая жидкость, тяжелее воды. При смешивании с водой образуются гидраты, происходит сильное разогревание, поэтому категорически запрещено вливать воду в концентрированную серную кислоту. Следует вливать серную кислоту в воду тонкой струйкой при постоянном перемешивании.
Серная кислота отнимает воду от органических веществ, обугливая их. В промышленности способность концентрированной серной кислоты связывать воду используется для осушения газов.
Серная кислота — сильный электролит, в водном растворе диссоциирует полностью. Окрашивает индикаторы лакмус и метилоранж в красный цвет.
Строго говоря, отщепляется один ион водорода (диссоциация по второй ступени очень мала):
Металлы, расположенные в ряду напряжений левее водорода, вытесняют из растворов серной кислоты водород:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑ (образуется соль — сульфат цинка)
Окислителем в данной реакции является водород кислоты:
Концентрированная серная кислота взаимодействует при нагревании и с металлами правее водорода, кроме золота и платины. Окислителем будет сера. В реакции с медью восстанавливается до оксида серы (IV):
с указанием степеней окисления:
При концентрации близкой к 100 % серная кислота пассивирует железо*, реакция не идет.
С оксидами металлов реакция протекает с образованием соли и воды:
в ионном виде (оксиды на ионы не раскладываем!):
MgO + 2H + = Mg 2+ + H2O
Серная кислота реагирует с основаниями, с образованием соли и воды:
2Na + + 2OH − + 2H + + SO4 2− = 2Na + + SO4 2− + 2H2O
Качественной реакцией на сульфат-ион является взаимодействие с солями бария — выпадает белый кристаллический осадок сульфата бария, нерастворимый в азотной кислоте:
2H + + SO4 2− + Ba 2+ + 2Cl − = BaSO4↓ + 2H + + 2Cl −
Серная кислота используется для получения многих кислот, так как вытесняет их из солей. В лаборатории так можно получать соляную кислоту (при нагревании, с последующим растворением в воде выделяющегося хлороводорода) и др.:
сокращенное ионное уравнение:
Серная кислота применяется в промышленности для очистки нефтепродуктов, поверхности металлов перед нанесением покрытий, очистки (рафинирования) меди, в производстве удобрений, глюкозы и пр.
2. Получение и собирание углекислого газа. Доказательство наличия этого газа в сосуде
Углекислый газ в лаборатории получают, приливая
- соляную кислоту к мелу:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2↑ - соляной или серной кислоты к соде:
Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2↑
Закрываем пробирку, где идет реакция, пробкой с газоотводной трубкой. Трубку опускаем в колбу (углекислый газ тяжелее воздуха), горлышко желательно прикрыть куском ваты.
Доказываем наличие углекислого газа, приливая в колбу прозрачный раствор известковой воды, взбалтываем. Известковая вода мутнеет вследствие образования нерастворимого карбоната кальция:
Ионные уравнения серной кислоты с основаниями
Тема 27. Серная кислота.
Часть I
1. Серная кислота H2SO4 (классификационная характеристика):
1) по кислороду – кислородсодержащая
2) по водороду – двухосновная
3) по степени диссоциации – сильная
4) по прочности – прочная
5) по растворимости – растворимая
6) по летучести – летучая
2. Физические свойства: тяжёлая маслянистая жидкость
Свойство поглощать воду – гигроскопичность.
Прибор для осушения газов – сепаратор.
3. Правило разбавления (выбрать верное)
Правильно- в первом случае.
Объясните свой выбор. Реакция экзотермическая, возможно закипание воды и её выброс.
4. Химические свойства – типичные свойства кислот проявляет разбавленная H2SO4. Запишите уравнения реакций в молекулярной , полной и сокращённой ионной формах:
1) с металлами:
2) с основными и амфотерными оксидами:
3) с основаниями:
4) с солями с образованием ↑ или ↓:
5. Концентрированная H2SO4:
1) обугливает органические вещества;
2) взаимодействует с металлами, расположенными до и после H2 в ряду напряжений металлов, образуя соль, воду и один из продуктов восстановления.
Запишите уравнение реакции и рассмотрите с позиций окисления-восстановления.
6. Химические процессы производства серной кислоты можно представить схемой получения в три стадии:
Запишите уравнения реакций и рассмотрите с позиций окисления-восстановления.
Часть II
1. Запишите сокращённое ионное уравнение качественной реакции на сульфат-ион и составьте три соответствующих молекулярных уравнения.
2. Заполните схему «Применение H2SO4».
3. Допишите уравнения реакций и рассмотрите с позиций окисления-восстановления.
4. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения по схеме:
5. Концентрированную серную кислоту перевозят в стальных и алюминиевых цистернах, потому что она не взаимодействует с Fe и Al при обычных условиях.
6. Запишите определение.
Олеум – это раствор SO3 в серной кислоте.
7. Подготовьте презентацию о производстве серной кислоты или использовании в народном хозяйстве. Составьте и запишите план презентации в особой тетради.
http://staminaon.com/ru/chemistry/chemistry_9-21.htm
http://superhimik.ru/9-klass/tema-27-sernaya-kislota.html