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:
Источник
Серная кислота
Для чего нужна серная кислота?
Не очень часто нам приходится иметь дело непосредственно с серной кислотой. Может показаться, что не так уж она нам и нужна. А между тем трудно найти другой продукт, который был бы так важен, как серная кислота.
Посмотрим повнимательнее вокруг. Предмет первой необходимости для нас – растительная пища: хлеб, овощи, крупа и т.п. Удовлетворить эту насущную потребность можно при хорошем урожае. Получить же такой урожай возможно при помощи минеральных удобрений. На их изготовление тратится около половины всей серной кислоты, получаемой на химических заводах. Без нее мы не могли бы получать питательные вещества в достаточной мере.
Наша одежда, белье сделаны из хлопчатобумажной, шерстяной или льняной ткани. Хлопок, лен, идущие на изготовление соответствующей ткани, тоже нуждаются в удобрениях, получаемых при помощи серной кислоты.
Кроме того, ткань требует после выхода с ткацкой машины последующей обработки – аппретуры, только тогда она получает свой настоящий вид. Аппретурная обработка производится особой массой, состоящей из сульфатов алюминия и бария, получаемых при помощи серной кислоты.
Чтобы окрасить шерстяную или хлопчатобумажную ткань, требуется протравливание, т.е. пропитка ткани такими солями, главным образом сульфатами, которые прочно соединяются как с самой тканью, так и с красителями, благодаря чему окрашенная ткань не линяет при стирке. Эти соли без серной кислоты изготовить, конечно, невозможно. Сами красители тоже не могут быть изготовлены без серной кислоты.
Мы носим кожаную обувь. Для получения ее из сырых шкур требуется освобождение их от волоса, смягчение, дубление, окраска. Все эти операции не могут обойтись без серной кислоты и ряда ее солей, например квасцов, изготовляемых при ее помощи.
Современное человеческое общество никоим образом без серной кислоты обойтись не может. Оказывается, помыться, быть чистым тоже нельзя без косвенного участия серной кислоты. Мы моемся мылом, стирка белья без мыла или стирального порошка невозможна. Мыло и порошки готовят из соды и жирных кислот. Чтобы получить жирные кислоты из жиров и очистить их, нужна серная кислота.
Вы читаете книгу, напечатанную на проклеенной бумаге, пишете на такой бумаге. Проклейка бумаги производится при помощи сульфата алюминия, т.е. опять при участии серной кислоты. Чернила готовили при помощи железного купороса, получаемого обработкой серной кислоты железом. Значит, и распространение культуры немыслимо без применения серной кислоты.
Ни один двигатель, ни одна машина, ни один станок не может работать без смазочных масел, керосина и других продуктов, получаемых из нефти, очистка которой производится при помощи серной кислоты. Значит, работа наших фабрик, заводов, движение поездов, пароходов, полет самолетов находятся в зависимости от нее.
Лужение, никелирование, серебрение, меднение проводятся при помощи сульфатов. Очистка некоторых металлов (серебра, меди и др.) проходит также при участии серной кислоты.
Для производства кислот, например уксусной, солей, неорганических и органических красок требуется серная кислота. Фармацевтическая отрасль промышленности, производство искусственного волокна не могут обойтись без серной кислоты. Взрывчатые вещества готовятся при участии концентрированной серной кислоты.
 |
