Сірчана кислота.

Фізичні властивості.

Чистий 100 %-ная сірчана кислота (моногідрат) являє собою безбарвну маслянисту рідина, що застигає у кристалічну масу при +10 ° С. Реактивная сірчана кислота має звичайно щільність 1,84 г/см3 і містить близько 95% H2SO4. Твердне вона лише нижче -20 ° С.

Температура плавлення моногідрату дорівнює 10,37 ° С при теплоту плавлення 10,5 кДж/моль. У звичайних умов він являє собою дуже в'язку рідину з дуже високим значенням діелектричної проникності (e = 100 при 25 ° С). Незначна власна електролітична дисоціація моногідрату протікає паралельно за двох напрямах: [Н3SO4 +] · [НSO4-] = 2.10 -4 і [Н3О +] · [НS2О7-] = 4.10 -5. Його молекулярно-іонний склад може бути наближено охарактеризовано наступними даними (в %):

H2SO4 HSO4-H3SO4 + H3O + HS2O7-H2S2O7

99,5 0,18 0,14 0,09 0,05 0,04

При додаванні навіть малих кількостей води переважаючою стає дисоціація за схемою: Н2О + Н2SО4  Н3О + + НSO4-

Хімічні властивості.

H2SO4 - Сильна двоосновний кислота.

H2SO4 H + + HSO4-2H + + SO42-

Перший ступінь (для середніх концентрацій) призводить до 100%-ої дисоціації:

K2 = ([H +] · [SO42-]) / [HSO4-] = 1,2 · 10-2

1) Взаємодія з металами:

a) розбавлена сірчана кислота розчиняє тільки метали, що стоять у ряді напруг лівіше водню:

Zn0 + H2 +1 SO4 (разб) -> Zn +2 SO4 + H2O

b) концентрована H2 6 SO4 - сильний окислювач; при взаємодії з металами (крім Au, Pt) може відновлюватися до S +4 O2, S0 або H2S-2 (без нагрівання не реагують також Fe, Al, Cr - пасивується):

2Ag0 + 2H2 6 SO4 -> Ag2 +1 SO4 + S +4 O2 + 2H2O

8Na0 + 5H2 6 SO4 -> 4Na2 +1 SO4 + H2S-2 + 4H2O

2) концентрована H2S +6 O4 реагує при нагріванні з деякими неметалами за рахунок своїх сильних окисних властивостей, перетворюючись на сполуки сірки більш низького ступеня окислення, (наприклад, S +4 O2):

С0 + 2H2S +6 O4 (конц) -> C 4 O2 + 2S +4 O2 + 2H2O

S0 + 2H2S +6 O4 (конц) -> 3S +4 O2 + 2H2O

2P0 + 5H2S +6 O4 (конц) -> 5S 4 O2 + 2H3P 5 O4 + 2H2O

3) з основними оксидами:

CuO + H2SO4 -> CuSO4 + H2O

CuO + 2H + -> Cu2 + + H2O

4) з гідроксиду:

H2SO4 + 2NaOH -> Na2SO4 + 2H2O

H + + OH--> H2O

H2SO4 + Cu (OH) 2 -> CuSO4 + 2H2O

2H + + Cu (OH) 2 -> Cu2 + + 2H2O

5) обмінні реакції з солями:

BaCl2 + H2SO4 -> BaSO4 + 2HCl

Ba2 + + SO42--> BaSO4

Освіта білого осаду BaSO4 (нерозчинного в кислотах) використовується для ідентифікації сірчаної кислоти і розчинних сульфатів.

MgCO3 + H2SO4 -> MgSO4 + H2O + CO2 H2CO3

моногідрат (чиста, 100%-а сірчана кислота) є іонізуючим розчинником, що має кислотний характер. У ньому добре розчиняються сульфати багатьох металів (переходячи при цьому в бісульфат), тоді як солі інших кислот розчиняються, як правило, лише за можливості їх сольволіза (з перекладом в бісульфат). Азотна кислота поводитися в моногідраті як слабке основаніеHNO3 + 2 H2SO4 H3O + + NO2 + + 2 HSO4-хлорне - як дуже слабка кіслотаH2SO4 + HClO4 = H3SO4 + + ClO4-Фторсульфоновая і хлорсульфоновая виявляються кислотами кілька сильнішими (HSO3F> HSO3Cl> HClO4). Моногідрат добре розчиняє багато органічних речовин, що мають у своєму складі атоми з неподіленого електронними парами (здатними до приєднання протона). Деякі з них можуть бути потім виділені назад в незміненому стані шляхом простого розведення розчину водою. Моногідрат володіє високим значенням кріоскопічної константи (6,12 °) і їм іноді користуються як середовищем для визначення молекулярних ваг.

Концентрована H2SO4 є досить сильним окислювачем, особливо при нагріванні (звичайно відновлюється до SO2). Наприклад, вона окисляє HI і частково HВr (але не HСl) до вільних галогенів. Окислюються нею і багато метали - Cu, Hg та ін (тоді як золото і платина по відношенню до H2SO4 стійкі). Так взаємодія з міддю йде по наступному рівнянню:

Cu + 2 H2SO4 = CuSO4 + SO2 + H2O

Діючи в як окислювач, сірчана кислота звичайно відновлюється до SO2. Однак найбільш сильними відновлювачами вона може бути відновлена до S і навіть H2S. З сірководнем концентрована сірчана кислота реагує по рівнянню:

H2SO4 + H2S = 2H2O + SO2 + S

Слід відзначити, що вона частково відновлюється також газоподібним воднем і тому не може застосовуватися для його осушення.

Рис. 13. Електропровідність розчинів сірчаної кислоти.

Розчинення концентрованої сірчаної кислоти у воді супроводжується значним виділенням тепла (і деяким зменшенням загального обсягу системи). Моногідрат майже не проводить електричного струму. Навпаки, водні розчини сірчаної кислоти є хорошими провідниками. Як видно на рис. 13, максимальної електропровідність володіє приблизно 30%-ва кислота. Мінімум кривої відповідає гідрат складу H2SO4 · H2O.

Виділення тепла при розчиненні моногідрату у воді становить (в залежності від кінцевої концентрації розчину) до 84 кДж/моль H2SO4. Навпаки, змішуванням 66%-ної сірчаної кислоти, попередньо охолодженої до 0 ° С, з снігом (1:1 за масою) може бути досягнуто зниження температури, до -37 ° С.

Зміна густини водних розчинів H2SO4 з її концентрацією (вес. %) Подано нижче:                 

5         

10         

20         

30         

40         

50         

60             

15 ° С         

1,033         

1,068         

1,142         

1,222         

1,307         

1,399         

1,502             

25 ° С         

1,030         

1,064         

1,137         

1,215         

1,299         

1,391         

1,494                      

70         

80         

90         

95         

97         

100                      

15 ° С         

1,615         

1,732         

1,820         

1,839         

1,841         

1,836                      

25 ° С         

1,606         

1,722         

1,809         

1,829         

1,831         

1,827              

Як видно з цих даних, визначення по щільності концентрації сірчаної кислоти вище 90 вагу. % Стає вельми неточним. Тиск водяної пари над розчинами H2SO4 різної концентрації при різних температурах показано на рис. 15. В якості осушувача сірчана кислота може діяти лише до тих пір, поки тиск водяної пари над її розчином менше, ніж його парціальний тиск у осушуваної газі.

Рис. 15. Тиск водяної пари.

Рис. 16. Температури кипіння над розчинами H2SO4. розчинів H2SO4.

При кип'ятінні розведеного розчину сірчаної кислоти з нього відганяються вода, причому температура кипіння підвищується аж до 337 ° С, коли починає переганятися 98,3% H2SO4 (рис. 16). Навпаки, з більш концентрованих розчинів випаровується надлишок сірчаного ангідриду. Пар киплячій при 337 ° С сірчаної кислоти частково дисоційований на H2O і SO3, які знову з'єднуються при охолодженні. Висока температура кипіння сірчаної кислоти дозволяє використовувати її для виділення при нагріванні легколетучих кислот з їх солей (наприклад, HCl з NaCl).

Отримання.

моногідрат може бути отриманий кристалізацією концентрованої сірчаної кислоти при -10 ° С.

Виробництво сірчаної кислоти.

1-я стадія. Піч для випалу колчедану.

4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2 + Q

Процес гетерогенний:

1) подрібнення залізного колчедану (піриту)

2) метод "киплячого шару"

3) 800 ° С; відвід зайвого тепла

4) збільшення концентрації кисню в повітрі

2-я стадія. Після очищення, осушування і теплообміну сірчистий газ надходить до контактний апарат, де окислюється в сірчаний ангідрид (450 ° С - 500 ° С; каталізатор V2O5):

2SO2 + O2 2SO3

3-я стадія. Поглинальні башта:

nSO3 + H2SO4 (конц) -> (H2SO4 · NSO3) (олеум)

Воду використовувати не можна через утворення туману. Застосовують керамічні насадки і принцип протитоку.

Застосування.

Пам'ятайте! Сірчану кислоту потрібно вливати малими порціями у воду, а не на оборот. Інакше може відбутися бурхлива хімічна реакція, в результаті якої людина може отримати сильні опіки.

Сірчана кислота - Один з основних продуктів хімічної промисловості. Йде на виробництво мінеральних добрив (суперфосфат, сульфат амонію), різних кислот і солей, лікарських і миючих засобів, фарбників, штучних волокон, вибухових речовин. Застосовується в металургії (розкладання руд, напр. Уранових), для очищення нафтопродуктів, як осушувач та ін

Практично важливо та обставина, що дуже міцна (вище 75%) сірчана кислота не діє на залізо. Це дозволяє зберігати і перевозити її в сталевих цистернах. Навпаки, розбавлена H2SO4 легко розчиняє залізо з виділенням водню. Окислювальні властивості для неї зовсім не характерні.

Міцна сірчана кислота енергійно поглинає вологу і тому часто застосовується для осушування газів. Від багатьох органічних речовин, що містять у своєму складі водень і кисень, вона забирає воду, що нерідко використовується в техніці. З цим же (а також з окисними властивостями міцною H2SO4) пов'язане її руйнівну дію на рослинні і тваринні тканини. Випадково потрапила при роботі на шкіру або плаття сірчану кислоту слід негайно змити великою кількістю води, потім змочити постраждале місце розведеним розчином аміаку і знову промити водою.

Молекули чистої сірчаної кислоти.

Рис.1. Схема водневих зв'язків в кристалі H2SO4.

Молекули, утворюють кристал моногідрату, (ПЗ) 2SO2 з'єднані один з одним досить сильними (25 кДж/моль) водневими зв'язками, як це схематично показано на рис. 1. Сама молекула (ПЗ) 2SO2 має структуру спотвореного тетраедра з атомом сірки біля центру і характеризується наступними параметрами: (d (S-ОН) = 154 пм, вірно-S-ОН = 104 °, d (S = O) = 143 пм, РOSO = 119 °. У іоні HOSO3-, d (S-ОН) = 161 і d (SO) = 145 пм, а при переході до іону SO42 - тетраедр набуває правильну форму і параметри вирівнюються [d (SO) = 148 пм]. кристалогідрати сірчаної кислоти.

Для сірчаної кислоти відомо кілька кристалогідратів, склад яких показано на рис. 14. З них найбільш бідний водою являє собою сіль оксонія: H3O + HSO4-. Оскільки розглянута система дуже схильна до переохолодження, фактично спостерігаються в ній температури замерзання лежать набагато нижче температур плавлення.

Рис. 14. Температури плавлення в системі H2O · H2SO4.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://schoolchemistry.by.ru/