Серная кислота и реакции с ней. Химические свойства серы. Характеристика и температура кипения серы
Серная кислота (H₂SO₄) – это одна из сильнейших двухосновных кислот.
Если говорить о физических свойствах, то серная кислота выглядит как густоватая прозрачная маслянистая жидкость без запаха. В зависимости от концентрации, серная кислота имеет множество различных свойств и сфер применений:
- обработка металлов;
- обработка руд;
- производство минеральных удобрений;
- химический синтез.
История открытия серной кислоты
Контактная серная кислота имеет концентрацию от 92 до 94 процентов:
2SO₂ + O₂ = 2SO₂;
H₂O + SO₃ = H₂SO₄.
Физические и физико-химические свойства серной кислоты
H₂SO₄ смешивается с водой и SO₃ во всех соотношениях.
В водных растворах Н₂SO₄ образует гидраты типа Н₂SO₄·nH₂O
Температура кипения серной кислоты зависит от степени концентрации раствора и достигает максимума при концентрации больше 98 процентов.
Едкое соединение олеум представляет собой раствор SO₃ в серной кислоте.
При повышении концентрации триоксида серы в олеуме температура кипения понижается.
Химические свойства серной кислоты
При нагревании концентрированная серная кислота является сильнейшим окислителем, который способен окислять многие металлы. Исключение составляют лишь некоторые металлы:
- золото (Au);
- платина (Pt);
- иридий (Ir);
- родий (Rh);
- тантал (Та).
Окисляя металлы, концентрированная серная кислота может восстанавливаться до H₂S, S и SO₂.
Активный металл:
8Al + 15H₂SO₄(конц.) → 4Al₂(SO₄)₃ + 12H₂O + 3H₂S
Металл средней активности:
2Cr + 4 H₂SO₄(конц.)→ Cr₂(SO₄)₃ + 4 H₂O + S
Малоактивный металл:
2Bi + 6H₂SO₄(конц.) → Bi₂(SO₄)₃ + 6H₂O + 3SO₂
С холодной концентрированной серной кислотой железо и не реагируют, поскольку покрываются оксидной пленкой. Этот процесс называется пассивация .
Реакция серной кислоты и H₂O
При смешении H₂SO₄ с водой происходит экзотермический процесс: выделяется такое большое количество тепла, что раствор может даже закипеть. Проводя химические опыты, нужно всегда понемногу добавлять серную кислоту в воду, а не наоборот.
Серная кислота является сильным дегидрирующим веществом. Концентрированная серная кислота вытесняет воду из различных соединений. Ее часто используют в качестве осушителя.
Реакция серной кислоты и сахара
Жадность серной кислоты к воде можно продемонстрировать в классическом опыте - смешении концентрированной H₂SO₄ и , который является органическим соединением (углеводом). Чтобы извлекать воду из вещества, серная кислота разрушает молекулы.
Для проведения опыта в сахар добавляют несколько капель воды и перемешивают. Затем осторожно вливают серную кислоту. Через короткий промежуток времени можно наблюдать бурную реакцию с образованием угля и выделением сернистого и .
Серная кислота и кубик сахара:
Помните, что работать с серной кислотой очень опасно. Серная кислота - едкое вещество, которое моментально оставляет сильные ожоги на коже.
вы найдете безопасные эксперименты с сахаром, которые можно проводить дома.
Реакция серной кислоты и цинка
Эта реакция достаточно популярна и является одним из самых распространенных лабораторных методов получения водорода. Если в разбавленную серную кислоту добавить гранулы цинка, металл будет растворяться с выделением газа:
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂.
Разбавленная серная кислота реагирует с металлами, которые в ряду активности стоят левее водорода:
Ме + H₂SO₄(разб.) → соль + H₂
Реакция серной кислоты с ионами бария
Качественной реакцией на и ее соли является реакция с ионами бария. Она широко распространена в количественном анализе, в частности гравиметрии:
H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ + 2HCl
ZnSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ + ZnCl₂
Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!
Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.ЗефировСЕРНАЯ КИСЛОТА
H 2 SO 4 ,
молекулярная масса 98,082; бесцв. маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная
кислота, при 18°С pK a
1 - 2,8,
K 2 1,2 10 -2 , pK a 2 l,92;
длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S-ОН 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO
119°; кипит с различные, образуя азеотропную смесь (98,3% H 2 SO 4
и 1,7% Н 2 О с температура кипения 338,8 °С; см. также табл. 1). СЕРНАЯ КИСЛОТА к., отвечающая
100%-ному содержанию H 2 SO 4 , имеет состав (%): H 2 SO 4
99,5, 0,18,
0,14, Н 3 О +
0,09, H 2 S 2 O 7 0,04, HS 2 O 7
0,05. Смешивается с водой и SO 3 во всех соотношениях. В водных растворах
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. практически полностью диссоциирует на Н + ,
и . Образует гидраты
H 2 SO 4 nH 2 O, где n = 1, 2, 3,
4 и 6,5.
Растворы SO 3 в СЕРНАЯ КИСЛОТА
к. называют олеумом, они образуют два соединение H 2 SO 4 SO 3
и H 2 SO 4 2SO 3 . Олеум содержит также пи-росерную
кислоту, получающуюся по реакции: Н 2 SO 4 + + SO 3 :
H 2 S 2 O 7 .
Температура кипения водных растворов
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании
98,3% H 2 SO 4 (табл. 2). Температура кипения олеума с увеличением
содержания SO 3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3% H 2 SO 4
достигает минимума. С увеличением концентрации SO 3 в олеуме общее
давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами СЕРНАЯ КИСЛОТА к. и олеума
можно вычислить по уравению: lgp(Пa) = А - В/Т+ 2,126, величины
коэффициент А и В зависят от концентрации СЕРНАЯ КИСЛОТА к. Пар над водными растворами
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. состоит из смеси паров воды, Н 2 SO 4 и SO 3 ,
при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях СЕРНАЯ КИСЛОТА
к., кроме соответствующей азеотропной смеси.
С повышением температуры усиливается
диссоциация H 2 SO 4
H 2 О + SO 3 - Q, уравение температурной зависимости
константы равновесия lnК p = 14,74965 - 6,71464ln(298/T)
- 8, 10161 10 4 T 2 -9643,04/T-9,4577 10 -3 Т+2,19062
x 10 -6 T 2 . При нормальном давлении степень
диссоциации: 10 -5 (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К).
Плотность 100%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. можно определить по уравению: d= 1,8517 - - 1,1
10 -3 t + 2 10 -6 t 2 г/см 3 .
С повышением концентрации растворов СЕРНАЯ КИСЛОТА к. их теплоемкость уменьшается и достигает
минимума для 100%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к., теплоемкость олеума с повышением содержания SO 3
увеличивается.
При повышении концентрации
и понижении температуры теплопроводность l
уменьшается: l
= 0,518 + 0,0016t
- (0,25 + + t/1293) С/100, где С-концентрация СЕРНАЯ КИСЛОТА к., в %. Макс.
вязкость имеет олеум H 2 SO 4 SO 3 , с повышением
температуры h
снижается. Электрич. сопротивление СЕРНАЯ КИСЛОТА к. минимально при концентрации
30 и 92% H 2 SO 4 и максимально при концентрации 84 и 99,8%
H 2 SO 4 . Для олеума миним. r
при концентрации 10% SO 3 .
С повышением температуры r
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. увеличивается. Диэлектрич. проницаемость 100%-ной
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопич. постоянная 6,12, эбулиоскопич.
постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в воздухе изменяется с изменением
температуры; D = 1,67 10 -5 T 3/2 см 2 /с.
СЕРНАЯ КИСЛОТА к.-довольно сильный
окислитель, особенно при нагревании; окисляет HI и частично НВг до свободный галогенов,
углерод-до СО 2 , S-до SO 2 , окисляет многие металлы (Си, Hg
и др.). При этом СЕРНАЯ КИСЛОТА к. восстанавливается до SO 2 , а наиболее сильными
восстановителями-до S и H 2 S. Конц. H 2 SO 4 частично
восстанавливается Н 2 , из-за чего не может применяться для его
сушки. Разб. H 2 SO 4 взаимодействие со всеми металлами, находящимися
в электрохимический ряду напряжений левее водорода, с выделением Н 2 . Окислит.
свойства для разбавленый H 2 SO 4 нехарактерны. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. дает два ряда
солей: средние-сульфаты и кислые-гидросульфаты (см. Сульфаты неорганические),
а также эфиры (см. Сульфаты органические). Известны пероксомоносерная
(кислота Каро) H 2 SO 5 и пероксоди-серная H 2 S 2 O 8
кислоты (см. Сера).
Получение.
Сырьем
для получения СЕРНАЯ КИСЛОТА к. служат: S, сульфи-ды металлов, H 2 S, отходящие
газы теплоэлектростанций, сульфаты Fe, Ca и др. Осн. стадии получения СЕРНАЯ КИСЛОТА к.:
1) обжиг сырья с получением SO 2 ; 2) окисление SO 2 до SO 3
(конверсия); 3) абсорбция SO 3 . В промышленности применяют два метода получения
СЕРНАЯ КИСЛОТАк., отличающихся способом окисления SO 2 ,-контактный с использованием
твердых катализаторов (контактов) и нитрозный-с оксидами азота. Для получения
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. контактным способом на современной заводах применяют ванадиевые катализаторы,
вытеснившие Pt и оксиды Fe. Чистый V 2 O 5 обладает слабой
каталитических активностью, резко возрастающей в присутствии солей щелочных металлов,
причем наиболее влияние оказывают соли К. Промотирующая роль щелочных металлов
обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3К 2 S 2 О 7
V 2 О 5 , 2К 2 S 2 O 7 V 2 O 5
и K 2 S 2 O 7 V 2 O 5 ,
разлагающихся соответственно при 315-330, 365-380 и 400-405 °С). Активный компонент
в условиях катализа находится в расплавленном состоянии.
Схему окисления SO 2 в SO 3 можно представить следующей образом:
На первой стадии достигается
равновесие, вторая стадия медленная и определяет скорость процесса.
Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. из серы
по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (рис. 1) состоит из следующей
стадий. Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню,
где он осушается 93-98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. до содержания влаги 0,01% по объему. Осушенный
воздух поступает в серную печь после предварит. подогрева в одном из теплообменников
контактного узла. В печи сжигается сера, подаваемая форсунками: S + О 2
:
SO 2 + + 297,028 кДж. Газ, содержащий 10-14% по объему SO 2 ,
охлаждается в котле и после разбавления воздухом до содержания SO 2
9-10% по объему при 420 °С поступает в контактный аппарат на первую стадию
конверсии, которая протекает на трех слоях катализатора (SO 2 + V 2 O 2
:
:
SO 3 + 96,296 кДж), после чего газ охлаждается в теплообменниках.
Затем газ, содержащий 8,5-9,5% SO 3 , при 200 °С поступает на первую
стадию абсорбции в абсорбер, орошаемый олеумом и 98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к.: SO 3
+ Н 2 О :
Н 2 SO 4 + + 130,56 кДж. Далее
газ проходит очистку от брызг СЕРНАЯ КИСЛОТА к., нагревается до 420 °С и поступает на
вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй
стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в абсорбер второй
ступени, орошаемый 98%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к., и затем после очистки от брызг выбрасывается
в атмосферу.
Рис. 1. Схема производства
серной кислоты из серы: 1-серная печь; 2-котел-утилизатор; 3 - экономайзер; 4-пусковая
топка; 5, 6-теплообменники пусковой топки; 7-контактный аппарат; 8-теплообменники;
9-олеумный абсорбер; 10-сушильная башня; 11 и 12-соответственно первый и второй моногидратные
абсорберы; 13-сборники кислоты.
Рис.2. Схема производства серной
кислоты из колчедана: 1-тарельчатый питатель; 2-печь; 3-котел-утилизатор; 4-циклоны;
5-электрофильтры; 6-промывные башни; 7-мокрые электрофильтры; 8-отдувочная башня;
9-сушильная башня; 10-брызгоуловитель; 11-первый моногидратный абсорбер; 12-теплообмен-вики;
13 - контактный аппарат; 14-олеумный абсорбер; 15-второй моногидратный абсорбер;
16-холодильники; 17-сборники.
Рис. 3. Схема производства
серной кислоты нитроз-ным методом: 1 - денитрац. башня; 2, 3-первая и вторая продукц.
башни; 4-окислит. башня; 5, 6, 7-абсорбц. башни; 8 - электрофильтры.
Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. из сульфидов
металлов (рис. 2) существенно сложнее и состоит из следующей операций. Обжиг FeS 2
производят в печи кипящего слоя на воздушном дутье: 4FeS 2 +
11О 2 :
2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476
кДж. Обжиговый газ с содержанием SO 2 13-14%, имеющий температуру 900 °С,
поступает в котел, где охлаждается до 450 °С. Очистку от пыли осуществляют
в циклоне и электрофильтре. Далее газ проходит через две промывные башни, орошаемые
40%-ной и 10%-ной СЕРНАЯ КИСЛОТА к. При этом газ окончательно очищается от пыли, фтора и
мышьяка. Для очистки газа от аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА к., образующегося в промывных башнях,
предусмотрены две ступени мокрых электрофильтров. После осушки в сушильной башне,
перед которой газ разбавляется до содержания 9% SO 2 , его газодувкой
подают на первую стадию конверсии (3 слоя катализатора). В теплообменниках газ
подогревается до 420 °С благодаря теплу газа, поступающего с первой стадии
конверсии. SO 2 , окисленный на 92-95% в SO 3 , идет на первую
стадию абсорбции в олеумный и моногидратный абсорберы, где освобождается от
SO 3 . Далее газ с содержанием SO 2 ~ 0,5% поступает на вторую
стадию конверсии, которая протекает на одном или двух слоях катализатора. Предварительно
газ нагревается в др. группе теплообменников до 420 °С благодаря теплу газов,
идущих со второй стадии катализа. После отделения SO 3 на второй стадии
абсорбции газ выбрасывается в атмосферу.
Степень превращения SO 2
в SO 3 при контактном способе 99,7%, степень абсорбции SO 3
99,97%. Произ-во СЕРНАЯ КИСЛОТА к. осуществляют и в одну стадию катализа, при этом степень
превращения SO 2 в SO 3 не превышает 98,5%. Перед выбросом
в атмосферу газ очищают от оставшегося SO 2 (см. Газов очистка).
Производительность современной установок 1500-3100 т/сут.
Сущность нитрозного метода
(рис. 3) состоит в том, что обжиговый газ после охлаждения и очистки от пыли
обрабатывают так называемой нитрозой-С. к., в которой раств. оксиды азота. SO 2
поглощается нитрозой, а затем окисляется: SO 2 + N 2 O 3
+ Н 2 О :
Н 2 SO 4 + NO. Образующийся NO плохо
растворим в нитрозе и выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом
в газовой фазе до NO 2 . Смесь NO и NO 2 вновь поглощается
СЕРНАЯ КИСЛОТАк. и т.д. Оксиды азота не расходуются в нитрозном процессе и возвращаются
в производств. цикл, вследствие неполного поглощения их СЕРНАЯ КИСЛОТА к. они частично уносятся
отходящими газами. Достоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформления,
более низкая себестоимость (на 10-15% ниже контактной), возможность 100%-ной
переработки SO 2 .
Аппаратурное оформление
башенного нитрозного процесса несложно: SO 2 перерабатывается в 7-8
футерованных башнях с керамич. насадкой, одна из башен (полая) является регулируемым
окислит. объемом. Башни имеют сборники кислоты, холодильники, насосы, подающие
кислоту в напорные баки над башнями. Перед двумя последними башнями устанавливается
хвостовой вентилятор. Для очистки газа от аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА к. служит электрофильтр.
Оксиды азота, необходимые для процесса, получают из HNO 3 . Для сокращения
выброса оксидов азота в атмосферу и 100%-ной переработки SO 2 между
продукционной и абсорбционной зонами устанавливается безнитрозный цикл переработки
SO 2 в комбинации с водно-кислотным методом глубокого улавливания
оксидов азота. Недостаток нитрозного метода-низкое качество продукции: концентрация
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 75%, наличие оксидов азота, Fe и др. примесей.
Для уменьшения возможности
кристаллизации СЕРНАЯ КИСЛОТА к. при перевозке и хранении установлены стандарты на товарные
сорта СЕРНАЯ КИСЛОТА к., концентрация которых соответствует наиболее низким температурам кристаллизации.
Содержание СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в техн. сортах (%): башенная (нитрозная) 75, контактная 92,5-98,0,
олеум 104,5, высокопроцентный олеум 114,6, аккумуляторная 92-94. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. хранят
в стальных резервуарах объемом до 5000 м 3 , их общая емкость на складе
рассчитана на десятисуточньш выпуск продукции. Олеум и СЕРНАЯ КИСЛОТА к. перевозят в стальных
железнодорожных цистернах. Конц. и аккумуляторную СЕРНАЯ КИСЛОТА к. перевозят в цистернах
из кислотостойкой стали. Цистерны для
перевозки олеума покрывают теплоизоляцией и перед заливкой олеум подогревают.
Определяют СЕРНАЯ КИСЛОТА к. колориметрически
и фотометрически, в виде взвеси BaSO 4 - фототурбидиметрически, а
также ку-лонометрич. методом.
Применение. СЕРНАЯ КИСЛОТА к. применяют
в производстве минеральных удобрений, как электролит в свинцовых аккумуляторах, для получения
различные минеральных кислот и солей, химический волокон, красителей, дымообразующих веществ и ВВ,
в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности.
Ее используют в пром. органическое синтезе в реакциях дегидратации (получение диэтилового
эфира, сложных эфиров), гидратации (этанол из этилена), сульфирования (синтетич.
моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей), алкили-рования (получение
изооктана, полиэтиленгликоля, капро-лактама) и др. Самый крупный потребитель
СЕРНАЯ КИСЛОТАк.-производство минеральных удобрений. На 1 т Р 2 О 5 фосфорных
удобрений расходуется 2,2-3,4 т СЕРНАЯ КИСЛОТА к., а на 1 т (NH 4) 2 SO 4 -0,75
т СЕРНАЯ КИСЛОТА к. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами
по производству минеральных удобрений. Мировое производство СЕРНАЯ КИСЛОТА к. в 1987 достигло 152 млн.
т.
СЕРНАЯ КИСЛОТА к. и олеум - чрезвычайно
агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение
дыхания, кашель, нередко-ларингит, трахеит, бронхит и т. д. ПДК аэрозоля СЕРНАЯ КИСЛОТА
к. в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м 3 , в атм. воздухе 0,3 мг/м 3
(макс. разовая) и 0,1 мг/м 3 (среднесуточная). Поражающая концентрация
паров СЕРНАЯ КИСЛОТА к. 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин).
Класс опасности 2. Аэрозоль СЕРНАЯ КИСЛОТА к. может образовываться в атмосфере в результате
выбросов химический и металлургич. производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде
кислотных дождей.
Литература: Справочник
сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971; Амелин А. Г., Технология
серной кислоты, 2 изд., М., 1983; Васильев Б. Т., Отвагина М. И., Технология
серной кислоты, М., 1985. Ю.В. Филатов.
Химическая энциклопедия. Том 4 >>
Свойства серной кислоты
Безводная серная кислота (моногидрат) представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, которая смешивается с водой во всех соотношениях с выделением большого количества тепла. Плотность при 0 °С равна 1,85 г/см 3 . Она кипит при 296 °С и замерзает при - 10 °С. Серной кислотой называют не только моногидрат, но и водные растворы его (), а также растворы трехокиси серы в моногидрате (), называемые олеумом. Олеум на воздухе "дымит" вследствие десорбции из него. Чистая серная кислота бесцветна, техническая окрашена примесями в темный цвет.
Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависят от ее состава. На рис. 1 представлена диаграмма кристаллизации системы. Максимумы в ней отвечают составу соединений или, наличие минимумов объясняется тем, что температура кристаллизации смесей двух веществ ниже температуры кристаллизации каждого из них.
Рис. 1
Безводная 100 %-ная серная кислота имеет сравнительно высокую температуру кристаллизации 10,7 °С. Чтобы уменьшить возможность замерзания товарного продукта при перевозке и хранении, концентрацию технической серной кислоты выбирают такой, чтобы она имела достаточно низкую температуру кристаллизации. Промышленность выпускает три вида товарной серной кислоты.
Серная кислота весьма активна. Она растворяет окислы металлов и большинство чистых металлов;вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. Особенно жадно серная кислота соединяется с водой благодаря способности давать гидраты. Она отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей и даже кислородных производных углеводородов, которые содержат не воду таковую, а водород и кислород в сочетании Н:О = 2. дерево и другие растительные и животные ткани, содержащие целлюлозу, крахмал и сахар, разрушаются в концентрированной серной кислоте; вода связывается с кислотой и от ткани остается лишь мелкодисперсный углерод. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги.
Высокая активность серной кислоты в сочетании со сравнительно небольшой стоимостью производства предопределили громадные масштабы и чрезвычайное разнообразие ее применения (рис. 2). Трудно найти такую отрасль, в которой не потреблялась в тех или иных количествах серная кислота или произведенные из нее продукты.
Рис. 2
Крупнейшим потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений: суперфосфата, сульфата аммония и др. многие кислоты (например, фосфорная, уксусная, соляная) и соли производятся в значительной части при помощи серной кислоты. Серная кислота широко применяется в производстве цветных и редких металлов. В металлообрабатывающей промышленности серную кислоту или ее соли применяют для травления стальных изделий перед их окраской, лужением, никелированием, хромированием и т.п. значительные количества серной кислоты затрачиваются на очистку нефтепродуктов. Получение ряда красителей (для тканей), лаков и красок (для зданий и машин), лекарственных веществ и некоторых пластических масс также связано с применением серной кислоты. При помощи серной кислоты производятся этиловый и другие спирты, некоторые эфиры, синтетические моющие средства, ряд ядохимикатов для борьбы с вредителями сельского хозяйства и сорными травами. Разбавленные растворы серн6ой кислоты и ее солей применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности для обработки волокна или тканей перед их крашением, а также в других отраслях легкой промышленности. В пищевой промышленности серная кислота применяется при получении крахмала, патоки и ряда других продуктов. Транспорт использует свинцовые сернокислотные аккумуляторы. Серную кислоту используют для осушки газов и при концентрировании кислот. Наконец, серную кислоту применяют в процессах нитрования и при производстве большей части взрывчатых веществ.
Физические и физико-химические свойства
Олеум
Растворы SO 3 в cерной кислоте называются , они образуют два соединения H 2 SO 4 ·SO 3 и H 2 SO 4 ·2SO 3 . Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции:
Н 2 SO 4 + SO 3 → H 2 S 2 O 7 .
Температура кипения водных растворов cерной кислоты повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H 2 SO 4 .
| Содержание % по массе | Плотность при 20 °C, г/см³ | Температура кристаллизации, °C | Температура кипения, °C | |
|---|---|---|---|---|
| H 2 SO 4 | SO 3 (свободный) | |||
| 10 | - | 1,0661 | −5,5 | 102,0 |
| 20 | - | 1,1394 | −19,0 | 104,4 |
| 40 | - | 1,3028 | −65,2 | 113,9 |
| 60 | - | 1,4983 | −25,8 | 141,8 |
| 80 | - | 1,7272 | −3,0 | 210,2 |
| 98 | - | 1,8365 | 0,1 | 332,4 |
| 100 | - | 1,8305 | 10,4 | 296,2 |
| 104,5 | 20 | 1,8968 | −11,0 | 166,6 |
| 109 | 40 | 1,9611 | 33,3 | 100,6 |
| 113,5 | 60 | 2,0012 | 7,1 | 69,8 |
| 118,0 | 80 | 1,9947 | 16,9 | 55,0 |
| 122,5 | 100 | 1,9203 | 16,8 | 44,7 |
Температура кипения олеума с увеличением содержания SO 3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов cерной кислоты общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3 % Н 2 SO 4 достигает минимума. С увеличением концентрации SO 3 , в олеуме общее давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами серной кислоты и олеума можно вычислить по уравнению:
Lgp (Па) = A - B/T + 2,126,
величины коэффициентов А и В зависят от концентрации серной кислоты. Пар над водными растворами серной кислоты состоит из смеси паров воды, Н 2 SO 4 и SO 3 , при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях cерной кислоты, кроме соответствующей .
С повышением температуры усиливается диссоциация Н 2 SO 4 ↔ H 2 O + SO 3 - Q , уравнение температурной зависимости константы равновесия lnK p = 14,74965 − 6,71464ln(298/T ) - 8,10161·10 4 T ² - 9643,04/T - 9,4577·10 -3 T + 2,19062·10 -6 T ². При нормальном давлении степень диссоциации: 10 -5 (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К). Плотность 100%-ной cерной кислоты можно определить по уравнению: d = 1,8517 − 1,1·10 -3 t + 2·10 -6 t ² г/см³. С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоемкость олеума с повышением содержания SO³ увеличивается.
При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается: λ = 0,518 + 0,0016t - (0,25 + t /1293)·С /100, где С -концентрация серной кислоты, в %. Максимальнаую вязкость имеет олеум Н 2 SO 4 ·SO 3 , с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации 30 и 92 % H2SO4 и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H 2 SO 4 . Для олеума минимальное ρ при концентрации 10 % SO 3 . С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); 6,12, 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется в зависимости от температуры; D = 1,67·10 -5 T 3/2 см²/с.
Химические свойства
Серная кислота - довольно сильный окислитель, особенно при нагревании; окисляет HI и частично НВr до свободных , до СО 2 , - до SO 2 , окисляет многие металлы ( , и др.). При этом серная кислота восстанавливается до SO 2 , а наиболее сильными восстановителями - до S и H 2 S. Концентрированная H 2 SO 4 частично восстанавливается Н 2 . Из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H 2 SO 4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, с выделением Н 2 . Окислительные свойства для разбавленной H 2 SO 4 нехарактерны. Серная кислота дает два ряда солей: средние - сульфаты и кислые - гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или ) Н 2 SО 5 ; и пероксодисерная H 2 S 2 O 8 кислоты.
Применение
Серную кислоту применяют:
- В производстве минеральных удобрений;
- Как электролит в свинцовых аккумуляторах;
- Для получения различных минеральных кислот и солей,
- В производстве химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ,
- В нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности.
- В пищевой промышленности используется в качестве ( E513 ).
- В промышленном органическом синтезе в реакциях:
- дегидратации (получение , сложных эфиров);
- гидратации (
наименование
Олеум, дымящий на воздухе
Олеум представляет собой вязкую маслянистую бесцветную жидкость или легкоплавкие кристаллы, которые, однако, могут приобретать самые различные оттенки вследствие наличия примесей. На воздухе «дымит», реагирует с водой с выделением огромного количества тепла. Концентрация серного ангидрида может варьироваться в очень широких пределах: от единиц до десятков процентов. Олеум обладает ещё большим водоотнимающим и окислительным действием. Олеум содержит также пиросерные кислоты, получающиеся по реакциям:
H 2 S O 4 + S O 3 → H 2 S 2 O 7 ; {\displaystyle {\mathsf {H_{2}SO_{4}+SO_{3}\rightarrow H_{2}S_{2}O_{7}}};}
H 2 S O 4 + 2 S O 3 → H 2 S 3 O 10 . {\displaystyle {\mathsf {H_{2}SO_{4}+2SO_{3}\rightarrow H_{2}S_{3}O_{10}}}.}
Физические свойства
Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом её концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H 2 SO 4 . При пользовании нижеприведенной таблицы следует также ознакомиться с таблицами ГОСТ 2184-77 (действующий) и ГОСТ 2184-2013 в части массовой доли сернистого ангидрида в олеуме в процентах.
| Содержание % по массе | Плотность при 20 ℃, г/см³ | Температура плавления , ℃ | Температура кипения , ℃ | |
|---|---|---|---|---|
| H 2 SO 4 | SO 3 (свободный) | |||
| 98 | - | 1,8365 | 0,1 | 332,4 |
| 100 | - | 1,8305 | 10,4 | 296,2 |
| 104,5 | 20 | 1,8968 | −11,0 | 166,6 |
| 109 | 40 | 1,9611 | 33,3 | 100,6 |
| 113,5 | 60 | 2,0012 | 7,1 | 69,8 |
| 118,0 | 80 | 1,9947 | 16,9 | 55,0 |
| 122,5 | 100 | 1,9203 | 16,8 | 44,7 |
С повышением температуры усиливается диссоциация:
H 2 S O 4 ⟷ H 2 O + S O 3 − Q . {\displaystyle {\mathsf {H_{2}SO_{4}\longleftrightarrow H_{2}O+SO_{3}-{\it {Q}}}}.}
Уравнение температурной зависимости константы равновесия :
Ln K p = 14,749 65 − 6,714 64 ln 298 T − 8,101 61 ⋅ 10 4 T 2 − 9643 , 04 T − 9,457 7 ⋅ 10 − 3 T + 2,190 62 ⋅ 10 − 6 T 2 . {\displaystyle \ln {\it {K_{p}}}=14{,}74965-6{,}71464\ln {298 \over {\it {T}}}-8{,}10161\cdot 10^{4}{\it {{T^{2}}-{{\rm {9643{,}04}} \over {\it {T}}}-{\rm {9{,}4577\cdot 10^{-3}{\it {{T}+{\rm {2{,}19062\cdot 10^{-6}{\it {{T^{2}}.}}}}}}}}}}}
При нормальном давлении степень диссоциации: 10⁻⁵ (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К).
Плотность 100%-ной серной кислоты можно определить по уравнению:
D = 1,851 7 − 1 , 1 ⋅ 10 − 3 t + 2 ⋅ 10 − 6 t 2 . {\displaystyle {\it {{d}={\rm {1{,}8517-1{,}1\cdot 10^{-3}{\it {{t}+{\rm {2\cdot 10^{-6}{\it {{t^{2}}.}}}}}}}}}}}
С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоёмкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоёмкость олеума с повышением содержания SO₃ увеличивается.
При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается:
λ = 0,518 + 0,001 6 t − (0 , 25 + t / 1293) ⋅ C / 100 , {\displaystyle {\rm {\lambda =0{,}518+0{,}0016{\it {{t}-{\rm {(0{,}25+{\it {{t}/{\rm {{1293})\cdot {\it {{C}/{\rm {100,}}}}}}}}}}}}}}}
где С - концентрация серной кислоты, в %.
Максимальную вязкость имеет олеум H₂SO₄·SO₃, с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации 30 и 92 % H 2 SO 4 и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H₂SO₄. Для олеума минимальное ρ при концентрации 10 % SO₃. С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопическая постоянная 6,12, эбулиоскопическая постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется в зависимости от температуры; D = 1,67⋅10 −5 T 3/2 см²/с.
