Физические свойства концентрированной серной кислоты. Серная кислота и ее химические свойства

Серная кислота - это высококоррозийная сильная минеральная кислота с молекулярной формулой H 2 SO 4 . Это бесцветная вязкая жидкость, которая может иметь слегка желтый оттенок, растворимая в воде во всех концентрациях. Серная кислота может быть окрашена в темно-коричневый цвет во время процесса промышленного производства, чтобы предупредить людей об ее опасности. Историческое название серной кислоты - купоросное масло .

Серная кислота - это двухосновная кислота и обладает различными свойствами в зависимости от ее концентрации. Ее коррозионную активность для других материалов, как металлы, живые ткани (например, кожа и плоть) или даже камни, можно в основном приписать ее сильной кислотной природе и в концентрированном виде сильным свойствам дегидратации и окисления. Серная кислота в высокой концентрации может вызвать очень серьезные повреждения при контакте, так как она не только вызывает химический ожог через гидролиз, но и вторичный термический ожог через дегидратацию. Серная кислота обжигает роговицу и может привести к постоянной слепоте, если плеснуть ею в глаза. Таким образом, следует принять серьезные меры безопасности при ее использовании. Более того, она гигроскопична, быстро поглощая водяные пары из воздуха.

Имея различные химические свойства, серная кислота обладает широким диапазоном применений, в том числе в качестве бытового кислотного канализационного очистителя, электролита в свинцово-кислотных батареях и различных очищающих средств. Она также является ключевым веществом в химической промышленности. Основное применение включает минеральную обработку, производство удобрений, очистку нефти, обработку сточных вод и химический синтез. Серную кислоту широко производят посредством различных методов, например, контактного процесса, процесса мокрого катализа и некоторых других способов.

История серной кислоты

Изучение купороса началось в древние времена. У шумеров был список видов купороса, который они классифицировали по цвету вещества. Некоторые из ранних обсуждений происхождения и свойств купороса можно найти в работах греческого врача Диоскорида (первый век н.э.) и римского натуралиста Плиния Старшего (23-79 н.э.). Гален также обсуждал его медицинское использование. Использование купоросных веществ в металлургии описано в древнегреческих алхимических работах Зосимы из Панополиса, в тезисе « Phisica et Mystica » и папирусе «X» Лейдена.

Исламские алхимики Джабир ибн Хайян (721-815 гг. н.э.), Рази (865-925 гг. н.э.) и Джамал Дин аль-Ватват (1318 г., написал книгу «Mabāhij al-fikar wa-manāhij al-"ibar» ), включили купорос в свои списки классификации минералов. Ибн Сина фокусировался на медицинском применении и разновидностях купороса.

Серную кислоту назвали «купоросным маслом» средневековые европейские алхимики. На это название есть ссылки в работах Винсента из Бове и в сочинении «Compositum de Compositis », приписываемом Альберту Великому. Отрывок из труда Псевдо-Гербера «Summa Perfectionis » долго считался первым рецептом серной кислоты, но это было неверное толкование.

В XVII веке немецко-датский химик Иоганн Глаубер приготовил серную кислоту посредством горения серы с селитрой (нитрат калия, KNO 3) в присутствии пара. По мере своего распада селитра окисляет серу до соединения SO 3 , которое объединяется с водой для производства серной кислоты. В 1736 г. Джошуа Уорд, фармацевт из Лондона, использовал этот метод для начала крупномасштабного производства серной кислоты.

В 1746 г. в Бирмингеме Джон Робак адаптировал этот метод для производства серной кислоты в освинцованных камерах, которые были прочнее, дешевле и могли быть больше, чем используемые до того стеклянные контейнеры. Этот процесс в свинцовой камере обеспечил эффективную индустриализацию производства серной кислоты. После некоторых улучшений этот метод, названный «процессом в свинцовой камере» или «камерным процессом», остался стандартом для производства серной кислоты на протяжении почти двух веков.

Серная кислота, созданная в процессе Джона Робака, приблизилась к 65% концентрации. Более поздние усовершенствования в процессе в свинцовой камере, сделанные французским химиком Жозе Луи Гей-Люссаком и британским химиком Джоном Гловером, улучшили концентрацию до 78%. Однако в производстве некоторых красителей и других химических процессах требуется более концентрированный продукт. На протяжении XVIII века это могло быть сделано только посредством сухих дистиллированных минералов в технике, аналогичной оригинальным алхимическим процессам. Пирит (дисульфид железа, FeS 2) нагревался в воздухе, чтобы дать сульфат железа (II), FeSO 4 , который окислялся дальнейшим нагревом в воздухе для образования сульфата железа (III), Fe 2 (SO 4) 3 . Он при нагреве до 480 °C распадался на оксид железа (III) и триоксид серы, который можно было пропустить через воду, чтобы получить серную кислоту в любой концентрации. Однако расход на этот процесс помешал крупномасштабному использованию концентрированной серной кислоты.

В 1831 г. британский торговец уксусом Перегрин Филипс запатентовал контактный процесс, который был гораздо более экономичным процессом для производства триоксида серы и концентрированной серной кислоты. Сегодня почти весь мировой объем серной кислоты производится с использованием этого метода.

Физические свойства серной кислоты

C + 2 H 2 SO 4 → CO 2 + 2 SO 2 + 2 H 2 O

S + 2 H 2 SO 4 → 3 SO 2 + 2 H 2 O

Реакция с хлоридом натрия

Она реагирует с хлоридом натрия и дает газ хлорида водорода и бисульфат натрия:

NaCl + H 2 SO 4 → NaHSO 4 + HCl

Электрофильное замещение в ароматическом ряду

Бензол подвергается электрофильному замещению в ароматическом ряду с серной кислотой для образования соответствующих сульфоновых кислот.

Распространенность

Чистая серная кислота не встречается естественным образом на Земле в безводной форме из-за ее большого сродства с водой. Разжиженная серная кислота - это составляющая кислотного дождя, которая образована атмосферным окислением диоксида серы в присутствии воды, т.е. окислением сернистой кислоты. Диоксид серы - это основной побочный продукт, образованный при сжигании содержащего серу топлива, такого как уголь или нефть.

Серная кислота образуется натуральным образом посредством окисления сульфидных минералов, таких как сульфид железа. Полученная в результате вода может быть высококислотной и называется дренажем кислых шахтных вод (ДКШВ) или дренажем кислых пород (ДКП). Эта кислотная вода способна растворять металлы, присутствующие в сульфидной породе, результатом чего становятся ярко окрашенные токсичные потоки. В окислении пирита (сульфид железа) молекулярным кислородом образуется железо (II) или Fe 2+ :

2 FeS 2 (т.в.) + 7 O 2 + 2 H 2 O → 2 Fe 2+ (в.р.) + 4 SO 4 2− (в.р.) + 4 H +

4 Fe 2+ + O 2 + 4 H + → 4 Fe 3+ + 2 H 2 O

Полученный Fe 3+ можно осадить, как гидроксид или водный оксид:

Fe 3+ (в.р.) + 3 H 2 O → Fe(OH) 3 (т.в.) + 3 H +

Ион железа (III) («трёхвалентное железо») также может окислять пирит:

FeS 2 (г.) + 14 Fe 3+ + 8 H 2 O → 15 Fe 2+ (в.р.) + 2 SO 4 2− (в.р.) + 16 H +

Когда происходит окисление пирита железом (III), процесс может ускориться. В ДКП, образованном этим процессом были измерены величины pH ниже нуля.

ДКП может также образовывать серную кислоту при меньшей скорости, таким образом, нейтрализующая способность кислоты (НСК) водоносного слоя может нейтрализовать полученную кислоту. В таких случаях концентрация общих растворенных твердых веществ (РТВ) воды может быть увеличена из раствора минералов от реакции нейтрализации кислоты с минералами.

Серная кислота используется в качестве защиты определенными морскими видами, например, бурые водоросли Desmarestia munda (порядок десмарестиевые) концентрируют серную кислоту в клеточных вакуолях.

Внеземная серная кислота

Венера

Серная кислота образуется в верхней атмосфере Венеры фотохимической реакцией на углекислый газ, диоксид серы и водяные пары. Ультрафиолетовые протоны длины волны менее 169 нм могут фотодиссоциировать углекислый газ на моноокись углерода и атомный кислород. Атомный кислород сильно реагентный. Когда он вступает в реакцию с диоксидом серы, компонент, в ничтожном количестве существующий в атмосфере Венеры, результатом становится триоксид серы, который может объединяться с водяными парами, другим незначительным компонентом атмосферы Венеры, образуя серную кислоту. В верхних более холодных слоях атмосферы Венеры, серная кислота существует в виде жидкости, а густые облака серной кислоты полностью скрывают поверхность планеты, если смотреть на нее сверху. Основной слой облаков простирается в 45-70 км выше поверхности планеты, менее густые туманы простираются ниже в 30 км и выше в 90 км над ее поверхностью. Постоянные венерианские облака образуют концентрированный кислотный дождь, как облака в атмосфере Земли образуют водяной дождь.

Атмосфера проявляет цикл серной кислоты. Когда капли дождя серной кислоты падают вниз через температурный градиент более горячих слоев атмосферы, они нагреваются и выпускают водяные пары, становясь все более и более концентрированными. Когда они достигают температуры выше 300 °C, серная кислота начинает распадаться на триоксид серы и воду, в газовой фазе. Триоксид серы сильно реагентный и разлагается на диоксид серы и атомный кислород, который окисляет следы моноокиси углерода для образования углекислого газа. Диоксид серы и водные пары поднимаются на конвективных течениях от срединных атмосферных слоев до более высоких, где они трансформируются снова в серную кислоту - цикл повторяется.

Европа

Инфракрасный спектр от миссии Галилео НАСА показывает отчетливое поглощение на луне Юпитера Европе, которое было отнесено к одному или нескольким гидратам серной кислоты. Серная кислота в растворе с водой вызывает значительное понижение температуры замерзания точки плавления воды, до −63 °C, и это сделало бы более вероятным существование жидких растворов под ледяной коркой Европы. Интерпретация спектра несколько сомнительна. Некоторые планетарные ученые предпочитают назначать спектральные свойства иону сульфата, возможно, как части одного или нескольких минералов на поверхности Европы.

Производство серной кислоты

Серная кислота образуется из серы, кислорода и воды через традиционный контактный процесс (ДКДА - двойное контактирование - двойная абсорбция ) или процесс мокрого катализа серной кислоты (МКСК).

Контактный процесс

S (г.) + O 2 (г.) → SO 2 (г.)

Он затем окисляется до триоксида серы с использованием кислорода в присутствии катализатора оксида ванадия (V). Эта реакция обратима, а формирование триоксида серы - это экзотермическая реакция.

2 SO 2 (г.) + O 2 (г.) ≡ 2 SO 3 (г.) (в присутствии V 2 O 5)

Триоксид серы поглощается 97-98% H 2 SO 4 для образования олеума (H 2 S 2 O 7), также известного, как дымящая серная кислота . Олеум затем разводится водой для формирования концентрированной серной кислоты.

H 2 SO 4 (l) + SO 3 (g)→ H 2 S 2 O 7 (l)

H 2 S 2 O 7 (l) + H 2 O (l) → 2 H 2 SO 4 (l)

Следует отметить, что напрямую растворять SO 3 в воде не практично из-за сильного экзотермического характера реакции между триоксидом серы и водой. В реакции вместо жидкости образуется коррозийный аэрозоль, который очень трудно разделить.

SO 3 (г.) + H 2 O (l) → H 2 SO 4 (l)

Процесс мокрого катализа серной кислоты

В первом этапе сера сжигается для образования диоксида серы.

S(т.в.) + O 2 (г.) → SO 2 (г.)

Или альтернативно газ сульфида водорода (H 2 S) сжигается до газа SO 2:

2 H 2 S + 3 O 2 → 2 H 2 O + 2 SO 2 (−518 кДж/моль)

Затем он окисляется до триоксида серы, используя кислород с оксидом ванадия (V) в качестве катализатора.

2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3 (−99 кДж/моль) (реакция обратима)

Триоксид серы гидратируется в серной кислоте H 2 SO 4:

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (г.) (−101 кДж/моль)

Последний этап - это конденсация серной кислоты до жидкости 97-98% H 2 SO 4:

H 2 SO 4 (г.) → H 2 SO 4 (l) (−69 кДж/моль)

Другие методы

Другой метод - это менее хорошо изученный метод метабисульфита, в котором метабисульфит помещается на дно лабораторного стакана, к нему добавляется соляная кислота в 12,6 молярной концентрации. Полученный газ пузырится через азотную кислоту, выпускающую коричневые/красные пары. Завершение реакции отмечается прекращением дымов. В этом методе не образуется неразделимый туман, что довольно удобно.

Серную кислоту можно получить в лаборатории сжиганием серы в воздухе и растворением полученного газа в растворе пероксида водорода.

SO 2 + H 2 O 2 → H 2 SO 4

До 1900 г. большая часть серной кислоты производилась в процессе в свинцовой камере. Еще в 1940 г. до 50% серной кислоты, произведенной в США, было получено посредством процесса в свинцовой камере.

С начала до середины XIX века существовали «купоросные» установки, помимо других мест, в Престонпэнс, Шотландия, Шропшире и в долине Лэген в графстве Антрим, Ирландия, где купорос использовали для отбеливания белья. Ранее белье отбеливали молоком, но это был медленный процесс, а применение купороса ускорило процесс отбеливания.

Применение серной кислоты

Серная кислота - это очень важный химический продукт и, действительно, национальное производство серной кислоты является хорошим индикатором индустриальной мощи. Мировое производство в 2004 г. составило около 180 миллионов тонн со следующим географическим распределением: Азия 35%, Северная Америка (в том числе Мексика) 24%, Африка 11%, Западная Европа 10%, Восточная Европа и Россия 10%, Австралия и Океания 7%, Южная Америка 7%. Большая часть этого объема (~60%) используется для удобрений, в частности, суперфосфатов, фосфата аммония и сульфатов аммония. Около 20% используется в химической промышленности для производства моющих средств, синтетических смол, красителей, фармацевтических препаратов, катализаторов нефти, инсектицидов и антифриза, а также в различных процессах, таких как кислотная обработка нефтяных скважин, восстановление алюминия, проклейка бумаги, обработка воды. Около 6% использования - это пигменты, в том числе краски, эмали, красящие чернила, ткань и бумага с покрытием; оставшаяся часть направлена на множество целей, например, производство взрывчатых веществ, целлофана, ацетата и вискозных тканей, смазочных средств, цветных металлов и батарей.

Промышленное производство химикатов

Серная кислота в основном применяется в «мокром методе» для получения фосфорной кислоты, используемой для производства фосфатных удобрений. В этом методе используется фосфатная порода, более 100 миллионов тонн которой обрабатывается ежегодно. Это сырье показано ниже, как фтороапатит, хотя точный состав может варьироваться. Его обрабатывают 93% серной кислотой для получения сульфата кальция, фторида водорода (HF) и фосфорной кислоты. HF удаляется, как плавиковая кислота. Весь процесс можно представить, как:

Ca 5 F(PO 4) 3 + 5 H 2 SO 4 + 10 H 2 O → 5 CaSO 4 ·2 H 2 O + HF + 3 H 3 PO 4

Сульфат аммония, важное азотное удобрение, чаще всего производится, как побочный продукт от коксовых установок, обеспечивающих заводы производства железа и стали. Реагирование аммиака, образованного в термическом распаде угля, с отходной серной кислотой позволяет аммиаку выкристаллизовываться в виде соли (часто коричневого цвета из-за загрязнения железом) для продажи в агрохимическую промышленность.

Другое важное применение серной кислоты - для производства сульфата алюминия, также известного, как квасцы производителя бумаги. Она может реагировать с малыми количествами мыла на волокнах бумажной массы, чтобы дать желатиновые карбоксилаты алюминия, которые помогают коагулировать волокна целлюлозы в твердую бумажную поверхность. Она также используется для изготовления гидроксида алюминия, который применяется на установках обработки воды для фильтрации нечистот, а также для улучшения вкуса воды. Сульфат алюминия получают путем реакции боксита с серной кислотой:

Al 2 O 3 + 3 H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4) 3 + 3 H 2 O

Серная кислота также важна в производстве растворов красителей.

Цикл сера-йод

Цикл сера-йод - это ряд термохимических процессов, используемых для получения водорода. Он состоит из трех химических реакций, сетевым реагентом которых является вода и сетевыми продуктами - водород и кислород.

Соединения серы и йода восстанавливаются и повторно используются, поэтому процесс рассматривается, как цикл. Этот эндотермический процесс должен происходить при высоких температурах, поэтому должна поставляться энергия в виде тепла.

Цикл сера-йод предложен, как способ поставки водорода, для экономики, основанной на водороде. Он не требует углеводородов, как современные методы парового реформинга. Но следует отметить, что вся доступная энергия в водороде, образованная таким образом, обеспечивается теплом, использованным для его производства.

Цикл сера-йод в настоящий момент исследуется, как возможный метод получения водорода, но концентрированная коррозийная кислота при высоких температурах представляет пока непреодолимую угрозу безопасности, если процесс выстраивался в крупном масштабе.

Промышленное средство очищения

Серная кислота используется в большом количестве в черной металлургии и в производстве стали для удаления окисления, коррозии и окалины из прокатанного листа и заготовок перед продажей для применения в автомобильной промышленности и в производстве важных приборов. Использованная кислота часто повторно перерабатывается с использованием установки регенерации отработанной кислоты (РОК). Эти установки сжигают отработанную кислоту с природным газом, нефтезаводским газом, нефтяным топливом или другими источниками топлива. В этом процессе сгорания образуется газообразный диоксид серы (SO 2) и триоксид серы (SO 3), которые затем используются для производства «новой» серной кислоты. Установки РОК - это обычные включения на установках плавления металлов, нефтеочистительных заводах и в другой промышленности, где серная кислота потребляется в большом количестве, так как установка РОК гораздо дешевле повторных расходов на утилизацию истощенной кислоты и покупку новой кислоты.

Катализатор

Серная кислота используется для разнообразных целей в химической промышленности. Например, это обычный кислотный катализатор для превращения оксима циклогексанона в капролактам, использующийся для производства нейлона. Она используется для производства соляной кислоты из соли через процесс Мангейма. H 2 SO 4 в значительной степени применяется в очистке нефти, например, как катализатор для реакции изобутана с изобутиленом для образования изооктана, соединения, повышающего октановое число бензина.

Электролит

Серная кислота выступает, как катализатор в свинцово-кислотных (автомобильных) батареях (свинцово-кислотный аккумулятор):

На аноде:

Pb + SO 4 2- ⇌ PbSO 4 + 2 e -

На катоде:

PbO 2 + 4 H + + SO 4 2- + 2 e - ⇌ PbSO 4 + 2 H 2 O

Pb + PbO 2 + 4 H + + 2 SO 4 2- ⇌ 2 PbSO 4 + 2 H 2 O

Применение в быту

Концентрированная серная кислота зачастую является основным ингредиентом кислотных очистителей водосточных труб, которые используются для удаления жира, волос, оберточной бумаги и т.д. Аналогично щелочным вариантам, такие очистители труб могут растворять жиры и протеины через гидролиз. Более того, так как концентрированная серная кислота обладает сильным дегидрирующим свойством, она может растворять оберточную бумагу также через процесс дегидратации. Так как кислота может энергично вступать в реакцию с водой, такие кислотные очистители труб должны добавляться в трубу для очистки медленно.

Здоровье

Серная кислота и сульфированные фенольные смолы - это основные ингредиенты дебактерола, жидкого топического вещества, используемого в обработке рецидивирующего афтозного стоматита (гангренозные язвы) или для любых процедур в полости рта, которые требуют контролируемой фокусной санации некротических тканей.

Безопасность серной кислоты

Лабораторная опасность

Серная кислота опасно коррозийна и может вызывать тяжелые ожоги. Вместе с другими коррозийными сильными кислотами и сильными щелочами, она приводит к химическому ожогу, так как она быстро разлагает белки и жиры в живых тканях через гидролиз амидов и гидролиз сложных эфиров. Кроме того, она также проявляет свойство дегидратации, которое дегидрирует углеводороды, выделяя избыточное тепло и приводя к вторичному термическому ожогу, дополнительно к химическому ожогу. Из-за этого повреждение, вызванное серной кислотой, потенциально более опасно или серьезно, чем повреждение, вызванное многими другими сопоставимыми сильными кислотами, обнаруживаемыми в лабораториях, таких как серная кислота и азотная кислота. Она быстро атакует роговицу при попадании в глаза, приводя к постоянной слепоте. Более того, она может вызвать необратимое разрушение внутренних органов и может быть смертельной при проглатывании. При перевозке серной кислоты следует всегда использовать защитное оборудование. Кроме того, это сильное окисляющее вещество в высокой концентрации разъедает многие металлы, его следует хранить с осторожностью.

Опасность выше с более концентрированными препаратами серной кислоты. Растворы , равные или сильнее 1,5 М, помечаются ярлыком «Коррозийный», в то время как растворы выше 0,5 М, но меньше 1,5 М, помечаются ярлыком «Раздражающий». Однако даже нормальная лабораторная «разжиженная» степень (приблизительно 1 М, 10%) обугливает бумагу дегидратацией, если оставить в контакте на достаточный период времени.

Стандартным средством первой помощи для разлива кислоты на коже, как и для других коррозирующих веществ, является промывание обильным количеством воды. Промывание продолжается, по крайней мере, в течение десяти-пятнадцати минут для охлаждения тканей, окружающих кислотный ожог, и для предотвращения вторичного повреждения. Загрязненная одежда немедленно снимается, кожа под ней тщательно промывается.

Препарат разжиженной кислоты также может быть опасным из-за тепла, выделенного в процессе разжижения. Концентрированная серная кислота всегда добавляется в воду, а не наоборот, чтобы воспользоваться преимуществом относительно высокой теплоемкости воды. Добавление воды в концентрированную серную кислоту приводит к рассеиванию аэрозолей серной кислоты или, еще хуже, к взрыву. Приготовление растворов больше 6 M (35%) в концентрации наиболее опасно, так как образуемого тепла может быть достаточно для кипения разжиженной кислоты: необходимо эффективное механическое перемешивание и внешнее охлаждение (например, ледяная ванна).

В лабораторном масштабе серную кислоту можно растворить путем выливания концентрированной кислоты на дробленый лед из деионизированной воды. Лед плавится в эндотермическом процессе, растворяя в то же время кислоту. Объем тепла, необходимый для плавления льда в этом процессе, больше объема тепла, выделенного путем растворения кислоты, поэтому раствор остается холодным. После того как лед расплавился, дальнейшее разжижение может произойти с использованием воды.

Чистая серная кислота должна надежно храниться в стеклянных сосудах или бутылях.

Промышленная опасность

Хотя серная кислота не воспламеняется, контакт с металлами в случае разлива может привести к высвобождению газа водорода. Рассеивание кислотных аэрозолей и газообразного диоксида серы - это дополнительная угроза пожара с вовлечением серной кислоты.

Основной профессиональный риск, представленный этой кислотой - это контакт с кожей, ведущий к ожогам (см. выше), и вдыхание аэрозолей. Воздействие аэрозолей в высоких концентрациях ведет к немедленному и тяжелому раздражению глаз, дыхательных путей и слизистых оболочек: это быстро прекращается после воздействия, хотя имеется риск последующего отека легких, если повреждение тканей было более серьезным. В меньших концентрациях чаще всего упоминаемым симптомом хронического воздействия аэрозолей серной кислоты является разрушение зубов, обнаруженное практически во всех исследованиях: признаки возможного хронического повреждения дыхательных путей неубедительны, по данным 1997 г. В США допустимый предел воздействия (PEL) для серной кислоты зафиксирован на 1 мг/м 3: пределы в других странах аналогичны. Имеются сообщения о поглощении серной кислоты, которое ведет к дефициту витамина В12 с подострой комбинированной дегенерацией. В таких случаях чаще всего страдает спинной мозг , но в оптических нервах может обнаружиться демиелинизация, потеря аксонов и глиоз.

Юридические ограничения

Международные продажи серной кислоты контролируются Конвенцией ООН против незаконного оборота наркотических средств и психотропных веществ от 1988 г., которая включила серу в список Таблицы II Конвенции, как химикат, часто используемый в незаконном производстве наркотических средств и психотропных веществ.

В США серная кислота включена в Список II перечня основных или исходных химикатов, установленного в соответствии с Актом о химической диверсии и обороте запрещенных товаров. Следовательно, сделки с серной кислотой, такие как продажи, перемещения, экспорт из США и импорт в США, подлежат регулированию и мониторингу Управлением по борьбе с наркотиками США.

Разбавленная и концентрированная серная кислота - это настолько важные химические продукты, что в мире их вырабатывается больше, чем любых других веществ. Экономическое богатство страны может быть оценено по объему производимой в ней серной кислоты.

Процесс диссоциации

Серная кислота находит применение в виде водных растворов различной концентрации. Она подвергается реакции диссоциации в два этапа, производя H + -ионы в растворе.

H 2 SO 4 = H + + HSO 4 - ;

HSO 4 - = H + + SO 4 -2 .

Серная кислота является сильной, и первый этап ее диссоциации происходит настолько интенсивно, что практически все исходные молекулы распадаются на H + -ионы и HSO 4 -1 -ионы (гидросульфата) в растворе. Последние частично распадаются дальше, выделяя другой H + -ион и оставляя сульфат-ион (SO 4 -2) в растворе. Однако гидросульфат, будучи слабой кислотой, все же превалирует в растворе над H + и SO 4 -2 . Полная диссоциация его происходит только, когда плотность раствора серной кислоты приближается к т. е при сильном разбавлении.

Свойства серной кислоты

Она является особенной в том смысле, что может действовать как обычная кислота или как сильный окислитель - в зависимости от ее температуры и концентрации. Холодный разбавленный раствор серной кислоты реагирует с активными металлами с получением соли (сульфата) и выделением газа водорода. Например, реакция между холодной разбавленной Н 2 SO 4 (в предположении ее полной двухэтапной диссоциации) и металлическим цинком выглядит так:

Zn + Н 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

Горячая серная кислота концентрированная, плотность которой около 1,8 г/см 3 , может действовать в качестве окислителя, реагируя с материалами, которые обычно инертны к кислотам, такими, например, как металлическая медь. В процессе реакции медь окисляется, а масса кислоты уменьшается, образуется раствор (II) в воде и газообразная двуокись серы (SO 2) вместо водорода, чего можно было бы ожидать при взаимодействии кислоты с металлом.

Cu + 2Н 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

Как вообще выражается концентрация растворов

Собственно, концентрация любого раствора может быть выражена различными способами, но наиболее широко используется весовая концентрация. Она показывает количество граммов в определенной массе или объеме раствора или растворителя (обычно 1000 г, 1000 см 3 , 100 см 3 и 1 дм 3). Вместо массы вещества в граммах можно брать его количество, выраженное в молях, - тогда получается молярная концентрация на 1000 г или 1 дм 3 раствора.

Если молярная концентрация определена по отношению не к количеству раствора, а только к растворителю, то она носит название моляльности раствора. Для нее характерна независимость от температуры.

Зачастую весовую концентрацию указывают в граммах на 100 г растворителя. Умножая этот показатель на 100 %, получают ее в весовых процентах (процентная концентрация). Именно этот способ является наиболее часто употребляемым в применении к растворам серной кислоты.

Каждой величине концентрации раствора, определенной при данной температуре, соответствует вполне конкретная его плотность (например, плотность раствора серной кислоты). Поэтому иногда раствор характеризуют именно ею. Например, раствор Н 2 SO 4 , характеризующийся процентной концентрацией 95,72 %, имеет плотность 1,835 г/см 3 при t = 20 °С. Как же определить концентрацию такого раствора, если дана только плотность серной кислоты? Таблица, дающая такое соответствие, является неотъемлемой принадлежностью любого учебника по общей или аналитической химии.

Пример пересчета концентрации

Попробуем перейти от одного способа выражения концентрации раствора к другому. Предположим, что мы имеем раствор Н 2 SO 4 в воде с процентной концентрацией 60 %. Сначала определим соответствующую плотность серной кислоты. Таблица, содержащая процентные концентрации (первый столбец) и соответствующие им плотности водного раствора Н 2 SO 4 (четвертый столбец), приведена ниже.

По ней определяем искомую величину, которая равна 1,4987 г/см 3 . Вычислим теперь молярность данного раствора. Для этого необходимо определить массу Н 2 SO 4 в 1 л раствора и соответствующее ей число молей кислоты.

Объем, который занимают 100 г исходного раствора:

100 / 1,4987 = 66,7 мл.

Так как в 66,7 миллилитрах 60%-ного раствора содержится 60 г кислоты, то в 1 л ее будет содержаться:

(60 / 66,7) х 1000 = 899, 55 г.

Молярный вес серной кислоты равен 98. Отсюда число молей, содержащихся в 899,55 г ее граммах, будет равно:

899,55 / 98 = 9,18 моль.

Зависимость плотности от концентрации приведена на рис. ниже.

Использование серной кислоты

Она применяется в различных отраслях промышленности. В производстве чугуна и стали она используется для очистки поверхности металла, прежде чем он покрывается другим веществом, участвует в создании синтетических красителей, а также других типов кислот, таких как соляная и азотная. Она также применяется в производстве фармпрепаратов, удобрений и взрывчатых веществ, а еще является важным реагентом при удалении примесей из нефти в нефтеперерабатывающей промышленности.

Это химическое вещество является невероятно полезным и в быту, и легко доступно как раствор серной кислоты, используемый в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (например, тех, что стоят в автомобилях). Такая кислота, как правило, имеет концентрацию примерно от 30% до 35% H 2 SO 4 по весу, остальное - вода.

Для многих бытовых приложений 30% Н 2 SO 4 будет более чем достаточно, чтобы удовлетворить свои потребности. Однако в промышленности требуется и значительно более высокая концентрация серной кислоты. Обычно в процессе производства она сначала получается достаточно разбавленной и загрязненной органическими включениями. Концентрированную кислоту получают в два этапа: сначала ее доводят до 70 %, а затем - на втором этапе - поднимают до 96-98 %, что является предельным показателем для экономически рентабельного производства.

Плотность серной кислоты и ее сорта

Хотя почти 99%-ную серную кислоту можно получить кратковременно при кипении, но последующая потеря SO 3 в точке кипения приводит к снижению концентрации до 98,3%. Вообще, разновидность с показателем 98% более устойчива в хранении.

Товарные сорта кислоты различаются по ее процентной концентрации, причем для них выбраны те ее значения, при которых минимальны температуры кристаллизации. Это сделано для уменьшения выпадения кристаллов серной кислоты в осадок при транспортировке и хранении. Основные сорта таковы:

• Башенная (нитрозная) - 75 %. Плотность серной кислоты этого сорта равна 1670 кг/м 3 . Получают его т.наз. нитрозным методом, при котором получаемый при обжиге первичного сырья обжиговый газ, содержащий двуокись серы SO 2 , в футерованных башнях (отсюда и название сорта) обрабатывают нитрозой (это тоже H 2 SO 4 , но с растворенными в ней оксидами азота). В результате выделяются кислота и оксиды азота, которые не расходуются в процессе, а возвращаются в производственный цикл.
• Контактная - 92,5-98,0 %. Плотность серной кислоты 98%-ной этого сорта равна 1836,5 кг/м 3 . Получают ее также из обжигового газа, содержащего SO 2 , причем процесс включает окисление двуокиси до ангидрида SO 3 при ее контакте (отсюда и название сорта) с несколькими слоями твердого ванадиевого катализатора.
• Олеум - 104,5 %. Плотность его равна 1896,8 кг/м 3 . Это раствор SO 3 в H 2 SO 4 , в котором первого компонента содержится 20 %, а кислоты - именно 104,5 %.
• Высокопроцентный олеум - 114,6 % . Его плотность - 2002 кг/м 3 .
• Аккумуляторная - 92-94 %.

Как устроен автомобильный аккумулятор

Работа этого одного из самых массовых электротехнических устройств полностью основана на электрохимических процессах, происходящих в присутствии водного раствора серной кислоты.

Автомобильный аккумулятор содержит разбавленный серно-кислотный электролит, а также положительный и отрицательный электроды в виде нескольких пластин. Положительные пластины выполнены из красновато-коричневого материала - диоксида свинца (PbO 2), а отрицательные - из сероватого «губчатого» свинца (Pb).

Поскольку электроды изготовлены из свинца или свинцовосодержащего материала, то этот тип батареи часто называют Работоспособность его, т. е. величина выходного напряжения, напрямую определяется тем, какова в данный момент времени плотность серной кислоты (кг/м3 или г/см 3), залитой в аккумулятор в качестве электролита.

Что происходит с электролитом при разряде аккумулятора

Электролит свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой раствор аккумуляторной серной кислоты в химически чистой дистиллированной воде с процентной концентрацией по 30 % при полной зарядке. Чистая кислота имеет плотность 1,835 г/см 3 , электролит - около 1,300 г/см 3 . Когда аккумулятор разряжается, в нем происходят электрохимические реакции, в результате которых из электролита отбирается серная кислота. Плотность от концентрации раствора зависит практически пропорционально, поэтому она должна уменьшаться вследствие снижения концентрации электролита.

До тех пор, пока ток разряда протекает через аккумулятор, кислота вблизи его электродов активно используется, и электролит становится все более разбавленным. Диффузия кислоты из объема всего электролита и к электродным пластинам поддерживает примерно постоянную интенсивность химических реакций и, как следствие, выходное напряжение.

В начале процесса разряда диффузия кислоты из электролита в пластины происходит быстро потому, что образующийся при этом сульфат еще не забил поры в активном материале электродов. Когда сульфат начинает формироваться и заполнять поры электродов, диффузия происходит более медленно.

Теоретически можно продолжить разряд до тех пор, пока все кислота не будет использована, и электролит будет состоять из чистой воды. Однако опыт показывает, что разряды не должны продолжаться после того, как плотность электролита упала до 1,150 г/см 3 .

Когда плотность падает от 1,300 до 1,150, это означает, что столько сульфата было сформировано в процессе реакций, и он заполняет все поры в активных материалах на пластинах, т. е. из раствора уже отобрана почти вся серная кислота. Плотность от концентрации зависит пропорционально, и точно так же от плотности зависит заряд аккумулятора. На рис. ниже показана зависимость заряда аккумулятора от плотности электролита.

Изменение плотности электролита является лучшим средством определения состояния разряда аккумулятора, при условии, что он используется надлежащим образом.

Степени разряда автомобильного аккумулятора в зависимости от плотности электролита

Плотность его должна измеряться каждые две недели и постоянно должна вестись запись показаний для использования в будущем.

Чем плотнее электролит, тем больше кислоты он содержит, и тем более заряжен аккумулятор. Плотность в 1,300-1,280 г/см 3 указывает на полный заряд. Как правило, различаются следующие степени разряда аккумулятора в зависимости от плотности электролита:

• 1,300-1,280 - полностью заряжен:
• 1,280-1,200 - более чем наполовину разряжен;
• 1,200-1,150 - заряжен менее чем наполовину;
• 1,150 - практически разряжен.

У полностью заряженного аккумулятора перед подключением его автомобильной сети напряжение каждой ячейки составляет от 2,5 до 2,7 В. Как только подключается нагрузка, напряжение быстро падает примерно до 2,1 В в течение трех или четырех минут. Это происходит из-за формирования тонкого слоя сульфата свинца на поверхности отрицательных электродных пластин и между слоем перекиси свинца и металлом положительных пластин. Окончательное значение напряжения ячейки после подключения к автомобильной сети составляет около 2,15-2,18 вольт.

Когда ток начинает протекать через аккумулятор в течение первого часа работы, происходит падение напряжения до 2 В, объясняемое ростом внутреннего сопротивления ячеек из-за формирования большего количества сульфата, который заполняет поры пластин, и отбора кислоты из электролита. Незадолго до начала протекания электролита максимальна и равна 1,300 г/см 3 . Поначалу его разрежение происходит быстро, но затем устанавливается сбалансированное состояние между плотностью кислоты вблизи пластин и в основном объеме электролита, отбор кислоты электродами поддерживается поступлением новых частей кислоты от основной части электролита. При этом средняя плотность электролита продолжает неуклонно уменьшаться по зависимости, показанной на рис. выше. После первоначального падения напряжение уменьшается более медленно, скорость его снижения зависит от нагрузки аккумулятора. Временной график процесса разряда показан на рис. ниже.

Контроль состояния электролита в аккумуляторе

Для определения плотности используется ареометр. Он состоит из небольшой запаянной стеклянной трубки с расширением на нижнем конце, заполненным дробью или ртутью, и градуированной шкалой на верхнем конце. Эта шкала помечена от 1,100 до 1,300 с различными промежуточными значениями, как показано на рис. ниже. Если этот ареометр помещается в электролит, то он будет опускаться до определенной глубины. При этом он будет вытеснять определенный объем электролита, и когда будет достигнуто равновесное положение, вес вытесненного объема просто будет равен весу ареометра. Поскольку плотность электролита равна отношению его веса к объему, а вес ареометра известен, то каждый уровень его погружения в раствор соответствует определенной его плотности.

Некоторые ареометры не имеют шкалы со значениями плотности, но помечены надписями: «Заряжен», «Половинный разряд», «Полный разряд» или им подобными.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Безводная серная кислота представляет собой тяжелую, вязкую жидкость, которая легко смешивается с водой в любой пропорции: взаимодействие характеризуется исключительно большим экзотермическим эффектом (~880 кДж/моль при бесконечном разбавлении) и может привести к взрывному вскипанию и разбрызгиванию смеси, если воду добавлять к кислоте; поэтому так важно всегда использовать обратный порядок в приготовлении растворов и добавлять кислоту в воду, медленно и при перемешивании.

Некоторые физические свойства серной кислоты приведены в таблице.

Безводная H 2 SO 4 — замечательное соединение с необычно высокой диэлектрической проницаемостью и очень высокой электропроводностью, которая обусловлена ионной автодиссоциацией (автопротолизом) соединения, а также эстафетным механизмом проводимости с переносом протона, обеспечивающим протекание электрического тока через вязкую жидкость с большим числом водородных связей.

Таблица 1. Физические свойства серной кислоты.

Получение серной кислоты

Серная кислота — самый важный промышленный химикат и самая дешевая из производимых в большом объеме кислот влюбой стране мира.

Концентрированную серную кислоту («купоросное масло») сначала получали нагреванием «зеленого купороса» FeSO 4 ×nH 2 O и расходовали в большом количестве на получение Na 2 SO 4 и NaCl.

В современном процессе получения серной кислоты используется катализатор, состоящий из оксида ванадия(V) с добавкой сульфата калия на носителе из диоксида кремния или кизельгура. Диоксид серы SO 2 получают сжиганием чистойсеры или при обжиге сульфидной руды (прежде всего пирита или руд Си, Ni и Zn) в процессе извлечения этихметаллов.Затем SO 2 окисляют до триоксида, а потом путем растворения в воде получают серную кислоту:

S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 — 297 кДж/моль);

SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 — 9,8 кДж/моль);

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 — 130 кДж/моль).

Химические свойства серной кислоты

Серная кислота - сильная двухосновная кислота. По первой ступени в растворах невысокой концентрации она диссоциирует практически нацело:

H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 — .

Диссоциация по второй ступени

HSO 4 — ↔H + + SO 4 2-

протекает в меньшей степени. Константа диссоциации серной кислоты по второй ступени, выраженная через активности ионов, K 2 = 10 -2 .

Как кислота двухосновная, серная кислота образует два ряда солей: средние и кислые. Средние соли серной кислоты называются сульфатами, а кислые - гидросульфатами.

Серная кислота жадно поглощает пары воды и поэтому часто применяется для осушения газов. Способностью поглощать воду объясняется и обугливание многих органических веществ, особенно относящихся к классу углеводов (клетчатка, сахар и т.д.), при действии на них концентрированной серной кислоты. Серная кислота отнимает от углеводов водород и кислород, которые образуют воду, а углерод выделяется в виде угля.

Концентрированная серная кислота, особенно горячая, — энергичный окислитель. Она окисляет HI и HBr (но не HCl) до свободных галогенов, уголь - до CO 2 , серу - до SO 2 . Указанные реакции выражаются уравнениями:

8HI + H 2 SO 4 = 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;

2HBr + H 2 SO 4 = Br 2 + SO 2 + 2H 2 O;

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O.

Взаимодействие серной кислоты с металлами протекает различно в зависимости от её концентрации. Разбавленная серная кислота окисляет своим ионом водорода. Поэтому она взаимодействует только с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений только до водорода, например:

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

Однако свинец не растворяется в разбавленной кислоте, поскольку образующаяся соль PbSO 4 нерастворима.

Концентрированная серная кислота является окислителем за счет серы (VI). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно. Продукты её восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла и от условий (концентрация кислоты, температура). При взаимодействии с малоактивными металлами, например с медью, кислота восстанавливается до SO 2:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как диоксид, так и свободная сера и сероводород. Например, при взаимодействии с цинком могут протекать реакции:

Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;

3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;

4Zn + 5H 2 SO 4 = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

Применение серной кислоты

Применение серной кислоты меняется от страны к стране и от десятилетия к десятилетию. Так, например в США в настоящее время главная область потребления H 2 SO 4 — производство удобрений (70%), за ним следуют химическое производство, металлургия, очистка нефти (~5% в каждой области). В Великобритании распределение потребления по отраслям иное: только 30% производимой H 2 SO 4 используется в производстве удобрений, зато 18% идет на краски, пигменты и полупродукты производства красителей, 16% на химическое производство, 12% на получение мыла и моющих средств, 10% на производство натуральных и искусственных волокон и 2,5% применяется в металлургии.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

В концентрированной серной кислоте окислителем является не катион водорода, а более сильный окислитель – сульфат-ион, который в разбавленной серной кислоте не проявляет себя как окислитель из-за сильной гидратации, и, как следствие – малоподвижности.

Н 2 SO 4 (конц.) окисляет все металлы в ряду стандартных электродных потенциалов до серебра включительно.

S 6+ (SO 4 2-) + ne  S 2- (H 2 S), S o (S), S 4+ (SO 2)

Этим процессам восстановления серной кислоты соответствуют следующие ионно-электронные равновесные полуреакции:

SO 4 2- + 4H + +2e ↔ SO 2 + 2H 2 O E o = +0,17B

SO 4 2- + 10H + +8e ↔ H 2 S + 4H 2 O E o = +0,31B

SO 4 2- + 8H + +6e ↔ S + 4H 2 O E o = +0,36B

Пользоваться данными значениями ОВПОТ некорректно, т.к. концентрация серной кислоты значительно превышает 1моль/л

Cхематично реакции окисления металлов в конц. Н 2 SO 4 можно записать в виде:

Ме + Н 2 SO 4 (конц.) = Ме х (SO 4) y + Н 2 О + (H 2 S, S, SO 2)

H 2 S и S выделяются в случае активных металлов до цинка включительно (Е о ме  Е о Zn ).

SO 2 выделяется при взаимодействии металлов, стоящие в таблице СЭП, ниже цинка (Е о ме  Е о Zn ).

Необходимо помнить, что при изменении условий реакция для одного и того же металла можно получить разные продукты, так что предложенная схема является до некоторой степени условной. Например, при длительном нагревании взаимодействие алюминия с конц. серной кислотой может идти до образования не только серы, но и сероводорода:

Al + Н 2 SO 4 (конц.) = Al 2 (SO 4) 3 + Н 2 О + S

Al + Н 2 SO 4 (конц.) = Al 2 (SO 4) 3 + Н 2 О + H 2 S

Со щелочными металлами серная кислота конц. и разб. взаимодействует одинаково по реакции: Na + Н 2 SO 4 (разб.,конц.) = Na 2 SO 4 + Н 2 О + H 2 S

Существуют особенности взаимодействия свинца с серной кислотой - образуется кислая растворимая соль – гидросульфат свинца:

Pb + 3H 2 SO 4 (конц.) = Pb(HSO 4) 2 + 2Н 2 О + SО 2

К каждой реакции необходимо составить уравнения ионно-электронного баланса и расставить коэффициенты. Концентрированная серная кислота - сильный окислитель, и окисляет металлы, стоящие в таблице СЭПОТ до серебра включительно

Следует иметь в виду, что металлы, проявляющие разные степени окисления, в случае кислот, в которых окислителем является катион водорода, окисляются до низших степеней окисления, а в конц. Н 2 SO 4 – до высших. Например, железо:

Fe + Н 2 SO 4 (разб.) = FeSO 4 + H 2

2Fe +6Н 2 SO 4 (конц.) = Fe 2 (SO 4) 3 +6Н 2 О + 3SО 2 (при нагревании)

Вторая реакция идет только при нагревании. В холодной конц. Н 2 SO 4 железо, а также алюминий, хром, марганец - пассивируются. Реакцию пассивации можно написать следующим образом:

2Fe + 3Н 2 SO 4 (конц.) = Fe 2 O 3 + 3Н 2 О +3SО 2 (на холоду)

Взаимодействие концентрированной серной с неметаллами-восстановителями.

Под понятием «неметаллы-восстановители» подразумевают не только атомы неметаллов, но и их ионы, например галогенид-ионы, которые в разной степени проявляют восстановительные свойства. В зависимости от силы восстановителя (значения ОВПОТ системы) серная кислота может восстанавливаться до диоксида серы или сероводорода (в случае такого сильного восстановителя, как ион иода).

Например:

3S +2Н 2 SO 4 = 3SО 2 + 2Н 2 О

C +2Н 2 SO 4 = 2SО 2 + CO 2 + 2Н 2 О

HCl + Н 2 SO 4  реакция не идет, т.к. хлорид-ион –слабый восстановитель

HBr + Н 2 SO 4 = Br 2 + SО 2 + Н 2 О

HI + Н 2 SO 4 = I 2 + H 2 S + H 2 O

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ

Чаще всего в химической практике используются такие сильные кислоты как серная H 2 SO 4 , соляная HCl и азотная HNO 3 . Далее рассмотрим отношение различных металлов к перечисленным кислотам.

Соляная кислота ( HCl )

Соляная кислота – это техническое название хлороводородной кислоты. Получают ее путем растворения в воде газообразного хлороводорода – HCl . Ввиду невысокой его растворимости в воде, концентрация соляной кислоты при обычных условиях не превышает 38%. Поэтому независимо от концентрации соляной кислоты процесс диссоциации ее молекул в водном растворе протекает активно:

HCl H + + Cl -

Образующиеся в этом процессе ионы водорода H + выполняют роль окислителя , окисляя металлы, расположенные в ряду активности левее водорода . Взаимодействие протекает по схеме:

Me + HCl соль + H 2

При этом соль представляет собой хлорид металла (NiCl 2 , CaCl 2 , AlCl 3 ), в котором число хлорид-ионов соответствует степени окисления металла.

Соляная кислота является слабым окислителем, поэтому металлы с переменной валентностью окисляются ей до низших положительных степеней окисления :

Fe 0 → Fe 2+

Co 0 → Co 2+

Ni 0 → Ni 2+

Cr 0 → Cr 2+

Mn 0 → Mn 2+ и др .

Пример:

2 Al + 6 HCl → 2 AlCl 3 + 3 H 2

2│ Al 0 – 3 e - → Al 3+ - окисление

3│2 H + + 2 e - → H 2 – восстановление

Соляная кислота пассивирует свинец ( Pb ). Пассивация свинца обусловлена образованием на его поверхности трудно растворимого в воде хлорида свинца (II ), который защищает металл от дальнейшего воздействия кислоты:

Pb + 2 HCl → PbCl 2 ↓ + H 2

Серная кислота ( H 2 SO 4 )

В промышленности получают серную кислоту очень высокой концентрации (до 98%). Следует учитывать различие окислительных свойств разбавленного раствора и концентрированной серной кислоты по отношению к металлам.

Разбавленная серная кислота

В разбавленном водном растворе серной кислоты большинство ее молекул диссоциируют:

H 2 SO 4 H + + HSO 4 -

HSO 4 - H + + SO 4 2-

Образующиеся ионы Н + выполняют функцию окислителя .

Как и соляная кислота, разбавленный раствор серной кислоты взаимодействует только с металлами активными и средней активности (расположенными в ряду активности до водорода).

Химическая реакция протекает по схеме:

Ме + H 2 SO 4( разб .) → соль + H 2

Пример :

2 Al + 3 H 2 SO 4( разб .) → Al 2 (SO 4) 3 + 3 H 2

1│2Al 0 – 6e - → 2Al 3+ - окисление

3│2 H + + 2 e - → H 2 – восстановление

Металлы с переменной валентностью окисляются разбавленным раствором серной кислоты до низших положительных степеней окисления :

Fe 0 → Fe 2+

Co 0 → Co 2+

Ni 0 → Ni 2+

Cr 0 → Cr 2+

Mn 0 → Mn 2+ и др .

Свинец ( Pb ) не растворяется в серной кислоте (если ее концентрация ниже 80%) , так как образующаяся соль PbSO 4 нерастворима и создает на поверхности металла защитную пленку.

Концентрированная серная кислота

В концентрированном растворе серной кислоты (выше 68%) большинство молекул находятся в недиссоциированном состоянии, поэтому функцию окислителя выполняет сера , находящаяся в высшей степени окисления (S +6 ). Концентрированная H 2 SO 4 окисляет все металлы, стандартный электродный потенциал которых меньше потенциала окислителя – сульфат-иона SO 4 2- (0,36 В). В связи с этим, с концентрированной серной кислотой реагируют и некоторые малоактивные металлы .

Процесс взаимодействия металлов с концентрированной серной кислотой в большинстве случаев протекает по схеме:

Me + H 2 SO 4 (конц.) соль + вода + продукт восстановления H 2 SO 4

Продуктами восстановления серной кислоты могут быть следующие соединения серы:

Практика показала, что при взаимодействии металла с концентрированной серной кислотой выделяется смесь продуктов восстановления, состоящая из H 2 S , S и SO 2. Однако, один из этих продуктов образуется в преобладающем количестве. Природа основного продукта определяется активностью металла : чем выше активность, тем глубже процесс восстановления серы в серной кислоте.

Взаимодействие металлов различной активности с концентрированной серной кислотой можно представить схемой:

Алюминий (Al ) и железо (Fe ) не реагируют с холодной концентрированной H 2 SO 4 , покрываясь плотными оксидными пленками, однако при нагревании реакция протекает.

Ag , Au , Ru , Os , Rh , Ir , Pt не реагируют с серной кислотой.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем , поэтому при взаимодействии с ней металлов, обладающих переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней окисления , чем в случае с разбавленным раствором кислоты:

Fe 0 → Fe 3+ ,

Cr 0 → Cr 3+ ,

Mn 0 → Mn 4+ ,

Sn 0 → Sn 4+

Свинец ( Pb ) окисляется до двухвалентного состояния с образованием растворимого гидросульфата свинца Pb ( HSO 4 ) 2 .

Примеры:

Активный металл

8 A1 + 15 H 2 SO 4( конц .) →4A1 2 (SO 4) 3 + 12H 2 O + 3H 2 S

4│2 Al 0 – 6 e - → 2 Al 3+ - окисление

3│ S 6+ + 8 e → S 2- – восстановление

Металл средней активности

2 Cr + 4 H 2 SO 4(конц.) → Cr 2 (SO 4) 3 + 4 H 2 O + S

1│ 2Cr 0 – 6e →2Cr 3+ - окисление

1│ S 6+ + 6 e → S 0 - восстановление

Металл малоактивный

2Bi + 6H 2 SO 4( конц .) → Bi 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O + 3SO 2

1│ 2Bi 0 – 6e → 2Bi 3+ – окисление

3│ S 6+ + 2 e → S 4+ - восстановление

Азотная кислота ( HNO 3 )

Особенностью азотной кислоты является то, что азот, входящий в состав NO 3 - имеет высшую степень окисления +5 и поэтому обладает сильными окислительными свойствами. Максимальное значение электродного потенциала для нитрат-иона равно 0,96 В, поэтому азотная кислота – более сильный окислитель, чем серная. Роль окислителя в реакциях взаимодействия металлов с азотной кислотой выполняет N 5+ . Следовательно, водород H 2 никогда не выделяется при взаимодействии металлов с азотной кислотой (независимо от концентрации ). Процесс протекает по схеме:

Me + HNO 3 соль + вода + продукт восстановления HNO 3

Продукты восстановления HNO 3 :

Обычно при взаимодействии азотной кислоты с металлом образуется смесь продуктов восстановления, но как правило, один из них является преобладающим. Какой из продуктов будет основным, зависит от концентрации кислоты и активности металла.

Концентрированная азотная кислота

Концентрированным считают раствор кислоты плотностью ρ > 1,25 кг/м 3 , что соответствует
концентрации > 40%. Независимо от активности металла реакция взаимодействия с HNO 3 (конц.) протекает по схеме:

Me + HNO 3 (конц.) → соль + вода + NO 2

С концентрированной азотной кислотой не взаимодействуют благородные металлы (Au , Ru , Os , Rh , Ir , Pt ), а ряд металлов (Al , Ti , Cr , Fe , Co , Ni ) при низкой температуре пассивируются концентрированной азотной кислотой. Реакция возможна при повышении температуры, она протекает по схеме, представленной выше.

Примеры

Активный металл

Al + 6 HNO 3( конц .) → Al (NO 3 ) 3 + 3 H 2 O + 3 NO 2

1│ Al 0 – 3 e → Al 3+ - окисление

3│ N 5+ + e → N 4+ - восстановление

Металл средней активности

Fe + 6 HNO 3(конц.) → Fe(NO 3) 3 + 3H 2 O + 3NO

1│ Fe 0 – 3e → Fe 3+ - окисление

3│ N 5+ + e → N 4+ - восстановление

Металл малоактивный

Ag + 2HNO 3( конц .) → AgNO 3 + H 2 O + NO 2

1│ Ag 0 – e → Ag + - окисление

1│ N 5+ + e → N 4+ - восстановление

Разбавленная азотная кислота

Продукт восстановления азотной кислоты в разбавленном растворе зависит от активности металла , участвующего в реакции:

Примеры:

Активный металл

8 Al + 30 HNO 3(разб.) → 8Al(NO 3) 3 + 9H 2 O + 3NH 4 NO 3

8│ Al 0 – 3e → Al 3+ - окисление

3│ N 5+ + 8 e → N 3- - восстановление

Выделяющийся в процессе восстановления азотной кислоты аммиак сразу взаимодействует с избытком азотной кислоты, образуя соль – нитрат аммония NH 4 NO 3 :

NH 3 + HNO 3 → NH 4 NO 3.

Металл средней активности

10Cr + 36HNO 3( разб .) → 10Cr(NO 3) 3 + 18H 2 O + 3N 2

10│ Cr 0 – 3 e → Cr 3+ - окисление

3│ 2 N 5+ + 10 e → N 2 0 - восстановление

Кроме молекулярного азота (N 2 ) при взаимодействии металлов средней активности с разбавленной азотной кислотой образуется в равном количестве оксид азота (I ) – N 2 O . В уравнении реакции нужно писать одно из этих веществ .

Металл малоактивный

3Ag + 4HNO 3( разб .) → 3AgNO 3 + 2H 2 O + NO

3│ Ag 0 – e → Ag + - окисление

1│ N 5+ + 3 e → N 2+ - восстановление

«Царская водка»

«Царская водка» (ранее кислоты называли водками) представляет собой смесь одного объема азотной кислоты и трех-четырех объемов концентрированной соляной кислоты, обладающую очень высокой окислительной активностью. Такая смесь способна растворять некоторые малоактивные металлы, не взаимодействующие с азотной кислотой. Среди них и «царь металлов» - золото. Такое действие «царской водки» объясняется тем, что азотная кислота окисляет соляную с выделением свободного хлора и образованием хлороксида азота (III ), или хлорида нитрозила – NOCl :

HNO 3 + 3 HCl → Cl 2 + 2 H 2 O + NOCl

2 NOCl → 2 NO + Cl 2

Хлор в момент выделения состоит из атомов. Атомарный хлор является сильнейшим окислителем, что и позволяет «царской водке» воздействовать даже на самые инертные «благородные металлы».

Реакции окисления золота и платины протекают согласно следующим уравнениям:

Au + HNO 3 + 4 HCl → H + NO + 2H 2 O

3Pt + 4HNO 3 + 18HCl → 3H 2 + 4NO + 8H 2 O

На Ru , Os , Rh и Ir «царская водка» не действует.

Е.А. Нуднoва, М.В. Андрюxова