Серная кислота | это... Что такое Серная кислота? (original) (raw)

Серная кислота



Общие
Систематическое наименование	серная кислота
Химическая формула	H2SO4
Физические свойства
Состояние (ст. усл.)	жидкость
Отн. молек. масса	98,082 а. е. м.
Молярная масса	98,082 г/моль
Плотность	1,8356 г/см³
Термические свойства
Температура плавления	-10,38 °C
Температура кипения	279,6 °C
Температура воспламенения	не воспламеняется °C
Удельная теплота плавления	10,73 Дж/кг
Химические свойства
pKa	-3
Растворимость в воде	смешивается г/100 мл
Оптические свойства
Показатель преломления	1.397
Структура
Дипольный момент	2.72 Д
Классификация
Рег. номер CAS	7664-93-9
Регистрационный номер EC	231-639-5
RTECS	WS5600000
Безопасность
ЛД50	510 мг/кг
Токсичность	0 3 2 W

Се́рная кислота́ H2SO4 — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха, с кислым «медным» вкусом. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO3. Если молярное отношение SO3 : H2O < 1, то это водный раствор серной кислоты, если > 1 — раствор SO3 в серной кислоте (олеум).

Содержание

1 Название
2 Физические и физико-химические свойства
- 2.1 Олеум
3 Химические свойства
4 Применение
5 Токсическое действие
6 Исторические сведения
7 Дополнительные сведения
8 Получение серной кислоты
9 Стандарты
10 Примечания
11 Литература
12 Ссылки

Название

До XX века часто серную кислоту называли купоросом (как правило это был кристаллогидрат, по консистенции напоминающий масло) или купоросным маслом, очевидно отсюда происхождение названия ее солей (а точнее именно кристаллогидратов) - купоросы.

Физические и физико-химические свойства

Очень сильная кислота, при 18оС pKa (1) = −2,8, pKa (2) = 1,92 (К₂ 1,2 10−2); длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S—OH 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит, образуя азеотропную смесь (98,3 % H2SO4 и 1,7 % H2О с температурой кипения 338,8оС). Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H2SO4, имеет состав (%): H2SO4 99,5, HSO4− — 0,18, H3SO4+ — 0,14, H3O+ — 0,09, H2S2O7, — 0,04, HS2O7⁻ — 0,05. Смешивается с водой и SO3, во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на H+, HSO4−, и SO₄2−. Образует гидраты H2SO4·_n_H2O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Олеум

Основная статья: Олеум

Растворы серного ангидрида SO3 в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H2SO4·SO3 и H2SO4·2SO3.

Олеум содержит также пиросерные кислоты, получающиеся по реакциям:

$\mathsf{H_2SO_4 + SO_3 \rightarrow H_2S_2O_7} ;$

$\mathsf{H_2SO_4 + 2SO_3 \rightarrow H_2S_3O_{10}} .$

Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H2SO4.

Свойства водных растворов серной кислоты и олеума

Содержание % по массе	Плотность при 20 ℃, г/см³	Температура плавления, ℃	Температура кипения, ℃
H2SO4	SO3 (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 SO3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов серной кислоты общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3 % H2SO4 достигает минимума. С увеличением концентрации SO3 в олеуме, общее давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами серной кислоты и олеума можно вычислить по уравнению:

$\lg p\ {{=}}\ \rm {A}\ {{-}}\ {B \over \it {T}}\ {{+}}\ 2{,}126{,}$

величины коэффициентов А и В зависят от концентрации серной кислоты. Пар над водными растворами серной кислоты состоит из смеси паров воды, H2SO4 и SO3, при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях серной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.

С повышением температуры усиливается диссоциация:

$\mathsf{H_2SO_4 \longleftrightarrow H_2O + SO_3 - \it{Q}} .$

Уравнение температурной зависимости константы равновесия:

$\ln {\it {K_p}} = 14{,}74965 - 6{,}71464 \ln {298 \over \it {T}} - 8{,}10161 \cdot 10^4 \it {T^2} - {\rm 9643{,}04 \over \it {T}} - \rm 9{,}4577 \cdot 10^{-3} \it {T} + \rm 2{,}19062 \cdot 10^{-6}\it {T^2}.$

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:

$\it {d} =\rm 1{,}8517 - 1{,}1 \cdot 10^{-3} \it {t} +\rm 2 \cdot 10^{-6} \it {t^2}.$

С повышением концентрации растворов серной кислоты их 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:

$\rm\lambda = 0{,}518 + 0{,}0016 \it {t} - \rm (0{,}25 + \it {t}/\rm {1293})\cdot \it{C}/\rm 100,$

где С — концентрация серной кислоты, в %.

Максимальную вязкость имеет олеум H₂SO₄·SO₃, с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации SO₃ и 92 % H₂SO₄ и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H₂SO₄[источник не указан 395 дней]. 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.

Химические свойства

Серная кислота — сильный окислитель, особенно при нагревании и в концентрированном виде; окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов, углерод до CO2, S — до SO2, окисляет многие металлы (Cu, Hg и др.). При этом серная кислота восстанавливается до SO2, а наиболее сильными восстановителями — до S и H2S. Концентрированная H2SO4 частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением. Окислительные свойства для разбавленной H2SO4 нехарактерны. Серная кислота образует два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) H2SO5 и пероксодисерная H2S2O8 кислоты.

$\mathsf{H_2SO_4 + NaOH = NaHSO_4 + H_2O}$

$\mathsf{H_2SO_4 + 2NaOH = Na_2SO_4 + 2H_2O}$

Серная кислота реагирует также с основными оксидами, образуя сульфат и воду:

$\mathsf{CuO + H_2SO_4 = CuSO_4 + H_2O}$

На металлообрабатывающих заводах раствор серной кислоты применяют для удаления слоя оксида металла с поверхности металлических изделий, подвергающихся в процессе изготовления сильному нагреванию. Так, оксид железа удаляется с поверхности листового железа действием нагретого раствора серной кислоты:

$\mathsf{Fe_2O_3 + 3H_2SO_4 = Fe_2 (SO_4)_3 + 3H_2O}$

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 и взрывчатых веществ;
в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;
в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513(эмульгатор);
в промышленном органическом синтезе в реакциях:
- дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);
- гидратации (этанол из этилена);
- сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);
- алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.
- Для восстановления смол в фильтрах на производстве дистилированной воды.

Мировое производство серной кислоты ок. 160 млн тонн в год. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На 1 т P₂O₅ фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH₄)₂SO₄ — 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Токсическое действие

Серная кислота и олеум — очень едкие вещества. Они поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Предельно допустимая концентрация аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности II. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

Исторические сведения

Серная кислота известна с древности, встречаясь в природе в свободном виде, например, в виде озер вблизи вулканов. Возможно, первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса «зеленого камня», встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну.

В IX веке персидский алхимик Ар-Рази, прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO4•7H2O и CuSO4•5H2O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус, живший в XIII веке.

В XV веке алхимики обнаружили, что серную кислоту можно получить, сжигая смесь серы и селитры, или из пирита — серного колчедана, более дешевого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. И только в середине 18 столетия, когда было установлено, что свинец не растворяется в серной кислоте, от стеклянной лабораторной посуды перешли к большим промышленным свинцовым камерам.

Дополнительные сведения

Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы. Получившаяся взвесь, из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата. Например, в результате извержения вулкана Ксудач (п-ов Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже [1]. Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году, отправивший в атмосферу 3·107 тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994 [2].

Получение серной кислоты

Стандарты

Кислота серная техническая ГОСТ 2184—77
Кислота серная аккумуляторная. Технические условия ГОСТ 667—73
Кислота серная особой чистоты. Технические условия ГОСТ 14262—78
Реактивы. Кислота серная. Технические условия ГОСТ 4204—77

Примечания

↑ см. статью «Вулканы и климат» (рус.)
↑ Русский архипелаг — Виновато ли человечество в глобальном изменении климата? (рус.)

Литература

Справочник сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971

Ссылки

Растворимость кислот, оснований и солей в воде
H+ Li+ K+ Na+ NH4+ Ba2+ Ca2+ Mg2+ Sr2+ Al3+ Cr3+ Fe2+ Fe3+ Ni2+ Co2+ Mn2+ Zn2+ Ag+ Hg2+ Hg22+ Pb2+ Sn2+ Cu+ Cu2+ OH− P P P — P М Н М Н Н Н — Н Н Н Н Н — — Н Н Н Н F− P Н P P Р М Н Н М Р Н Н Н Р Р М Р Р М М Н Р Н Р Cl− P P P P Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Н Р Н М — Н Р Br− P P P P Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Н М Н М Р H Р I− P P P P Р Р Р Р Р Р ? Р — Р Р Р Р Н Н Н Н М Н — S2− P P P P — Р М Н Р — — Н — Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н SO32− P P P P Р М М М Н ? ? М ? Н Н Н М Н Н Н Н ? Н ? SO42− P P P P Р Н М Р Н Р Р Р Р Р Р Р Р М — Н Н Р Р Р NO3− P P P P Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р — Р — Р Р NO2− P P P P Р Р Р Р Р ? ? ? ? Р М ? ? М ? ? ? ? ? ? PO43− P Н P P — Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н ? Н Н Н Н CO32− М Р P P Р Н Н Н Н — — Н — Н Н — Н Н — Н — — ? — CH3COO− P Р P P Р Р Р Р Р — Р Р — Р Р Р Р Р Р М Р — Р Р CN− P Р P P Р Р Р Р Р ? Н Н — Н Н Н Н Н Р Н Р — — Н SiO32− H Н P P ? Н Н Н Н ? ? Н ? ? ? Н Н ? ? ? Н ? ? ?

Растворимость кислот, оснований и солей в воде

H+ Li+ K+ Na+ NH4+ Ba2+ Ca2+ Mg2+ Sr2+ Al3+ Cr3+ Fe2+ Fe3+ Ni2+ Co2+ Mn2+ Zn2+ Ag+ Hg2+ Hg22+ Pb2+ Sn2+ Cu+ Cu2+ OH− P P P — P М Н М Н Н Н — Н Н Н Н Н — — Н Н Н Н F− P Н P P Р М Н Н М Р Н Н Н Р Р М Р Р М М Н Р Н Р Cl− P P P P Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Н Р Н М — Н Р Br− P P P P Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Н М Н М Р H Р I− P P P P Р Р Р Р Р Р ? Р — Р Р Р Р Н Н Н Н М Н — S2− P P P P — Р М Н Р — — Н — Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н SO32− P P P P Р М М М Н ? ? М ? Н Н Н М Н Н Н Н ? Н ? SO42− P P P P Р Н М Р Н Р Р Р Р Р Р Р Р М — Н Н Р Р Р NO3− P P P P Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р — Р — Р Р NO2− P P P P Р Р Р Р Р ? ? ? ? Р М ? ? М ? ? ? ? ? ? PO43− P Н P P — Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н ? Н Н Н Н CO32− М Р P P Р Н Н Н Н — — Н — Н Н — Н Н — Н — — ? — CH3COO− P Р P P Р Р Р Р Р — Р Р — Р Р Р Р Р Р М Р — Р Р CN− P Р P P Р Р Р Р Р ? Н Н — Н Н Н Н Н Р Н Р — — Н SiO32− H Н P P ? Н Н Н Н ? ? Н ? ? ? Н Н ? ? ? Н ? ? ?

Сульфаты
Алюм (KAl(SO4)2•12H2O) • Аммоний сульфата алюминия ((NH4)Al(SO4)2) • Аммоний-железо сульфат (NH4Fe(SO4)2) • Аммоний-железо(II) сульфат ([NH4]2[Fe][SO4]2) • Аммоний-железо(III) сульфат (NH4Fe(SO4)2) • Аммоний-церий(IV) сульфат ((NH4)4Ce(SO4)4) • Гептагидрат сульфата магния (MgSO4) • Гидросульфат аммония ((NH4)HSO4) • Гидросульфат калия (KHSO4) • Гидросульфат натрия (NaHSO4) • Дисульфат калия (K2S2O7) • Дисульфат натрия (Na2S2O7) • Железа(III) основный сульфат ([Fe3(SO4)5](OH)2) • Квасцы • Купорос • Оксид-сульфат титана (TiOSO4) • Олеум (H2SO4•xSO3) • Пиросерная кислота (H2S2O7) • Серная кислота (H2SO4) • Соли Туттона • Сульфат актиния(III) (Ac2(SO4)3) • Сульфат алюминия (Al2(SO4)3) • Сульфат алюмонатрия (NaAl(SO4)2) • Сульфат аммония ((NH4)2SO4) • Сульфат бария (BaSO4) • Сульфат бериллия (BeSO4) • Сульфат ванадила (VOSO4) • Сульфат ванадия(III) (V2(SO4)3) • Сульфат висмута (Bi2(SO4)3) • Сульфат гидроксиаммония ((NH3OH)2SO4) • Сульфат железа(II) (FeSO4) • Сульфат железа(III) (Fe2(SO4)3) • Сульфат индия(III) (In2(SO4)3) • Сульфат иридия(III) (Ir2(SO4)3) • Сульфат кадмия (CdSO4) • Сульфат калия (K2SO4) • Сульфат кальция (CaSO4) • Сульфат кобальта(II) (CoSO4) • Сульфат кобальта(III) (Co2(SO4)3) • Сульфат лития (Li2SO4) • Сульфат магния (MgSO4) • Сульфат марганца(II) (MnSO4) • Сульфат марганца(III) (Mn2(SO4)3) • Сульфат меди(I) (Cu2SO4) • Сульфат меди(II) (CuSO4) • Сульфат натрия (Na2SO4) • Сульфат никеля(II) (NiSO4) • Сульфат олова(II) (SnSO4) • Сульфат празеодима (Pr2(SO4)3) • Сульфат ртути(I) (Hg2SO4) • Сульфат ртути(II) (HgSO4) • Сульфат свинца(II) (PbSO4) • Сульфат серебра (Ag2SO4) • Сульфат стронция (SrSO4) • Сульфат сурьмы (Sb2(SO4)3) • Сульфат таллия(I) (Tl2SO4) • Сульфат таллия(III) (Tl2(SO4)3) • Сульфат тетраамина меди (Cu(NH3)4SO4) • Сульфат титана(III) (Ti2(SO4)3) • Сульфат титана(IV) (Ti(SO4)2) • Сульфат урана (U(SO4)2) • Сульфат уранила (UO2SO4) • Сульфат хрома(III) (Cr2(SO4)3) • Сульфат хрома(III)-калия (KCr(SO4)2) Сульфат цезия (Cs2SO4) • Сульфат церия(IV) (Ce(SO4)2) • Сульфат цинка (ZnSO4) • Сульфат циркония (Zr(SO4)2)

Сульфаты

Алюм (KAl(SO4)2•12H2O) • Аммоний сульфата алюминия ((NH4)Al(SO4)2) • Аммоний-железо сульфат (NH4Fe(SO4)2) • Аммоний-железо(II) сульфат ([NH4]2[Fe][SO4]2) • Аммоний-железо(III) сульфат (NH4Fe(SO4)2) • Аммоний-церий(IV) сульфат ((NH4)4Ce(SO4)4) • Гептагидрат сульфата магния (MgSO4) • Гидросульфат аммония ((NH4)HSO4) • Гидросульфат калия (KHSO4) • Гидросульфат натрия (NaHSO4) • Дисульфат калия (K2S2O7) • Дисульфат натрия (Na2S2O7) • Железа(III) основный сульфат ([Fe3(SO4)5](OH)2) • Квасцы • Купорос • Оксид-сульфат титана (TiOSO4) • Олеум (H2SO4•xSO3) • Пиросерная кислота (H2S2O7) • Серная кислота (H2SO4) • Соли Туттона • Сульфат актиния(III) (Ac2(SO4)3) • Сульфат алюминия (Al2(SO4)3) • Сульфат алюмонатрия (NaAl(SO4)2) • Сульфат аммония ((NH4)2SO4) • Сульфат бария (BaSO4) • Сульфат бериллия (BeSO4) • Сульфат ванадила (VOSO4) • Сульфат ванадия(III) (V2(SO4)3) • Сульфат висмута (Bi2(SO4)3) • Сульфат гидроксиаммония ((NH3OH)2SO4) • Сульфат железа(II) (FeSO4) • Сульфат железа(III) (Fe2(SO4)3) • Сульфат индия(III) (In2(SO4)3) • Сульфат иридия(III) (Ir2(SO4)3) • Сульфат кадмия (CdSO4) • Сульфат калия (K2SO4) • Сульфат кальция (CaSO4) • Сульфат кобальта(II) (CoSO4) • Сульфат кобальта(III) (Co2(SO4)3) • Сульфат лития (Li2SO4) • Сульфат магния (MgSO4) • Сульфат марганца(II) (MnSO4) • Сульфат марганца(III) (Mn2(SO4)3) • Сульфат меди(I) (Cu2SO4) • Сульфат меди(II) (CuSO4) • Сульфат натрия (Na2SO4) • Сульфат никеля(II) (NiSO4) • Сульфат олова(II) (SnSO4) • Сульфат празеодима (Pr2(SO4)3) • Сульфат ртути(I) (Hg2SO4) • Сульфат ртути(II) (HgSO4) • Сульфат свинца(II) (PbSO4) • Сульфат серебра (Ag2SO4) • Сульфат стронция (SrSO4) • Сульфат сурьмы (Sb2(SO4)3) • Сульфат таллия(I) (Tl2SO4) • Сульфат таллия(III) (Tl2(SO4)3) • Сульфат тетраамина меди (Cu(NH3)4SO4) • Сульфат титана(III) (Ti2(SO4)3) • Сульфат титана(IV) (Ti(SO4)2) • Сульфат урана (U(SO4)2) • Сульфат уранила (UO2SO4) • Сульфат хрома(III) (Cr2(SO4)3) • Сульфат хрома(III)-калия (KCr(SO4)2) Сульфат цезия (Cs2SO4) • Сульфат церия(IV) (Ce(SO4)2) • Сульфат цинка (ZnSO4) • Сульфат циркония (Zr(SO4)2)