Серная кислота: различия между версиями
[непроверенная версия] | [отпатрулированная версия] |
Нет описания правки Метки: с мобильного устройства из мобильной версии |
Boehm (обсуждение | вклад) м →Олеум: fix |
||
Строка 149: | Строка 149: | ||
С повышением температуры усиливается диссоциация: |
С повышением температуры усиливается диссоциация: |
||
:: <ce>H2SO4 <=> SO3 + H2O |
:: <ce>H2SO4 <=> SO3 + H2O - Q</ce> |
||
Уравнение температурной зависимости [[Константа равновесия|константы равновесия]]: |
Уравнение температурной зависимости [[Константа равновесия|константы равновесия]]: |
||
Строка 159: | Строка 159: | ||
Плотность 100%-ной серной кислоты можно определить по уравнению: |
Плотность 100%-ной серной кислоты можно определить по уравнению: |
||
:: <math> |
:: <math>d = 1{,}8517 - 1{,}1 \cdot 10^{-3} t + 2 \cdot 10^{-6} t^2.</math> |
||
С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоемкость олеума с повышением содержания SO<sub>3</sub> увеличивается. |
С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоемкость олеума с повышением содержания SO<sub>3</sub> увеличивается. |
||
Строка 165: | Строка 165: | ||
При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается: |
При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается: |
||
:: <math> |
:: <math>\lambda = 0{,}518 + 0{,}0016 t - (0{,}25 + t/1293)\cdot C/ 100,</math> |
||
где ''С'' — концентрация серной кислоты, в %. |
где ''С'' — концентрация серной кислоты, в %. |
Версия от 20:20, 22 октября 2020
Серная кислота | |||
---|---|---|---|
| |||
Общие | |||
Систематическое наименование |
серная кислота | ||
Традиционные названия | купорсное масло | ||
Хим. формула | H2SO4 | ||
Физические свойства | |||
Состояние | жидкость | ||
Молярная масса | 98,078 ± 0,006 г/моль | ||
Плотность | 1,8356 г/см³ | ||
Динамическая вязкость | 21 мПа·с[2] | ||
Термические свойства | |||
Температура | |||
• плавления | 10,38 °C | ||
• кипения | 337 °C | ||
Удельная теплота плавления | 10,73 Дж/кг | ||
Давление пара | 0,001 ± 0,001 мм рт.ст.[3] | ||
Химические свойства | |||
Константа диссоциации кислоты | -3 | ||
Растворимость | |||
• в воде | смешивается | ||
Оптические свойства | |||
Показатель преломления | 1.397 | ||
Структура | |||
Дипольный момент | 2.72 Д | ||
Классификация | |||
Рег. номер CAS | 7664-93-9 | ||
PubChem | 1118 | ||
Рег. номер EINECS | 231-639-5 | ||
SMILES | |||
InChI | |||
Кодекс Алиментариус | E513 | ||
RTECS | WS5600000 | ||
ChEBI | 26836 | ||
Номер ООН | 1830 | ||
ChemSpider | 1086 | ||
Безопасность | |||
ЛД50 | 510 мг/кг | ||
Токсичность | 2 класс (высокоопасная)[1] | ||
Краткие характер. опасности (H) |
H290, H314 |
||
Меры предостор. (P) |
P280, P301+P330+P331, P303+P361+P353, P305+P351+P338, P308+P311 |
||
Сигнальное слово | опасно | ||
Пиктограммы СГС | |||
NFPA 704 | |||
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |||
Медиафайлы на Викискладе |
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 сильнокислым «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). Смертельно ядовита.
Название
В XVIII—XIX веках серу для пороха производили из серного колчедана (пирит) на купоросных заводах. Серную кислоту в то время называли «купоросным маслом»[4][5], очевидно отсюда происхождение названия её солей (а точнее именно кристаллогидратов) — купоросы.
Получение серной кислоты
Промышленный (контактный) способ
В промышленности серную кислоту получают окислением диоксида серы (сернистый газ, образующийся в процессе сжигания серы или серного колчедана) до триоксида (серного ангидрида) с последующим взаимодействием SO3 с водой. Получаемую данным способом серную кислоту также называют контактной (концентрация 92-94 %).
Нитрозный (башенный) способ
Раньше серную кислоту получали исключительно нитрозным методом в специальных башнях, а кислоту называли башенной (концентрация 75 %). Сущность этого метода заключается в окислении диоксида серы диоксидом азота в присутствии воды. Именно таким способом произошла реакция в воздухе Лондона во время Великого смога.
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 H3О+, HSO3+, и 2НSO₄−. Образует гидраты H2SO4·nH2O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.
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:
- Сульфит
Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом её концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H2SO4.
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:
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:
Уравнение температурной зависимости константы равновесия:
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:
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:
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 4696 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 = 1,67·10⁻⁵T3/2 см²/с.
Химические свойства
Серная кислота в концентрированном виде при нагревании — довольно сильный окислитель.
Окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов.
Углерод до CO2, серу — до SO2.
Окисляет многие металлы (исключения: Au, Pt, Ir, Rh, Ta.). При этом концентрированная серная кислота восстанавливается до SO2, например[6]:
На холоде в концентрированной серной кислоте Fe, Al, Cr, Co, Ni, Ba пассивируются и реакции не протекают.
Наиболее сильными восстановителями концентрированная серная кислота восстанавливается до S и H2S. Концентрированная серная кислота поглощает водяные пары, поэтому она применяется для сушки газов, жидкостей и твёрдых тел, например, в эксикаторах. Однако концентрированная H2SO4 частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Отщепляя воду от органических соединений и оставляя при этом чёрный углерод (уголь), концентрированная серная кислота приводит к обугливанию древесины, сахара и других веществ[6].
Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением, например[6]:
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.
Серная кислота реагирует также с основными оксидами, образуя сульфат и воду:
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:
Концентрированная H2SO4 превращает некоторые органические вещества в другие соединения углерода:
Качественной реакцией на серную кислоту и её растворимые соли является их взаимодействие с растворимыми солями бария, при котором образуется белый осадок сульфата бария, нерастворимый в воде и кислотах, например[7]:
Применение
Серную кислоту применяют:
- в обработке руд, особенно при добыче редких элементов, в том числе урана, иридия, циркония, осмия и т. п.;
- 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 дистиллированной воды.
Мировое производство серной кислоты около 200 млн тонн в год[8]. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На P₂O₅ фосфорных удобрений расходуется в 2,2—3,4 раза больше по массе серной кислоты, а на (NH₄)₂SO₄ серной кислоты 75 % от массы расходуемого (NH₄)₂SO₄. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.
Токсическое действие
Серная кислота и олеум — очень едкие вещества. Они поражают все ткани организма. При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Попадание кислоты на глаза может привести как к конъюнктивиту, так и к полной потере зрения.[9] 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.
В РФ оборот серной кислоты концентрации 45 % и более — ограничен[10].
Исторические сведения
Серная кислота известна с древности, встречаясь в природе в свободном виде, например, в виде озёр 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.
Схема получения серной кислоты из железного купороса — термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси[11]
В трудах алхимика Валентина (XIII в) описывается способ получения серной кислоты путём поглощения водой газа (серный ангидрид), выделяющегося при сжигании смеси порошков серы и селитры. Впоследствии этот способ лег в основу т. н. «камерного» способа, осуществляемого в небольших камерах, облицованных свинцом, который не растворяется в серной кислоте. В СССР такой способ просуществовал вплоть до 1955 г.
Алхимикам XV века в известен был также способ получения серной кислоты из пирита — серного колчедана, более дешёвого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. Впоследствии, в связи с развитием катализа этот метод вытеснил камерный способ синтеза серной кислоты. В настоящее время серную кислоту получают каталитическим окислением (на V2O5) оксида серы (IV) в оксид серы (VI), и последующим растворением оксида серы (VI) в 70 % серной кислоте с образованием олеума.
В России производство серной кислоты впервые было организовано в 1805 году под Москвой в Звенигородском уезде. В 1913 году Россия по производству серной кислоты занимала 13 место в мире.[12]
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 (Полуостров Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже[13]. 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[14].
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
- ↑ Кислота серная техническая ГОСТ 2184—77
- ↑ Encyclopedia of chemical technology (англ.) / R. E. Kirk, D. Othmer
- ↑ http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0577.html
- ↑ Ушакова Н. Н., Фигурновский Н. А. Василий Михайлович Севергин: (1765—1826) / Ред. И. И. Шафрановский. М.: Наука, 1981. C. 59.
- ↑ См. также Каменное масло
- ↑ 1 2 3 Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. § 91. Химические свойства серной кислоты // Неорганическая химия: Учебник для 7—8 классов средней школы. — 18-е изд. — М.: Просвещение, 1987. — С. 209—211. — 240 с. — 1 630 000 экз.
- ↑ Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. § 92. Качественная реакция на серную кислоту и её соли // Неорганическая химия: Учебник для 7—8 классов средней школы. — 18-е изд. — М.: Просвещение, 1987. — С. 212. — 240 с. — 1 630 000 экз.
- ↑ Sulfuric acid (англ.) // «The Essential Chemical Industry — online»
- ↑ SULFURIC ACID | CAMEO Chemicals | NOAA . cameochemicals.noaa.gov. Дата обращения: 22 мая 2020.
- ↑ Постановление Правительства Российской Федерации от 3 июня 2010 года № 398 . Дата обращения: 30 мая 2016. Архивировано из оригинала 30 июня 2016 года.
- ↑ Эпштейн, 1979, с. 40.
- ↑ Эпштейн, 1979, с. 41.
- ↑ см. статью «Вулканы и климат» Архивная копия от 28 сентября 2007 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ Русский архипелаг — Виновато ли человечество в глобальном изменении климата? Архивная копия от 1 декабря 2007 на Wayback Machine (рус.)
Литература
- Справочник сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971
- Эпштейн Д. А. Общая химическая технология. — М.: Химия, 1979. — 312 с.