H2SO4 — физико-химические свойства, молярная и относительная молекулярная масса серной кислоты

Что из себя представляет серная кислота

Серная кислота является сильной кислотой, двухосновной, устойчивой и нелетучей.

В стандартных условиях серная кислота представляет собой тяжелую маслянистую жидкость. Вещество отличается хорошей растворимостью в воде.

H2SO4

Молекула серной кислоты включает в себя:

• четыре атома кислорода;
• два атома водорода;
• один атом серы.

Жидкость токсична, не имеет запаха. Кислота в чистом состоянии бесцветная, обладает специфическим «медным» привкусом, плотность составляет 1,84 г/см3. Из-за примесей вещество приобретает желтоватую или буро-желтую окраску. В зависимости от концентрации различают:

• разбавленную H2SO4 в виде водного раствора с процентным содержанием H2SO4 не более 70%;
• концентрированную H2SO4 в виде водного раствора с концентрацией H2SO4 более 70%.

Молекула серной кислоты обладает формой, близкой к тетраэдрической (атом серы располагается в центре, атомы кислорода — в вершинах тетраэдра

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 % H2O 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 H3O+, HSO3+, и 2HSO₄−. 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:

H2SO4 + SO3 → H2S2O7 Сульфит
H2SO4 + 2SO3 → H2S3O10

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

Свойства водных растворов серной кислоты и олеума Содержание % по массеПлотность при 20 ℃, г/см³Температура плавления, ℃Температура кипения, ℃H2SO4SO3 (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 = A   −   B    +   2,126 ,                   T

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:

H2SO4 ⟷ H2O + SO3 − Q .

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 t2

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 ) ⋅ C/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. 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 – это сильная двухосновная кислота.

1. Серная кислота практически полностью диссоциирует в разбавленном в растворе по первой ступени:

H2SO4  ⇄  H+ + HSO4–

По второй ступени серная кислота диссоциирует частично, ведет себя, как кислота средней силы:

HSO4–  ⇄  H+ + SO42–

2. Серная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами.

Например, серная кислота взаимодействует с оксидом магния:

H2SO4    +   MgO   →   MgSO4   +   H2O

Еще пример: при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом калия образуются сульфаты или гидросульфаты:

H2SO4    +   КОН     →     KHSО4  +   H2O

H2SO4    +   2КОН      →     К2SО4  +   2H2O

Серная кислота взаимодействует с амфотерным гидроксидом алюминия:

3H2SO4     +    2Al(OH)3    →   Al2(SO4)3    +   6H2O

3. Серная кислота вытесняет более слабые из солей в растворе (карбонаты, сульфиды и др.).  Также серная кислота вытесняет летучие кислоты из их солей (кроме солей HBr и HI).

Например, серная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:

Н2SO4   +   2NaHCO3   →   Na2SO4   +   CO2   +  H2O

Или с силикатом натрия:

H2SO4    +   Na2SiO3    →  Na2SO4  +   H2SiO3

Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:

NaNO3(тв.)   +   H2SO4   →   NaHSO4   +   HNO3

Аналогично – концентрированная серная кислота вытесняет хлороводород из твердых хлоридов, например, хлорида натрия:

NaCl(тв.)   +   H2SO4   →   NaHSO4   +   HCl

4. Также серная кислота вступает в обменные реакции с солями.

Например, серная кислота взаимодействует с хлоридом бария:

H2SO4  + BaCl2  →  BaSO4   +   2HCl

5.Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например, серная кислота реагирует с железом. При этом образуется сульфат железа (II):

H2SO4(разб.)    +   Fe   →  FeSO4   +   H2

Серная кислота взаимодействует с аммиакомс образованием солей аммония:

H2SO4   +   NH3    →    NH4HSO4

Концентрированнаясерная кислота является сильным окислителем. При этом она обычно восстанавливается до сернистого газа SO2. С активными металлами может восстанавливаться до серы  S, или сероводорода Н2S.

Железо Fe, алюминий  Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании реакция возможна.

6H2SO4(конц.)    +   2Fe   →   Fe2(SO4)3   +   3SO2   +  6H2O

6H2SO4(конц.)    +   2Al   →   Al2(SO4)3   +   3SO2   +  6H2O

При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:

2H2SO4(конц.)   +   Cu     →  CuSO4   +   SO2 ↑ +   2H2O

2H2SO4(конц.)   +   Hg     →  HgSO4   +   SO2 ↑ +   2H2O

2H2SO4(конц.)   +   2Ag     →  Ag2SO4   +   SO2↑+   2H2O

При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:

3Mg   +   4H2SO4   →   3MgSO4   +   S   +  4H2O

При взаимодействии с щелочными металлами и цинком  концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:

5H2SO4(конц.)   +  4Zn     →    4ZnSO4   +   H2S↑   +   4H2O

6. Качественная реакция на сульфат-ионы – взаимодействие с растворимыми солями бария. При этом образуется белый кристаллический осадок сульфата бария:

BaCl2 + Na2SO4  →   BaSO4↓  + 2NaCl

Видеоопытвзаимодействия хлорида бария и сульфата натрия в растворе  (качественная реакция на сульфат-ион) можно посмотреть здесь.

7.Окислительные свойства концентрированной серной кислоты проявляются и при взаимодействии с неметаллами.

Например, концентрированная серная кислота окисляет фосфор, углерод, серу. При этом серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV):

5H2SO4(конц.)   +    2P   →   2H3PO4   +   5SO2↑  +   2H2O

2H2SO4(конц.)   +    С   →   СО2↑   +   2SO2↑  +   2H2O

2H2SO4(конц.)   +    S   →   3SO2 ↑  +   2H2O

Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:

3H2SO4(конц.)   +   2KBr   →  Br2↓   +  SO2↑   +   2KHSO4    +  2H2O

5H2SO4(конц.)   +   8KI     →  4I2↓    +   H2S↑   +   K2SO4   +  4H2O

H2SO4(конц.)   +   3H2S →  4S↓  +  4H2O

Получение

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.

SO2 + NO2 + H2O = H2SO4 + NO ↑

Промышленное производство серной кислоты (контактный способ):

1)      4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2

2)      2SO2 + O2V2O5→ 2SO3

3)      nSO3 + H2SO4 → H2SO4·nSO3 (олеум)

Измельчённый очищенный влажный пирит (серный колчедан) сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое«. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом.
Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, пары воды (пирит был влажный) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Газ очищают от примесей твёрдых частиц (в циклоне и электрофильтре) и паров воды (в сушильной башне).
В контактном аппарате происходит окисление сернистого газа с использованием катализатора V2O5 ( пятиокись ванадия) для увеличения скорости реакции. Процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому подбирают оптимальные условия протекания прямой реакции — повышенное давление (т.к прямая реакция идет с уменьшением общего объема) и температура не выше 500 С ( т.к реакция экзотермическая).

В поглотительной башне происходит поглощение оксида серы (VI) концентрированной серной кислотой.
Поглощение водой не используют, т.к оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, поэтому образующаяся  серная кислота закипает и превращается в пар. Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3

Другой способ

В тех редких случаях, когда сероводород (H2S) вытесняет сульфат(SO4-) из соли (с металлами Cu,Ag,Pb,Hg) побочным продуктом является серная кислота

H2S + CuSO4 = CuS + H2SO4

Сульфиды данных металлов обладают высочайшей прочностью, а также отличительным чёрным окрасом,

но могут быть окислены до сульфатов, например, азотной кислотой при кипении:

CuS + 8HNO3 → CuSO4 + 8NO2↑ + 4H2O

Применение

Применение серной кислоты в промышленности

Пищевая промышленность знакома с серной кислотой в виде пищевой добавки Е513. Кислота выступает в качестве эмульгатора. Данная пищевая добавка используется для изготовления напитков. С её помощью регулируется кислотность. Помимо пищи, Е513 входит в состав минеральных удобрений. Применение серной кислоты в промышленности имеет широкое распространение. Промышленный органический синтез использует серную кислоту для проведения следующих реакций: алкилирование, дегидратация, гидратация. С помощью данной кислоты восстанавливается необходимое количество смол на фильтрах, что используются на производстве дистилированной воды.

Применение серной кислоты в быту

Серная кислота в домашних условиях пользуется спросом среди автолюбителей. Процесс приготовления раствора электролита для автомобильного аккумулятора сопровождается добавление серной кислоты. Работая с данной кислотой следует помнить о правилах безопасности. В случае попадания кислоты  на одежду или открытые участки кожи, стоит немедленно промыть их проточной водой. Серная кислота, которая разлилась на металл, может нейтрализоваться с помощью извести или мела. Заправляя автомобильный аккумулятор необходимо придерживаться некой последовательности: постепенно добавлять кислоту к воде, а не наоборот. Когда вода вступает в реакцию с серной кислотой происходит сильное нагревание жидкости, что может приводить к её разбрызгиванию. Поэтому стоит быть особо внимательным, чтобы жидкость не попала на лицо, или в глаза. Кислота должна храниться в плотно закрытой емкости. Важно, чтобы химическое вещество сохранялось в недоступном для детей месте.

Применение серной кислоты в медицине

В медицине нашлось широкое применение солей серной кислоты. К примеру, магний сульфат назначается людям с целью достичь слабительного эффекта. Еще одним производным серной кислоты есть натрий тиосульфат. Лекарственное средство используется в роли противоядия в случае отправления следующими веществами: ртуть, свинец, галогены, цианид. Тиосульфат натрий вместе с соляной кислотой используется для лечения дерматологических заболеваний. Профессор Демьянович предложил союз этих двух препаратов для лечения чесотки. В виде водного раствора, натрий тиосульфат вводят людям, которые страдают аллергическими недугами.

Магния сульфат обладает широким спектром возможностей. Поэтому применяется врачами различных специальностей. В качестве спазмолитика магний сульфат вводят больным при гипертонической болезни. Если у человека присутствуют заболевания желчного пузыря, вещество вводится внутрь для улучшение желчеотделения. Применение серной кислоты в медицине в виде магния сульфата в гинекологической практике встречается часто. Гинекологи помогают роженицам посредством введения магния сульфата внутримышечно, таким способом они обезболивают роды. Помимо всех выше указанных свойств, магний сульфат обладает антисудорожным эффектом.

Применение серной кислоты в производстве

Серная кислота, области применение которой разнообразны, используется так же при производстве минеральных удобрений. Для более удобного сотрудничества, заводы,что занимаются производством серной кислоты и минеральных удобрений, в основном, расположены поблизости друг от друга. Этот момент создает непрерывное производство.

Применение серной кислоты в изготовлении красителей и синтетических волокон занимает второе место по распространенности после производства минеральных удобрений. Многие отрасли промышленности используют серную кислоту в некоторых процессах на производстве. Применение серной кислоты нашло спрос и в быту. Люди пользуются химическим веществом для обслуживания своих автомобилей. Приобрести серную кислоту возможно в магазинах, что имеют специализацию по продаже химических веществ, в том числе у нас по ссылке. Серная кислота транспортируется соответственно правилам перевозки подобного груза. Железнодорожный или автомобильный транспорт перевозит кислоту в соответствующих емкостях. В первом случае в качестве емкости выступает цистерна, во втором – бочка или контейнер.

Опасность для здоровья

Пары этой кислоты крайне токсичны и при вдыхании могут привести к серьезному повреждению легких.

Попадание в глаза вызывает полную потерю зрения, а на кожу — серьезные ожоги.

При приеме внутрь (даже если это капля) — может привести к мучительной смерти.

Обращение с серной кислотой должно осуществляться с большой осторожностью и в соответствии с мерами промышленной безопасности.

Факты о серной кислоте

Вот некоторые факты о серной кислоте, которые дадут вам дополнительное представление об этой едкой, опасной, но важной кислоте.

Молярная масса серной кислоты составляет 98,08 г / моль. Это рассчитывается в соответствии с атомными массами его атомов: два атома водорода (2 х 1,008 г / моль), один атом серы (1 х 32,065 г / моль) и четыре атома кислорода (4 х 16 г / моль). Для общего веса одной молекулы серной кислоты расчет такой же, но результаты приведены в аму или единицах атомной массы. Именно когда вы хотите знать молекулярную массу более чем одного моля, результат молекулярной массы отличается от молярной массы. Например, когда у вас есть 2 грамма диоксида серы (SO2 с молярной массой 64,065 г / моль) и вы хотите знать, сколько это молей. Чтобы рассчитать этот результат, сначала нужно разделить 1 (моль) с молярной массой вещества. Затем вы умножаете результат на 2 (граммы), как показано в приведенном ниже уравнении.

Плотность серной кислоты зависит от ее силы (концентрации) и температуры. Например, 13% раствор H2SO4 при комнатной температуре имеет плотность 9,09 г / см3. 96% раствор при той же температуре имеет плотность 15,37 г / см3. Температура кипения серной кислоты составляет 639 ° F, 337 ° C или 610 К; температура замерзания составляет 37 ° F, а температура плавления – 50 ° F.

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. 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.

Ваша оценка?