С чем реагирует раствор серной кислоты
Серная кислота
Обладает выраженным дегидратационным (водоотнимающим) действием. При попадании на кожу или слизистые оболочки приводит к тяжелым ожогам.
Получение
Известны несколько способов получения серной кислоты. Применяется промышленный (контактный) способ, основанный на сжигании пирита, окислении образовавшегося SO2 до SO3 и последующим взаимодействием с водой.
Нитрозный способ получения основан на взаимодействии сернистого газа с диоксидом азота IV в присутствии воды. Он состоит из нескольких этапов:
В окислительной башне смешивают оксиды азота (II) и (IV) с воздухом:
Смесь газов подается в башни, орошаемые 75-ной% серной кислотой, здесь смесь оксидов азота поглощается с образованием нитрозилсерной кислоты:
В ходе гидролиза нитрозилсерной кислоты получают азотистую кислоту и серную:
В упрощенном виде нитрозный способ можно записать так:
Химические свойства
В водном растворе диссоциирует ступенчато.
С солями реакция идет, если в результате выпадает осадок, образуется газ или слабый электролит (вода). Серная кислота, как и многие другие кислоты, способна растворять осадки.
Подчеркну, что реакции разбавленной серной кислоты с железом и хромом не сопровождаются переходом этих элементов в максимальную степень окисления. Они окисляются до +2.
Cu + H2SO4(разб.) ⇸ (реакция не идет, медь не может вытеснить водород из кислоты)
Холодная концентрированная серная кислота пассивирует Al, Cr, Fe, Ni, Be, Co. При нагревании или амальгамировании данных металлов реакция идет.
Обратите особое внимание, что при реакции железа, хрома с концентрированной серной кислотой достигается степень окисления +3. В подобных реакциях с разбавленной серной кислотой (написаны выше) достигается степень окисления +2.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Серная кислота
Серная кислота
Строение молекулы и физические свойства
Серная кислота H2SO4 – это сильная кислота, двухосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость, хорошо растворимая в воде.
Растворение серной кислоты в воде сопровождается выделением значительного количества кислоты. Поэтому по правилам безопасности в лаборатории при смешивании серной кислоты и воды мы добавляем серную кислоту в воду небольшими порциями при постоянном перемешивании.
Валентность серы в серной кислоте равна VI.
Способы получения
1. Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита FeS2.
Основные стадии получения серной кислоты :
Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):
| Аппарат | Назначение и уравнения реакций |
| Печь для обжига | 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащенный кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800 о С |
| Циклон | Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз. |
| Электрофильтр | Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра). |
| Сушильная башня | Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота. |
| Теплообменник | Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. |
| Контактный аппарат | 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3): Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню. |
| Поглотительная башня | Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне. Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3. Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю. |
Общие научные принципы химического производства:
Химические свойства
1. Серная кислота практически полностью диссоциирует в разбавленном в растворе по первой ступени:
По второй ступени серная кислота диссоциирует частично, ведет себя, как кислота средней силы:
HSO4 – ⇄ H + + SO4 2–
2. Серная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и амфотерными гидроксидами.
Еще пример : при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом калия образуются сульфаты или гидросульфаты:
Серная кислота взаимодействует с амфотерным гидроксидом алюминия:
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).
Или с силикатом натрия:
Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:
4. Т акже серная кислота вступает в обменные реакции с солями.
5. Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.
Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:
Железо Fe, алюминий Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании реакция возможна.
При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:
При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:
При взаимодействии с щелочными металлами и цинком концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:
6. Качественная реакция на сульфат-ионы – взаимодействие с растворимыми солями бария. При этом образуется белый кристаллический осадок сульфата бария:
Видеоопыт взаимодействия 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.
Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:
Серная кислота. Свойства серной кислоты.
Серная кислота H2SO4 – нелетучая тяжелая жидкость, хорошо растворима в воде (при нагревании). tпл. = 10,3°C, tкип. = 296°С,
Отлично впитывает влагу, поэтому часто выступает в качестве осушителя.
Производство серной кислоты представляет собой контактный процесс. Его можно разделить на 3 этапа:
1. Получение SO2 путем сжигания серы или обжигом сульфидов.
3. Поглощение SO3 серной кислотой, в результате чего образуется 100% серная кислота (олеум):
Воду использовать нельзя из-за образования тумана.
Химические свойства серной кислоты.
Серная кислота H2SO4 – двухосновная кислота, которая обладает большой силой. В воде она диссоциирует ступенчато:
Разбавленная серная кислота реагирует только с металлами, стоящими в ряду напряжения до водорода:
В реакциях с щелочами или основными оксидами образует сульфаты или гидрофильфаты:
Необходимо отметить, что сульфат бария является нерастворимым сульфатом, поэтому его используют в качестве индикатора на присутствие сульфат-ионов.
Концентрированная H2SO4 окисляет медь, серебро, углерод и фосфор:
Концентрированная H2SO4 при обычных условиях не взаимодействует с Al, Cr, Fe, но при нагревании вступает в реакцию.
Концентрированная H2SO4 быстро вступает в реакцию с водой, выделяя пр этом огромное количество тепла.
Урок №14. Серный ангидрид и серная кислота
Повторите темы уроков 9 класса:
Оксид серы (VI)
Оксид серы (VI) – это кислотный оксид. При обычных условиях – бесцветная ядовитая жидкость, «дымит» на воздухе, поглощая пары воды.
Способы получения
Оксид серы (VI) получают в реакциях окисления:
SO 2 + NO 2 = SO 3 + NO
Разложением сульфата железа (III):
Химические свойства оксида серы (VI)
1. Оксид серы (VI) активно поглощает влагу и реагирует с водой с образованием серной кислоты:
2. Серный ангидрид – типичным кислотный оксид, взаимодействует с щелочами и основными оксидами.
SO 3 + 2NaOH ( избыток) = Na 2 SO 4 + H 2 O
SO 3 + NaOH ( избыток) = NaHSO 4
SO 3 + MgO = t = MgSO 4
3. Серный ангидрид – очень сильный окислитель:
SO 3 + 2KI = I 2 + K 2 SO 3
3SO 3 + H 2 S = 4SO 2 + H 2 O
5SO 3 + 2P = P 2 O 5 + 5SO 2
4. Растворяется в концентрированной серной кислоте, образуя олеум – раствор SO 3 в H 2 SO 4
РЕАКЦИИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Химические свойства разбавленной серной кислоты
1) Диссоциация протекает ступенчато:
(первая ступень, образуется гидросульфат – ион)
(вторая ступень, образуется сульфат – ион)
2) Взаимодействие с металлами:
Разбавленная серная кислота растворяет только металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода:
Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (разб) → Zn +2 SO 4 + H 2 0 ↑
Zn 0 + 2H + → Zn 2+ + H 2 0 ↑
3) Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами:
CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O
CuO + 2H + → Cu 2+ + H 2 O
4) Взаимодействие с основаниями:
H 2 SO 4 + 2NaOH → Na 2 SO 4 + 2H 2 O
Если кислота в избытке, то образуется кислая соль:
H 2 SO 4 + NaOH → NaНSO 4 + H 2 O
H 2 SO 4 + Cu(OH) 2 → CuSO 4 + 2H 2 O
2H + + Cu(OH) 2 → Cu 2+ + 2H 2 O
5) Обменные реакции с солями:
Серная кислота – сильная нелетучая кислота, вытесняет из солей другие менее сильные кислоты:
MgCO 3 + H 2 SO 4 → MgSO 4 + H 2 O + CO 2 ↑
MgCO 3 + 2H + → Mg 2+ + H 2 O + CO 2 ↑
Н 2 SO 4 + 2NaHCO 3 = Na 2 SO 4 + CO 2 ↑ + H 2 O
H 2 SO 4 + Na 2 SiO 3 = Na 2 SO 4 + H 2 SiO 3 ↓
Качественная реакция на сульфат-ион
BaCl 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2HCl
Ba 2+ + SO 4 2- → BaSO 4 ↓
Образование белого осадка BaSO 4 (нерастворимого в кислотах) используется для идентификации серной кислоты и растворимых сульфатов.
6) Реагирует с аммиаком
Химические свойства концентрированной серной кислоты
1. С водой образуются гидраты:
H 2 SO 4 + nH 2 O = H 2 SO 4 ·nH 2 O + Q
Органические вещества обугливаются!
2H 2 SO 4 + C = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
2. Серная кислота окисляет неметаллы
неМе + H 2 SO 4 (конц.) = H 2 O + SO 2 + Кислотный гидроксид
, где степень окисления неметалла – высшая
C + 2H 2 SO 4 = 2H 2 O + CO 2 + 2SO 2
S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O
2P + 5H 2 SO 4 = 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O
3. Взаимодействие серной кислоты с металлами
H 2 SO 4 (конц.) + Me = t = соль + H 2 O + Х
Железо Fe, алюминий Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании образуется газа SO 2 :
6H 2 SO 4 (конц.) + 2Fe = t = Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
6H 2 SO 4(конц.) + 2Al = t = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:
2H 2 SO 4 (конц.) + Cu = CuSO 4 + SO 2 ↑ + 2H 2 O
2H 2 SO 4 (конц.) + Hg = HgSO 4 + SO 2 ↑ + 2H 2 O
2H 2 SO 4 (конц.) + 2Ag = Ag 2 SO 4 + SO 2 ↑ + 2H 2 O
При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:
3Mg + 4H 2 SO 4 = 3MgSO 4 + S + 4H 2 O
При взаимодействии со щелочными металлами и цинком концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:
5H 2 SO 4 (конц.) + 4Zn = 4ZnSO 4 + H 2 S↑ + 4H 2 O
4. Взаимодействие с восстановителями
Концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород при комнатной температуре:
3H 2 SO 4 (конц.) + 2KBr = Br 2 ↓ + SO 2 ↑ + 2KHSO 4 + 2H 2 O
5H 2 SO 4 (конц.) + 8KI = 4I 2 ↓ + H 2 S↑ + K 2 SO 4 + 4H 2 O
H 2 SO 4 (конц.) + 3H 2 S = 4S↓ + 4H 2 O
СОЛИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
1) Разложение сульфатов
Термически устойчивые сульфаты – сульфаты щелочных металлов (в том числе лития), они плавятся не разлагаясь
Остальные сульфаты при нагревании разлагаются на оксид серы(IV), оксид металла и кислород:
2CuSO 4 = t = 2CuO + SO 2 + O 2 (SO 3 )
2Al 2 (SO 4 ) 3 = t = 2Al 2 O 3 + 6SO 2 + 3O 2
2ZnSO 4 = t = 2ZnO + SO 2 + O 2
2Cr 2 (SO 4 ) 3 = t = 2Cr 2 O 3 + 6SO 2 + 3O 2
4FeSO 4 = t = 2Fe 2 O 3 + 4SO 2 + O 2
Так как оксиды тяжёлых и благородных металлов разлагаются сами, разложение их сульфатов следует записывать до металла:
Ag 2 SO 4 = t = 2Ag + SO 2 + O 2
HgSO 4 = t = Hg + SO 2 + O 2
2) Сульфаты проявляют окислительные свойства и могут взаимодействовать с восстановителями, восстанавливаясь до сульфидов.
CaSO 4 + 4C = CaS + 4CO
3) Многие средние сульфаты образуют устойчивые кристаллогидраты
Na 2 SO 4 ∙ 10H 2 O − глауберова соль
CaSO 4 ∙ 2H 2 O − гипс
CuSO 4 ∙ 5H 2 O − медный купорос
FeSO 4 ∙ 7H 2 O − железный купорос
ZnSO 4 ∙ 7H 2 O − цинковый купорос
Na 2 CO 3 ∙ 10H 2 O − кристаллическая сода
Сера. Химия серы и ее соединений
Положение в периодической системе химических элементов
Сера расположена в главной подгруппе VI группы (или в 15 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение серы
Электронная конфигурация серы в основном состоянии :
Атом серы содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и две неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии. Следовательно, атом серы может образовывать 2 связи по обменному механизму, как и кислород. Однако, в отличие от кислорода, за счет вакантной 3d орбитали атом серы может переходить в возбужденные энергетические состояния. Электронная конфигурация серы в первом возбужденном состоянии:
Электронная конфигурация серы во втором возбужденном состоянии:
Таким образом, максимальная валентность серы в соединениях равна VI (в отличие от кислорода). Также для серы характерна валентность — IV.
Физические свойства и нахождение в природе
Сера образует различные простые вещества (аллотропные модификации).
Пластическая сера – это вещество, состоящее из длинных полимерных цепей. Коричневая резиноподобная аморфная масса, нерастворимая в воде.
В природе сера встречается:
Соединения серы
Типичные соединения серы:
| Степень окисления | Типичные соединения |
| +6 | Оксид серы(VI) SO3 Галогенангидриды: SО2Cl2 |
| +4 | Оксид серы (IV) SO2 Галогенангидриды: SOCl2 |
| –2 | Сероводород H2S Сульфиды металлов MeS |
Способы получения серы
1. В промышленных масштабах серу получают открытым способом на месторождениях самородной серы, либо из вулканов. Из серной руды серу получают также пароводяными, фильтрационными, термическими, центрифугальными и экстракционными методами. Пароводяной метод — это выплавление из руды с помощью водяного пара.
2. Способ получения серы в лаборатории – неполное окисление сероводорода.
3. Еще один способ получения серы – взаимодействие сероводорода с оксидом серы (IV):
Химические свойства серы
В нормальных условиях химическая активность серы невелика: при нагревании сера активна, и может быть как окислителем, так и восстановителем.
1.1. При горении серы на воздухе образуется оксид серы (IV) :
1.2. При взаимодействии серы с галогенами (со всеми, кроме йода) образуются галогениды серы:
1.3. При взаимодействии фосфора и углерода с серой образуются сульфиды фосфора и сероуглерод:
2S + C → CS2
1.4. При взаимодействии с металлами сера проявляет свойства окислителя, продукты реакции называют сульфидами. С щелочными металлами сера реагирует без нагревания, а с остальными металлами (кроме золота и платины) – только при нагревании.
S + Fe → FeS
S + Hg → HgS
Еще пример : алюминий взаимодействует с серой с образованием сульфида алюминия:
1.5. С водородом сера взаимодействует при нагревании с образованием сероводорода:
2. Со сложными веществами сера реагирует, также проявляя окислительные и восстановительные свойства. Сера диспропорционирует при взаимодействии с некоторыми веществами.
2.1. При взаимодействии с окислителями сера окисляется до оксида серы (IV) или до серной кислоты (если реакция протекает в растворе).
Серная кислота также окисляет серу. Но, поскольку S +6 не может окислить серу же до степени окисления +6, образуется оксид серы (IV):
S + 2KClO3 → 3SO2 + 2KCl
Взаимодействие серы с сульфитами (при кипячении) приводит к образованию тиосульфатов:
2.2. При растворении в щелочах сера диспропорционирует до сульфита и сульфида.
При взаимодействии с перегретым паром сера диспропорционирует:
Сероводород
Строение молекулы и физические свойства
Сероводород H2S – это бинарное соединение водорода с серой, относится к летучим водородным соединениям. Следовательно, сероводород бесцветный ядовитый газ, с запахом тухлых яиц. Образуется при гниении. В твердом состоянии имеет молекулярную кристаллическую решетку.
Способы получения сероводорода
В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.
FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S↑
Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:
Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.
Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.
Химические свойства сероводорода
1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:
H2S + 2NaOH → Na2S + 2H2O
H2S + NaOH → NaНS + H2O
В избытке кислорода:
3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.
Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:
H2S + Br2 → 2HBr + S↓
H2S + Cl2 → 2HCl + S↓
Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:
При кипячении сера окисляется до серной кислоты:
Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.
Соединения железа (III) также окисляют сероводород:
H2S + 2FeCl3 → 2FeCl2 + S + 2HCl
Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:
Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:
Либо до оксида серы (IV):
4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов : меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.
Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.
Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.
Сульфиды
Сульфиды – это бинарные соединения серы и металлов или некоторых неметаллов, соли сероводородной кислоты.
По растворимости в воде и кислотах сульфиды разделяют на растворимые в воде, нерастворимые в воде, но растворимые в минеральных кислотах, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах, гидролизуемые водой.
