Серная кислота

редактировать
Сюда перенаправляется «Купоросное масло». Для сладкого масла купороса см. Диэтиловый эфир.

Серная кислота
Серная кислота-Givan-et-al-1999-3D-vdW.png Модель заполнения пространства Серная кислота-Givan-et-al-1999-3D-balls.png Длина шаровой модели = 142,2 мкм, длина связи SO = 157,4 мкм, длина связи OH = 97 мкм.
Серная кислота 96 процентов особо чистой.jpg
Имена
Название ИЮПАК Серная кислота
Другие имена Масло сернокислотного водорода сульфата
Идентификаторы
Количество CAS
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.028.763 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
Номер E E513 (регуляторы кислотности,...)
Ссылка на Гмелин 2122
КЕГГ
PubChem CID
Номер RTECS
UNII
Номер ООН 1830 г.
Панель управления CompTox ( EPA)
ИнЧИ
  • InChI = 1S / H2O4S / c1-5 (2,3) 4 / ч (H2,1,2,3,4) проверитьY Ключ: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N проверитьY
  • InChI = 1 / H2O4S / c1-5 (2,3) 4 / ч (H2,1,2,3,4) Ключ: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYAC
Улыбки
  • ОС (= O) (= O) O
Характеристики
Химическая формула ЧАС 2ТАК 4
Молярная масса 98,079 г / моль
Появление Прозрачная бесцветная жидкость
Запах Без запаха
Плотность 1,8302 г / см 3, жидкость
Температура плавления 10,31 ° С (50,56 ° F, 283,46 К)
Точка кипения 337 ° C (639 ° F, 610 K) Когда температура серной кислоты выше 300 ° C (572 ° F, 573 K), она постепенно разлагается до SO 3 + H 2 O.
Растворимость в воде смешиваемый, экзотермический
Давление газа 0,001 мм рт. Ст. (20 ° С)
Кислотность (p K a) -2,8, 1,99
Основание конъюгата Бисульфат
Вязкость 26,7 сП (20 ° C)
Термохимия
Стандартная мольная энтропия ( S o 298) 157 Дж моль −1 K −1
Std энтальпия формации (Δ F H 298) −814 кДж моль −1
Опасности
Паспорт безопасности Внешний паспорт безопасности материала
Пиктограммы GHS GHS05: Коррозийный GHS06: Токсично
Сигнальное слово GHS Опасность
Формулировки опасности GHS H314
Меры предосторожности GHS Р260, Р264, Р280, Р301 + 330 + 331, P303 + 361 + 353, P363, P304 + 340, P305 + 351 + 338, P310, P321, P405, P501
NFPA 704 (огненный алмаз) Health code 3: Short exposure could cause serious temporary or residual injury. E.g. chlorine gas Flammability code 0: Will not burn. E.g. water Instability code 2: Undergoes violent chemical change at elevated temperatures and pressures, reacts violently with water, or may form explosive mixtures with water. E.g. white phosphorus Special hazard W+OX: Reacts with water in an unusual or dangerous manner AND is oxidizer.NFPA 704 четырехцветный алмаз 3 0 2 W OX
точка возгорания Не воспламеняется
Пороговое предельное значение (ПДК) 15 мг / м 3 (IDLH), 1 мг / м 3 (TWA), 2 мг / м 3 (STEL)
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
LD 50 ( средняя доза ) 2140 мг / кг (крыса, перорально)
ЛК 50 ( средняя концентрация ) 50 мг / м 3 (морская свинка, 8 часов) 510 мг / м 3 (крыса, 2 часа) 320 мг / м 3 (мышь, 2 часа) 18 мг / м 3 (морская свинка)
LC Lo ( самый низкий опубликованный ) 87 мг / м 3 (морская свинка, 2,75 ч)
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (Допустимо) TWA 1 мг / м 3
REL (рекомендуется) TWA 1 мг / м 3
IDLH (Непосредственная опасность) 15 мг / м 3
Родственные соединения
Родственные сильные кислоты Селеновая кислота Соляная кислота Азотная кислота Хромовая кислота
Родственные соединения Сернистая кислота Пероксимоносерная кислота Триоксид серы Олеум
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N  проверить  ( что есть    ?) проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Серная кислота ( американское написание ) или серная кислота ( написание Содружества ), также известная как купоросное масло , представляет собой минеральную кислоту, состоящую из элементов серы, кислорода и водорода, с молекулярной формулой H 2 SO 4. Это вязкая жидкость без цвета, запаха и запаха, смешиваемая с водой.

Чистая серная кислота не существует на Земле в природе из-за ее сильного сродства с водяным паром ; по этой причине он гигроскопичен и легко впитывает водяной пар из воздуха. Концентрированная серная кислота очень агрессивна по отношению к другим материалам, от горных пород до металлов, поскольку это окислитель с сильными обезвоживающими свойствами. Пятиокись фосфора является заметным исключением, поскольку на нее не влияет дегидратирующая способность кислоты, которая обратно дегидратирует серную кислоту до триоксида серы. При добавлении серной кислоты к воде выделяется значительное количество тепла; таким образом, обратная процедура добавления воды к кислоте не должна выполняться, поскольку выделяющееся тепло может вскипятить раствор, разбрызгивая капли горячей кислоты во время процесса. При контакте с тканями тела серная кислота может вызвать сильные кислотные химические ожоги и даже вторичные термические ожоги из-за обезвоживания. Разбавленная серная кислота значительно менее опасна, поскольку не обладает окислительными и дегидратирующими свойствами; тем не менее, с ним следует обращаться с осторожностью из-за его кислотности.

Серная кислота - очень важный товарный химикат, и производство серной кислоты в стране является хорошим показателем ее промышленной мощи. Он широко выпускаются с различными методами, такие как контактный процесс, мокрый процесса серной кислоты, свинцом процессом камеры и некоторыми другими методами. Серная кислота также является ключевым веществом в химической промышленности. Чаще всего он используется в производстве удобрений, но также важен при переработке полезных ископаемых, нефтепереработке, очистке сточных вод и химическом синтезе. Он имеет широкий спектр конечных применений, в том числе в бытовых кислотных очистителях канализации, в качестве электролита в свинцово-кислотных аккумуляторах, при обезвоживании компаундов и в различных чистящих средствах. Серную кислоту можно получить растворением триоксида серы в воде.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Физические свойства
    • 1.1 Марки серной кислоты
    • 1.2 Полярность и проводимость
  • 2 Химические свойства
    • 2.1 Реакция с водой и обезвоживание
    • 2.2 Кислотно-основные свойства
    • 2.3 Реакции с металлами
    • 2.4 Реакции с углеродом
    • 2.5 Реакция с хлоридом натрия
    • 2.6 Электрофильное ароматическое замещение
  • 3 Возникновение
    • 3.1 Стратосферный аэрозоль
    • 3.2 Внеземная серная кислота
  • 4 Производство
    • 4.1 Контактный процесс
    • 4.2 Обработка мокрой серной кислоты
    • 4.3 Другие методы
  • 5 применений
    • 5.1 Промышленное производство химикатов
    • 5.2 Серно-йодный цикл
    • 5.3 Промышленное чистящее средство
    • 5.4 Катализатор
    • 5.5 Электролит
    • 5.6 Бытовое использование
  • 6 История
  • 7 Безопасность
    • 7.1 Лабораторные опасности
    • 7.2 Опасность разбавления
    • 7.3 Промышленные опасности
  • 8 Правовые ограничения
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки

Физические свойства

Сорта серной кислоты

Хотя можно приготовить почти 100% -ные растворы серной кислоты, последующая потеря SO 3 при температуре кипения доводит концентрацию кислоты до 98,3%. Сорт 98,3% более стабилен при хранении и представляет собой обычную форму того, что описывается как «концентрированная серная кислота». Другие концентрации используются для разных целей. Некоторые распространенные концентрации:

Массовая доля H 2 SO 4 Плотность (кг / л) Концентрация (моль / л) Распространенное имя
lt;29% 1,00–1,25 lt;4,2 разбавленная серная кислота
29–32% 1,25–1,28 4,2–5,0 аккумуляторная кислота (используется в свинцово-кислотных аккумуляторах )
62–70% 1,52–1,60 9,6–11,5 кислотная кислота для удобрений
78–80% 1,70–1,73 13,5–14,0 башенная кислота Гловерская кислота
93,2% 1,83 17,4 66 ° Bé ("66 градусов Боме") кислота
98,3% 1,84 18,4 концентрированная серная кислота

«Камерная кислота» и «башенная кислота» представляли собой две концентрации серной кислоты, произведенной в процессе свинцовой камеры, камерная кислота - это кислота, произведенная в самой свинцовой камере (lt;70%, чтобы избежать загрязнения нитрозилсерной кислотой ), а башенная кислота - кислота извлечена из нижней части башни Гловера. В настоящее время они устарели как коммерческие концентрации серной кислоты, хотя при необходимости они могут быть приготовлены в лаборатории из концентрированной серной кислоты. В частности, «10M» серная кислота (современный эквивалент камерной кислоты, используемой во многих титрованиях ) готовится путем медленного добавления 98% серной кислоты к равному объему воды при хорошем перемешивании: температура смеси может повышаться до 80 ° C (176 ° F) или выше.

Серная кислота реагирует со своим ангидридом SO 3, чтобы сформировать H 2S 7, называемые пиросерной кислотой, дымящей серной кислотой, дисерной кислотой или олеумом или, реже, кислотой Нордхаузена. Концентрация олеума выражается в% SO 3(называемый% олеум) или как% H 2ТАК 4(сумма, произведенная, если H 2O были добавлены); общие концентрации 40% олеума (109% H 2ТАК 4) и 65% олеума (114,6% H 2ТАК 4). Чистый H 2S 7 твердое вещество с температурой плавления 36 ° C.

Чистая серная кислота имеет давление паров lt;0,001 мм рт. Ст. При 25 ° C и 1 мм рт. Ст. При 145,8 ° C, а 98% -ная серная кислота имеет давление паров lt;1 мм рт.

Чистая серная кислота представляет собой вязкую прозрачную жидкость, похожую на масло, и этим объясняется старое название кислоты («купоросное масло»).

Коммерческая серная кислота продается с несколькими различными степенями чистоты. Технический сорт H 2ТАК 4нечистый и часто окрашенный, но подходит для внесения удобрений. Чистые сорта, такие как сорт USP, используются для изготовления фармацевтических препаратов и красителей. Также доступны аналитические сорта.

Известно девять гидратов, но подтверждено, что четыре из них являются тетрагидратом (H 2 SO 4 4H 2 O), гемигексагидратом (H 2 SO 4 6+1 ⁄ 2 H 2 O) и октагидрат (H 2 SO 4 8H 2 O).

Полярность и проводимость

Равновесие безводной серной кислоты
Разновидность мМоль / кг
HSO- 4 15.0
ЧАС 3ТАК+ 4 11,3
ЧАС + 8.0
HS - 7 4.4
ЧАС 2S 7 3,6
ЧАС 0,1

Безводный H 2ТАК 4представляет собой очень полярную жидкость, имеющую диэлектрическую проницаемость около 100. Она имеет высокую электрическую проводимость, вызванную диссоциацией в результате протонирования, процесса, известного как автопротолиз.

2 ч 2ТАК 4⇌ H 3ТАК+ 4+ HSO- 4

Константа равновесия автопротолиза равна

K ap (25 ° C) = [ H 3ТАК+ 4] [ HSO- 4знак равно 2,7 × 10 −4

Сравнимая константа равновесия для воды, К ш 10 -14, фактор 10 10 (10 млрд) меньше.

Несмотря на вязкости кислоты, эффективные проводимости по H 3ТАК+ 4и HSO- 4ионы высоки из-за внутримолекулярного механизма переключения протонов (аналогично механизму Гроттуса в воде), что делает серную кислоту хорошим проводником электричества. Это также отличный растворитель для многих реакций.

Химические свойства

Реакция с водой и обезвоживающее свойство

Капли концентрированной серной кислоты быстро разлагают кусок хлопкового полотенца путем обезвоживания. Файл: 07. Дехидратациони својства на концентрирана сулфурна киселина.webm Воспроизвести медиа Эксперимент, демонстрирующий обезвоживающие свойства концентрированной серной кислоты. Когда концентрированная серная кислота вступает в контакт с сахарозой, происходит медленная карбонизация сахарозы. Реакция сопровождается выделением газообразных продуктов, которые способствуют образованию пенистого углеродного столба, который поднимается над стаканом.

Поскольку реакция гидратации серной кислоты очень экзотермична, разбавление всегда следует проводить, добавляя кислоту к воде, а не воду к кислоте. Поскольку реакция находится в равновесии, которое способствует быстрому протонированию воды, добавление кислоты к воде гарантирует, что кислота является ограничивающим реагентом. Эту реакцию лучше всего рассматривать как образование ионов гидроксония :

ЧАС 2ТАК 4+ H 2O → H + + HSO- 4   K a1 ≈ 10 3 (сильная кислота)
HSO- 4+ H 2O → H + + ТАК2- 4   К а2 =1,0 × 10 -2 

HSO- 4- бисульфат- анион и SO2- 4является сульфат- анионом. K a1 и K a2 - константы диссоциации кислоты.

Поскольку гидратация серной кислоты термодинамически благоприятна, ее сродство к воде довольно сильное; следовательно, серная кислота является отличным дегидратирующим агентом. Концентрированная серная кислота обладает очень сильным обезвоживающим свойством, удаляя воду ( H 2 O ) из других химических соединений, включая сахар и другие углеводы, и выделяя углерод, тепло и пар.

В лаборатории это часто подтверждается смешиванием столового сахара (сахарозы) с серной кислотой. Сахар меняет цвет с белого на темно-коричневый, а затем на черный по мере образования углерода. Также появится жесткий столб из черного пористого углерода. Уголь будет сильно пахнуть карамелью из-за выделяемого тепла.

C 12 ЧАС 22 О 11 сахароза   ЧАС 2 ТАК 4   12 C (черная графитовая пена) + 11 ЧАС 2 О (г, л) {\ displaystyle \ overbrace {{\ ce {C12H22O11}}} ^ {\ text {сахароза}} \ {\ ce {-gt; [{\ ce {H2SO4}}]}} \ {\ underset {\ text {(черный графитовая пена)}} {{\ ce {12C}}}} + {\ ce {11H2O}} _ {\ text {(g, l)}}}

Точно так же смешивание крахмала с концентрированной серной кислотой даст элементарный углерод и воду, абсорбированные серной кислотой (которая становится слегка разбавленной). Эффект от этого можно увидеть, пролив концентрированную серную кислоту на бумагу, состоящую из целлюлозы ; целлюлоза реагирует, давая вид обгоревшего, углерод выглядит так же, как сажа при пожаре. Воздействие кислоты на хлопок, даже в разбавленном виде, хоть и менее драматично, но разрушает ткань.

( C 6 ЧАС 10 О 5 ) п полисахарид   ЧАС 2 ТАК 4   6 п C + 5 п ЧАС 2 О {\ displaystyle \ overbrace {\ ce {(C6H10O5) _ {\ mathit {n}}}} ^ {\ text {полисахарид}} \ {\ ce {-gt; [{\ ce {H2SO4}}]}} \ 6n {\ ce {C}} + 5n {\ ce {H2O}}}

Реакция с сульфатом меди (II) также может продемонстрировать способность серной кислоты к дегидратации. По мере удаления воды синий кристалл превращается в белый порошок.

CuSO 4 5 ЧАС 2 О (синий кристалл) гидрат сульфата меди (II)   ЧАС 2 ТАК 4   CuSO 4 (белый порошок) Безводный сульфат меди (II) + 5 ЧАС 2 О {\ displaystyle \ overbrace {\ underset {\ text {(синий кристалл)}} {{\ ce {CuSO4.5H2O}}}} ^ {\ text {гидрат сульфата меди (II)}} \ {\ ce {-gt; [{\ ce {H2SO4}}]}} \ \ overbrace {\ underset {\ text {(белый порошок)}} {{\ ce {CuSO4}}}}} ^ {\ text {Безводный сульфат меди (II)}} + {\ ce {5H2O}}}

Кислотно-основные свойства

Как кислота, серная кислота реагирует с большинством оснований с образованием соответствующего сульфата. Например, синяя медная соль сульфата меди (II), обычно используемая для гальваники и в качестве фунгицида, получается реакцией оксида меди (II) с серной кислотой:

CuO (т) + H 2ТАК 4(водн.) → CuSO 4(водн.) + H 2О (л)

Серная кислота также может использоваться для вытеснения более слабых кислот из их солей. Например, реакция с ацетатом натрия замещает уксусную кислоту, CH 3COOH и образует бисульфат натрия :

ЧАС 2ТАК 4+ CH 3COONa → NaHSO 4+ CH 3COOH

Точно так же реакцию серной кислоты с нитратом калия можно использовать для получения азотной кислоты и осадка бисульфата калия. В сочетании с азотной кислотой серная кислота действует как кислота и дегидратирующий агент, образуя ион нитрония NO.+ 2, что важно в реакциях нитрования с участием электрофильного ароматического замещения. Этот тип реакции, когда протонирование происходит на атоме кислорода, важен во многих реакциях органической химии, таких как этерификация Фишера и дегидратация спиртов.

Твердотельная структура иона [D 3 SO 4 ] +, присутствующего в [D 3 SO 4 ] + [SbF 6 ] -, синтезируется с использованием D F вместо HF. (см. текст)

При взаимодействии с суперкислотами серная кислота может действовать как основание и протонироваться, образуя ион [H 3 SO 4 ] +. Соли [H 3 SO 4 ] + были приготовлены с использованием следующей реакции в жидкой HF :

((CH 3) 3 SiO) 2 SO 2 + 3 HF + SbF 5 → [H 3 SO 4 ] + [SbF 6 ] - + 2 (CH 3) 3 SiF

Вышеупомянутая реакция термодинамически благоприятна из-за высокой энтальпии связи Si – F в побочном продукте. Однако протонирование с использованием простого HF / SbF 5 не удалось, поскольку чистая серная кислота подвергается самоионизации с образованием ионов [H 3 O] +.

2 H 2 SO 4 ⇌ [H 3 O] + + [HS 2 O 7 ] -
что предотвращает превращение H 2 SO 4 в [H 3 SO 4 ] + системой HF / SbF 5.

Реакции с металлами

Даже разбавленная серная кислота реагирует со многими металлами через одну реакцию замещения, как и другие типичные кислоты, с образованием газообразного водорода и солей (сульфата металла). Он атакует химически активные металлы (металлы на позициях выше меди в ряду реактивности ), такие как железо, алюминий, цинк, марганец, магний и никель.

Fe + H 2ТАК 4 → H 2 + FeSO 4

Концентрированная серная кислота может служить окислителем, выделяя диоксид серы:

Cu + 2 H 2 SO 4 → SO 2 + 2 H 2 O + SO2- 4+ Cu 2+

Однако свинец и вольфрам устойчивы к серной кислоте.

Реакции с углеродом

Горячая концентрированная серная кислота окисляет углерод (как битуминозный уголь) и серу :

С + 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

Он вступает в реакцию с хлоридом натрия, и дает хлористый водород газ и бисульфат натрия :

NaCl + H 2 SO 4 → NaHSO 4 + HCl

Электрофильное ароматическое замещение

Бензол подвергается электрофильному ароматическому замещению серной кислотой с образованием соответствующих сульфоновых кислот :

BenzeneSulfonation.png

Вхождение

Рио Тинто с очень кислой водой

Чистая серная кислота не встречается на Земле в безводной форме из-за ее большого сродства с водой. Разбавленная серная кислота входит в состав кислотных дождей, который образуется при атмосферном окислении из диоксида серы в присутствии воды - то есть, окисление сернистой кислоты. При сжигании серосодержащего топлива, такого как уголь или нефть, основным побочным продуктом является диоксид серы (помимо основных продуктов - оксидов углерода и воды).

Серная кислота образуется естественным путем в результате окисления сульфидных минералов, таких как сульфид железа. Образующаяся вода может быть очень кислой и называется кислотным дренажем шахт (AMD) или дренажем из кислых горных пород (ARD). Эта кислая вода способна растворять металлы, присутствующие в сульфидных рудах, в результате чего получаются ярко окрашенные токсичные растворы. Окисление пирита (сульфида железа) молекулярным кислородом дает железо (II) или Fe2+ :

2 FeS 2(s) + 7 O 2+ 2 часа 2O → 2 Fe2+ + 4 СО2- 4+ 4 часа+

Fe2+ может быть дополнительно окислен до Fe3+ :

4 Fe2+ + O 2+ 4 часа+ → 4 Fe3+ + 2 часа 2О

Fe3+ полученный может быть осажден в виде гидроксида или водного оксида железа :

Fe3+ + 3 часа 2О → Fe (ОН) 3↓ + 3 H+

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

FeS 2(s) + 14 Fe3+ + 8 часов 2O → 15 Fe2+ + 2 СО2- 4+ 16 часов+

Когда происходит окисление пирита железом (III), процесс может ускориться. Значения pH ниже нуля были измерены в ARD, полученном этим способом.

ARD также может производить серную кислоту с меньшей скоростью, так что кислотонейтрализующая способность (ANC) водоносного горизонта может нейтрализовать образовавшуюся кислоту. В таких случаях общая концентрация растворенных твердых веществ (TDS) в воде может быть увеличена за счет растворения минералов в результате реакции кислотной нейтрализации минералами.

Серная кислота используется в качестве защиты некоторыми морскими видами, например, феофитовая водоросль Desmarestia munda (отряд Desmarestiales ) концентрирует серную кислоту в клеточных вакуолях.

Стратосферный аэрозоль

В стратосфере, втором слое атмосферы, который обычно находится на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли, серная кислота образуется в результате окисления вулканического диоксида серы гидроксильным радикалом :

ТАК 2+ HO → HSO 3
HSO 3+ O 2→ ТАК 3+ HO 2
ТАК 3+ H 2O → H 2ТАК 4

Поскольку серная кислота достигает перенасыщения в стратосфере, она может образовывать зародыши аэрозольных частиц и обеспечивать поверхность для роста аэрозолей за счет конденсации и коагуляции с другими водно-серными аэрозолями. Это приводит к слою стратосферного аэрозоля.

Внеземная серная кислота

Постоянные венерианские облака производят концентрированный кислотный дождь, так как облака в атмосфере Земли производят водяной дождь. Также считается, что у спутника Юпитера Европа есть атмосфера, содержащая гидраты серной кислоты.

Производство

Основные статьи: Контакт процесс, процесс Wet серной кислоты и свинец процесс камеры

Серная кислота производится из серы, кислорода и воды с помощью обычного контактного процесса (DCDA) или процесса влажной серной кислоты (WSA).

Контактный процесс

Основная статья: Процесс контакта

На первом этапе сера сжигается для получения диоксида серы.

S (s) + O 2 → ТАК 2

Диоксид серы окисляется кислородом до триоксида серы в присутствии катализатора на основе оксида ванадия (V). Эта реакция обратима, и образование триоксида серы является экзотермическим.

2 ТАК 2+ O 2 ⇌ 2 SO 3

Трехокись серы абсорбируется 97–98% H 2ТАК 4с образованием олеума ( H 2S 7), также известная как дымящая серная кислота. Затем олеум разбавляют водой с образованием концентрированной серной кислоты.

ЧАС 2ТАК 4 + ТАК 3→ H 2S 7
ЧАС 2S 7 + H 2O → 2 H 2ТАК 4

Прямое растворение SO 3 в воде не практикуется.

Процесс мокрой серной кислоты

Основная статья: мокрый процесс серной кислоты

На первом этапе сера сжигается для получения диоксида серы:

S + O 2→ ТАК 2 (-297 кДж / моль)

или, альтернативно, сероводород ( H 2S) газ сжигается до SO 2 газ:

2 ч 2S + 3 O 2→ 2 H 2O + 2 SO 2 (-1036 кДж / моль)

Затем диоксид серы окисляют до триоксида серы с использованием кислорода с оксидом ванадия (V) в качестве катализатора.

2 ТАК 2+ O 2⇌ 2 SO 3 (−198 кДж / моль) (реакция обратима)

Триоксид серы гидратируется до серной кислоты H 2ТАК 4:

ТАК 3+ H 2O → H 2ТАК 4(г) (-101 кДж / моль)

Последним этапом является конденсация серной кислоты до жидкости 97–98% H. 2ТАК 4:

ЧАС 2ТАК 4(г) → H 2ТАК 4(л) (-69 кДж / моль)

Другие методы

Менее известен метод метабисульфита, при котором метабисульфит помещается на дно химического стакана и добавляется соляная кислота с молярной концентрацией 12,6. Образующийся газ барботируют через азотную кислоту, которая по мере протекания реакции выделяет коричневые / красные пары диоксида азота. О завершении реакции свидетельствует прекращение испарения. Этот метод не дает неразрывного тумана, что довольно удобно.

3 SO 2 + 2 HNO 3 + 2 H 2 O → 3 H 2 SO 4 + 2 NO

Сжигание серы вместе с селитрой ( нитрат калия, KNO 3) в присутствии пара использовался исторически. При разложении селитры окисляет серу до SO. 3, который соединяется с водой с образованием серной кислоты.

В качестве альтернативы растворение диоксида серы в водном растворе соли окисляющего металла, такой как хлорид меди (II) или железа (III):

2 FeCl 3 + 2 H 2 O + SO 2 → 2 FeCl 2 + H 2 SO 4 + 2 HCl
2 CuCl 2 + 2 H 2 O + SO 2 → 2 CuCl + H 2 SO 4 + 2 HCl

Два менее известных лабораторных метода производства серной кислоты, хотя и в разбавленной форме и требующие дополнительных усилий при очистке. Раствор сульфата меди (II) может быть подвергнут электролизу с медным катодом и платиновым / графитовым анодом для получения губчатой меди на катоде и выделения газообразного кислорода на аноде, раствор разбавленной серной кислоты указывает на завершение реакции, когда он выходит из от синего до прозрачного (еще один признак - образование водорода на катоде):

2 CuSO 4 + 2 H 2 O → 2 Cu + 2 H 2 SO 4 + O 2

Более дорогостоящим, опасным и проблемным, но все же новым является метод электробромирования, в котором в качестве раствора электролита используется смесь серы, воды и бромистоводородной кислоты. Сера выталкивается на дно емкости под раствором кислоты. Затем используются медный катод и платиновый / графитовый анод, при этом катод находится у поверхности, а анод располагается на дне электролита для подачи тока. Это может занять больше времени и привести к выделению токсичных паров брома / бромида серы, но реагирующая кислота пригодна для повторного использования. В целом в серную кислоту преобразуются только сера и вода (без учета потерь кислоты в виде паров):

2 HBr → H 2 + Br 2 (электролиз водного бромистого водорода)
Br 2 + Br - ↔ Br 3 - (начальное образование трибромида, в конечном итоге меняется на противоположное по мере истощения Br -)
2 S + Br 2 → S 2 Br 2 (бром реагирует с серой с образованием дибромида дисеры )
S 2 Br 2 + 8 H 2 O + 5 Br 2 → 2 H 2 SO 4 + 12 HBr (окисление и гидратация дибромида дисеры)

До 1900 года большая часть серной кислоты производилась методом свинцовой камеры. Еще в 1940 году до 50% серной кислоты, производимой в США, производилось на камерных технологических установках.

В начале и середине 19 - го века существовал «купороса» растения, в других местах, в Prestonpans в Шотландии, Шропшир и долине Лагань в графстве Антрим Ирландии, где он был использован в качестве отбеливателя для белья. Раннее отбеливание белья производилось с использованием молочной кислоты из кислого молока, но это был медленный процесс, а использование купороса ускорило процесс отбеливания.

Использует

Производство серной кислоты в 2000 г.

Серная кислота - очень важный товарный химикат, и действительно, производство серной кислоты в стране является хорошим показателем ее промышленной мощи. Мировое производство в 2004 году составило около 180 миллионов тонн со следующим географическим распределением: Азия - 35%, Северная Америка (включая Мексику) - 24%, Африка - 11%, Западная Европа - 10%, Восточная Европа и Россия - 10%, Австралия и Океания. 7%, Южная Америка 7%. Большая часть этого количества (≈60%) расходуется на удобрения, особенно суперфосфаты, фосфат аммония и сульфаты аммония. Около 20% используется в химической промышленности для производства моющих средств, синтетических смол, красителей, фармацевтических препаратов, нефтяных катализаторов, инсектицидов и антифризов, а также в различных процессах, таких как подкисление нефтяных скважин, восстановление алюминия, проклейка бумаги и очистка воды. Около 6% применений связаны с пигментами и включают краски, эмали, печатные краски, ткани с покрытием и бумагу, в то время как остальная часть используется во множестве областей применения, таких как производство взрывчатых веществ, целлофана, ацетатных и вискозных тканей, смазочных материалов и других материалов. черные металлы и аккумуляторы.

Промышленное производство химикатов

В основном серная кислота используется «мокрым способом» для производства фосфорной кислоты, используемой для производства фосфорных удобрений. В этом методе используется фосфоритная руда, и ежегодно перерабатывается более 100 миллионов тонн. Это сырье показано ниже как фторапатит, хотя точный состав может варьироваться. Его обрабатывают 93% -ной серной кислотой для получения сульфата кальция, фтороводорода (HF) и фосфорной кислоты. HF удаляют в виде плавиковой кислоты. Общий процесс можно представить как:

Ca 5 F ( PO 4 ) 3 фторапатит + 5 ЧАС 2 ТАК 4 + 10 ЧАС 2 О 5 CaSO 4 2 ЧАС 2 О кальций   сульфат + ВЧ + 3 ЧАС 3 PO 4 {\ displaystyle {\ ce {{\ overset {фторапатит} {Ca5F (PO4) 3}} + {5H2SO4} + 10H2O -gt; {\ overset {кальция ~ сульфат} {5CaSO4.2H2O}} + {HF} + 3H3PO4}) }}

Сульфат аммония, важное азотное удобрение, чаще всего производится в качестве побочного продукта на коксовых заводах, снабжающих предприятия по производству чугуна и стали. Реакция аммиака, образующегося при термическом разложении угля, с отработанной серной кислотой позволяет аммиаку кристаллизоваться в виде соли (часто коричневой из-за загрязнения железом) и продаваться в агрохимической промышленности.

Еще одно важное применение серной кислоты - это производство сульфата алюминия, также известного как квасцы для бумагоделателей. Он может реагировать с небольшим количеством мыла на волокнах бумажной массы с образованием гелеобразных карбоксилатов алюминия, которые помогают коагулировать волокна пульпы в твердую поверхность бумаги. Он также используется для производства гидроксида алюминия, который используется на водоочистных станциях для фильтрации примесей, а также для улучшения вкуса воды. Сульфат алюминия получают путем реакции боксита с серной кислотой:

2 AlO (OH) + 3 Н 2ТАК 4→ Al 2(ТАК 4) 3+ 4 часа

Серная кислота также важна при производстве растворов красителей.

Серно-йодный цикл

Серу йода цикла представляет собой серию термо-химических процессов, возможно, пригодных для использования для получения водорода из воды. Он состоит из трех химических реакций, чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами - водород и кислород.

2 я 2+ 2 СО 2+ 4 часа 2O → 4 HI + 2 H 2ТАК 4     (120 ° C, реакция Бунзена )
2 ч 2ТАК 4→ 2 СО 2+ 2 часа 2О + О 2     (830 ° С)
4 HI → 2 I 2+ 2 часа 2     (320 ° С)

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

Серно-йодный цикл был предложен как способ поставки водорода для водородной экономики. Это альтернатива электролизу и не требует углеводородов, как современные методы парового риформинга. Но обратите внимание, что вся доступная энергия в водороде, произведенном таким образом, обеспечивается теплом, используемым для его производства.

В настоящее время серно-йодный цикл исследуется как возможный метод получения водорода, но концентрированная коррозионная кислота при высоких температурах представляет в настоящее время непреодолимую угрозу безопасности, если бы процесс был построен в больших масштабах.

Промышленное чистящее средство

Основная статья: Чистящее средство

Серная кислота используется в больших количествах с помощью железа и сталелитейной промышленности для удаления окисления, ржавчины и накипи из листового проката и заготовки до продажи в автомобильной и основных приборах промышленности. Отработанная кислота часто рециркулируется на установке регенерации отработанной кислоты (SAR). Эти установки сжигают отработанную кислоту с природным газом, нефтеперерабатывающим газом, мазутом или другими источниками топлива. В процессе горения образуется газообразный диоксид серы ( SO 2) и триоксид серы ( SO 3), которые затем используются для производства «новой» серной кислоты. Установки SAR являются обычным дополнением к металлургическим заводам, нефтеперерабатывающим заводам и другим отраслям, где серная кислота потребляется в больших количествах, поскольку эксплуатация установок SAR намного дешевле, чем текущие затраты на утилизацию отработанной кислоты и закупку новой кислоты.

Перекись водорода ( H 2) может быть добавлен к серной кислоте для получения раствора пираньи, мощного, но очень токсичного очищающего раствора, с помощью которого можно очищать поверхности субстрата. Раствор Пираньи обычно используется в индустрии микроэлектроники, а также в лабораторных условиях для очистки стеклянной посуды.

Катализатор

Серная кислота используется для множества других целей в химической промышленности. Например, это обычный кислотный катализатор превращения циклогексаноноксима в капролактам, используемый для производства нейлона. Он используется для производства соляной кислоты из соли по методу Мангейма. Много H 2ТАК 4используются в нефтяной переработке, например, в качестве катализатора для реакции изобутана с изобутиленом с получением изооктано, соединения, которое поднимает октановое число из бензина (бензин). Серная кислота также часто используется в качестве дегидратирующего или окисляющего агента в промышленных реакциях, таких как дегидратация различных сахаров с образованием твердого углерода.

Электролит

Кислотные очистители канализации обычно содержат серную кислоту в высокой концентрации, которая окрашивает кусок pH-бумаги в красный цвет и мгновенно обугливает его, демонстрируя как сильную кислотность, так и свойство обезвоживания.

Серная кислота действует как электролит в свинцово-кислотных аккумуляторах (свинцово-кислотный аккумулятор):

На аноде :

Pb + SO 42− ⇌ PbSO 4+ 2 е -

На катоде :

PbO 2+ 4 H + + SO 42− + 2 e - ⇌ PbSO 4+ 2 Н 2 О
Кислотный очиститель канализации можно использовать для растворения жира, волос и даже папиросной бумаги внутри водопроводных труб.

Общий:

Pb + PbO 2+ 4 H + + 2 SO 42− ⇌ 2 PbSO 4+ 2 Н 2 О

Бытовое использование

Серная кислота в высоких концентрациях часто является основным ингредиентом кислотных очистителей канализации, которые используются для удаления жира, волос, папиросной бумаги и т. Д. Подобно их щелочным версиям, такие очистители канализации могут растворять жиры и белки путем гидролиза. Кроме того, поскольку концентрированная серная кислота обладает сильным обезвоживающим свойством, она также может удалять папиросную бумагу в процессе обезвоживания. Поскольку кислота может бурно реагировать с водой, такие кислотные открыватели стока следует добавлять медленно в очищаемую трубу.

История

Молекула серной кислоты Джона Дальтона 1808 года показывает центральный атом серы, связанный с тремя атомами кислорода, или триоксид серы, ангидрид серной кислоты.

Изучение купороса, категории стеклообразных минералов, из которых может быть получена кислота, началось в древние времена. У шумеров был список типов купороса, которые они классифицировали по цвету. Некоторые из самых ранних дискуссий о происхождении и свойствах купороса относятся к работам греческого врача Диоскорида (I век н.э.) и римского натуралиста Плиния Старшего (23–79 гг. Н.э.). Гален также рассказал о его медицинском использовании. Металлургические использование для ядовитых веществ были зафиксированы в эллинистических алхимических работах Зосима Панополитанского, в трактате Phisica и др Mystica, и Лейденский папирус X.

Средневековые исламские химики, такие как Джабир ибн Хайян (умер ок. 806 - ок. 816 г. н.э., известный на латыни как Гебер), Абу Бакр аль-Рази (865 - 925 г. н.э., известный на латыни как Разес), Ибн Сина (980 - 1037 г., известный на латыни как Авиценна), и Мухаммад ибн Ибрахим аль-Ватват ( 1234–1318 гг. н.э.) включили купорос в свои списки классификации минералов.

Средневековые европейские алхимики называли серную кислоту «купоросным маслом», потому что она была приготовлена ​​путем обжига «зеленого купороса» ( сульфата железа (II) ) в железной реторте. Первые смутные намеки на него появляются в работах Винсент Бове, в Композитум де Compositis приписываемого Санкт Альберт Великий, и в псевдо-Джабир «s Summa perfectionis (все тринадцатого века нашей эры).

В семнадцатом веке немецко-голландский химик Иоганн Глаубер получил серную кислоту путем сжигания серы вместе с селитрой ( нитрат калия, KNO 3), в присутствии пара. При разложении селитры окисляет серу до SO. 3, который соединяется с водой с образованием серной кислоты. В 1736 году лондонский фармацевт Джошуа Уорд использовал этот метод, чтобы начать первое крупномасштабное производство серной кислоты.

В 1746 году в Бирмингеме Джон Робак адаптировал этот метод для производства серной кислоты в камерах со свинцовым покрытием, которые были более прочными, менее дорогими и могли быть больше, чем использовавшиеся ранее стеклянные емкости. Этот процесс позволил эффективно индустриализировать производство серной кислоты. После нескольких усовершенствований этот метод, получивший название « свинцовый камерный процесс» или «камерный процесс», оставался стандартом для производства серной кислоты в течение почти двух столетий.

Серная кислота, созданная методом Джона Робака, приблизилась к концентрации 65%. Более поздние усовершенствования процесса свинцовой камеры французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком и британским химиком Джоном Гловером повысили концентрацию до 78%. Однако производство некоторых красителей и другие химические процессы требуют более концентрированного продукта. На протяжении 18 века это можно было получить только путем сухой перегонки минералов по методике, аналогичной первоначальным алхимическим процессам. Пирит (дисульфид железа, FeS 2) нагревали на воздухе с получением сульфата железа (II) FeSO 4, который окислился при дальнейшем нагревании на воздухе с образованием сульфата железа (III), Fe 2 (SO 4) 3, который при нагревании до 480 ° C разложился до оксида железа (III) и триоксида серы, которые могли пройти через вода для получения серной кислоты в любой концентрации. Однако стоимость этого процесса не позволила широко использовать концентрированную серную кислоту.

В 1831 году британский торговец уксусом Перегрин Филлипс запатентовал контактный процесс, который был гораздо более экономичным способом производства триоксида серы и концентрированной серной кислоты. Сегодня почти вся серная кислота в мире производится этим методом.

Безопасность

Лабораторные опасности

Капли 98% -ной серной кислоты мгновенно обугливают кусок папиросной бумаги. Углерод остается после реакции дегидратации, окрашивая бумагу в черный цвет. Поверхностный химический ожог от двух брызг 98% серной кислоты (кожа предплечья)

Серная кислота способна вызвать очень тяжелые ожоги, особенно в высоких концентрациях. Как и другие коррозионные кислоты и щелочи, он легко разлагает белки и липиды путем гидролиза амидов и сложных эфиров при контакте с живыми тканями, такими как кожа и плоть. Кроме того, он обладает сильным дегидратирующим свойством на углеводах, высвобождая дополнительное тепло и вызывают вторичные термические ожоги. Соответственно, он быстро атакует роговицу и может вызвать необратимую слепоту при попадании на глаза. При проглатывании он необратимо повреждает внутренние органы и даже может быть смертельным. Следовательно, при обращении с ним всегда следует использовать защитное снаряжение. Кроме того, его сильная окислительная способность делает его очень коррозионным по отношению ко многим металлам и может увеличивать его разрушение на других материалах. По этим причинам серная кислота может нанести более серьезный ущерб, чем другие сопоставимые сильные кислоты, такие как соляная кислота и азотная кислота.

Опасность C.svg Dangclass8.png

Серную кислоту необходимо осторожно хранить в емкостях из инертных материалов (например, из стекла). Растворы, равные или более сильные, чем 1,5 М, помечаются как «КОРРОЗИОННЫЕ», тогда как растворы с концентрацией больше 0,5 М, но менее 1,5 М обозначаются как «РАЗДРАЖАЮЩИЕ». Однако даже обычная лабораторная «разбавленная» марка (приблизительно 1 M, 10%) обугливает бумагу, если оставить ее в контакте в течение достаточного времени.

Стандартная процедура первой помощи при попадании кислоты на кожу, как и в случае других коррозионных агентов, - орошение большим количеством воды. Промывание продолжается не менее десяти-пятнадцати минут, чтобы охладить ткань, окружающую кислотный ожог, и предотвратить вторичное повреждение. Загрязненную одежду немедленно снимают, а кожу под ней тщательно промывают.

Опасности разбавления

Приготовление разбавленной кислоты может быть опасным из-за тепла, выделяемого в процессе разбавления. Чтобы избежать разбрызгивания, концентрированную кислоту обычно добавляют в воду, а не наоборот. Вода имеет более высокую теплоемкость, чем кислота, поэтому сосуд с холодной водой будет поглощать тепло при добавлении кислоты.

Сравнение серной кислоты и воды
Физическая собственность H 2 SO 4 Воды Единицы
Плотность 1,84 1.0 кг / л
Объемная теплоемкость 2,54 4,18 кДж / л
Точка кипения 337 100 ° C

Кроме того, поскольку кислота более плотная, чем вода, она опускается на дно. Тепло выделяется на границе раздела между кислотой и водой, которая находится на дне сосуда. Кислота не кипит из-за более высокой температуры кипения. Теплая вода возле границы раздела поднимается из-за конвекции, которая охлаждает поверхность раздела и предотвращает кипение кислоты или воды.

Напротив, добавление воды к концентрированной серной кислоте приводит к образованию тонкого слоя воды поверх кислоты. Тепло, выделяемое в этом тонком слое воды, может закипать, что приведет к рассеиванию аэрозоля серной кислоты или, что еще хуже, к взрыву.

Приготовление растворов с концентрацией более 6 М (35%) наиболее опасно, поскольку выделяемого тепла может быть достаточно для кипячения разбавленной кислоты: необходимы эффективное механическое перемешивание и внешнее охлаждение (например, ледяная баня).

Скорость реакции удваивается примерно на каждые 10 градусов Цельсия повышения температуры. Следовательно, по мере разбавления реакция будет становиться более бурной, если смеси не дать время остыть. Добавление кислоты в теплую воду вызовет бурную реакцию.

В лабораторных условиях серную кислоту можно разбавить, вылив концентрированную кислоту на колотый лед, сделанный из деионизированной воды. Лед тает в эндотермическом процессе, растворяя кислоту. Количество тепла, необходимое для плавления льда в этом процессе, превышает количество тепла, выделяемого при растворении кислоты, поэтому раствор остается холодным. После того, как весь лед растает, его можно разбавить водой.

Промышленные опасности

Серная кислота негорючая.

Основные профессиональные риски, связанные с этой кислотой, - это контакт с кожей, приводящий к ожогам (см. Выше), и вдыхание аэрозолей. Воздействие аэрозолей в высоких концентрациях приводит к немедленному и серьезному раздражению глаз, дыхательных путей и слизистых оболочек: оно быстро прекращается после воздействия, хотя существует риск последующего отека легких, если повреждение тканей было более серьезным. При более низких концентрациях наиболее частым симптомом хронического воздействия аэрозолей серной кислоты является эрозия зубов, обнаруженная практически во всех исследованиях: по состоянию на 1997 г. признаки возможного хронического повреждения дыхательных путей неубедительны. может увеличить вероятность рака легких до 64 процентов. В Соединенных Штатах допустимый предел воздействия (PEL) для серной кислоты установлен на уровне 1 мг / м 3: ограничения в других странах аналогичны. Сообщалось о приеме внутрь серной кислоты, приводящем к дефициту витамина B12 с подострой комбинированной дегенерацией. В таких случаях чаще всего поражается спинной мозг, но зрительные нервы могут демонстрировать демиелинизацию, потерю аксонов и глиоз.

Правовые ограничения

Международная торговля серной кислотой контролируется Конвенцией Организации Объединенных Наций о борьбе с незаконным оборотом наркотических средств и психотропных веществ 1988 года, в которой серная кислота включена в Таблицу II конвенции как химическое вещество, часто используемое при незаконном изготовлении наркотических средств или психотропных веществ.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-29 11:49:38
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте