Что показывает химическая формула h2so4
Свойства сернистой кислоты и её взаимодействие с другими веществами
Сернистая кислота — что она собой представляет
Сернистая кислота — это двухосновная кислородсодержащая кислота.
Сернистая кислота является неустойчивым веществом, распадающимся на диоксид серы S O 2 и воду. Валентность серы в сернистой кислоте равна IV, а степень окисления: +4. Структурная формула выглядит так:
Химические и физические свойства
Сернистый ангидрид S O 2 представляет собой бесцветный газ и обладает резким запахом.
Физические свойства сернистой кислоты:
Сернистая кислота в водном растворе является слабым электролитом. Диссоциация протекает обратимо по двум ступеням.
H 2 S O 3 ↔ H S O 3 – + H +
H S O 3 – ↔ S O 3 2 – + H +
В процессе самопроизвольного распада сернистой кислоты образуются диоксид серы и вода.
H 2 S O 3 ↔ S O 2 + H 2 O
Сернистая кислота вступает в химическую реакцию с сильными основаниями и их оксидами.
Взаимодействие сернистой кислоты с гидроксидами таких щелочных металлов, как натрий и калий, описывается уравнениями:
H 2 S O 3 + К О Н → K H S О 3 + H 2 O
H 2 S O 3 + 2 К О Н → К 2 S О 3 + 2 H 2 O
Среди всех химических свойств сернистой кислоты наиболее ярко выражены ее восстановительные свойства. Взаимодействуя с окислителями, сера повышают собственную степень окисления.
Обесцвечивание бромной воды с помощью сернистой кислоты:
H 2 S O 3 + B r 2 + H 2 O → H 2 S O 4 + 2 H B r
Процесс окисления сернистой кислоты азотной протекает достаточно легко по уравнению:
H 2 S O 3 + 2 H N O 3 → H 2 S O 4 + 2 N O 2 + H 2 O
Окисление сернистой кислоты с помощью озона:
H 2 S O 3 + O 3 → H 2 S O 4 + O 2
При контакте с сильными восстановителями могут проявляться окислительные свойства сернистой кислоты.
Взаимодействие сернистой кислоты и сероводорода сопровождается ее восстановлением до элементарной серы:
H 2 S O 3 + 2 Н 2 S → 3 S + 3 H 2 O
Качественная реакция на сернистую кислоту
Качественная реакция на сернистую кислоту представляет собой обесцвечивание раствора перманганата калия:
5 H 2 S O 3 + 2 K M n O 4 → 2 H 2 S O 4 + 2 M n S O 4 + K 2 S O 4 + 3 H 2 O
N a 2 S O 3 + 2 H C l → 2 N a C l + S O 2 ↑ + H 2 O
2 H + + S O 3 2 – → S O 2 ↑ + H 2 O
Способы получения и как применяется
Далее можно наблюдать реакцию, протекающую по уравнению:
C u ( м е д ь ) + 2 H 2 S O 4 ( с е р н а я к и с л о т а ) = C u S O 4 ( с у л ь ф а т с е р ы ) + S O 2 ( с е р н и с т ы й г а з ) + H 2 O ( в о д а )
Затем поток сернистого газа следует направить в пробирку с водой. При нахождении в ней газообразное вещество растворяется, частично протекает химическая реакция с водой. В итоге синтезируется сернистая кислота:
S O 2 ( с е р н и с т ы й г а з ) + H 2 O ( в о д а ) = H 2 S O 3
Таким образом с помощью пропускания сернистого газа через воду получают сернистую кислоту.
В процессе экспериментов с сернистым газом необходимо использовать индивидуальные средства защиты, так как вещество раздражает слизистую оболочку дыхательных путей. Подобное воздействие сопровождается воспалительным процессом и потерей аппетита. Длительное вдыхание сернистого газа приводит к потере сознания.
Сернистая кислота нашла применение в качестве восстановителя. Вещество используют для беления шерсти, шелка и других материалов, которые не способны выдержать отбеливание сильными окислителями в виде хлора. Сернистую кислоту используют в процессе консервирования плодов и овощей, а также для:
Формула серной кислоты
Химическая и структурная формула серной кислоты
Химическая формула: H2SO4
Молекулярная масса: 98,078г/моль.
Физические свойства серной кислоты
При обычных условиях – тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха (может иметь желтоватый оттенок), с кислым «медным» вкусом. Температура кристаллизации чистой серной кислоты +10°С.
Неограниченно смешивается с водой с выделением большого количества тепла, поэтому во избежание «вскипания» раствора всегда следует добавлять серную кислоту в воду, а не наоборот.
Раствор SO3 в серной кислоте называется олеум. Олеум содержит пиросерные кислоты, образующиеся по реакциям:
Химические свойства серной кислоты
Разбавленная серная кислота проявляет типичные свойства кислот:
Концентрированная серная активно поглощает пары воды, способна вытеснять воду из органических соединений, с образованием углерода, воды и выделением тепла (обугливание сахара):
сахароза
(конц)
уголь
пар
Концентрированная серная кислота – очень сильный окислитель:
(конц)
(конц)
(конц)
Качественная реакция на сульфат-ион – взаимодействие с растворимыми солями бария, с образованием нерастворимого в воде и кислотах белого осадка сульфата бария:
Концентрированная серная кислота – очень едкое вещество. При попадании на живые ткани дегидрирует углеводороды, выделяя избыточное тепло, что приводит к вторичному термическому ожогу, дополнительно к химическому ожогу. Поэтому повреждения, вызываемые серной кислотой, потенциально более опасны, чем повреждения, вызванные другими кислотами.
Примеры решения задач
| Задание | Рассчитать, сколько мл 96%-ного раствора серной кислоты с плотностью 1,8355 г/см  необходимо взять для приготовления одного литра 30%-ного раствора (плотность 1,219 г/см)? |
| Решение | Масса серной кислоты в 1 л 30%-ного раствора равна: |
г
Масса серной кислоты в 1 мл 96%-ного раствора равна:
г
Объем 96%-ного раствора серной кислоты будет равен:
мл
| Задание | К 3 л воды прибавили 2 мл 96% серной кислоты, плотность которой равна 1,84 г/мл. Вычислить pH полученного раствора. |
| Решение | Серная кислота – сильная кислота, в растворе полностью диссоциирует на ионы: |
Рассчитаем массу раствора серной кислоты:
г
Рассчитаем массу серной кислоты в растворе:
г
Молярная масса серной кислоты равна 98 г/моль.
Найдем количество вещества серной кислоты в растворе:
моль
Суммарный объем раствора будет равен:
л
Рассчитаем молярную концентрацию серной кислоты:
моль/л
Из уравнения реакции диссоциации серной кислоты следует, что концентрация ионов водорода равна:
моль/л
Серная кислота. Общая характеристика, получение, химические свойства
Серная кислота, также известная как масло витриола, или купоросное масло представляет собой минеральную кислоту, состоящую из элементов серы, кислорода и водорода, с молекулярной формулой H2SO4.
Она является бесцветной, не имеющей запаха вязкой жидкостью, которая растворима в воде и синтезируется в реакциях, которые являются сильно экзотермическими.
Чистая серная кислота является вязкой прозрачной жидкостью, как масло, и это объясняет старое название кислоты («масло витриола»).
Обладает следующими важными характеристиками:
Серная кислота в истории
Мухаммад ибн Закарий аль-Рази (854-925) считается первым, кто произвел серную кислоту. Серная кислота была названа «маслом витриола» средневековыми европейскими алхимиками, потому что она была приготовлена обжаркой «зелёного купороса» (сульфата железа (II)) в железной реторте.
В 1736 году лондонский фармацевт Джошуа Уорд использовал этот метод для начала первого крупномасштабного производства серной кислоты.
После нескольких уточнений этот способ, называемый процессом в свинцовой камере или «камерный процесс», оставался стандартом для производства серной кислоты в течение почти двух столетий.
В 1831 году британский торговец уксусом Перегрин Филлипс запатентовал «контактный процесс», который был гораздо более экономичным процессом производства серного ангидрида и концентрированной серной кислоты.
Получение серной кислоты
Существует несколько способов получения серной кислоты, в частности
Серная кислота и Вода
Концентрированная серная кислота обладает очень мощным дегидратирующим свойством, удаляя воду (H2O) из других химических соединений, включая сахар и другие углеводы, и получая углерод, тепло и пар.
Приготовление разбавленной кислоты может быть опасным из-за тепла, выделяющегося в процессе разбавления.
Вода обладает более высокой теплоемкостью, чем кислота, и поэтому сосуд из холодной воды будет поглощать тепло по мере добавления кислоты.
Поскольку реакция гидратации серной кислоты является очень экзотермической, разбавление всегда должно осуществляться добавлением кислоты к воде, а не воды к кислоте.
Реакция находится в равновесии, которое способствует быстрому протонированию воды, добавление кислоты к воде гарантирует, что кислота является ограничительным реагентом.
Эту реакцию лучше всего рассматривать как образование ионов гидроксония:
Серная кислота и Ожоги
Серная кислота способна вызывать сильные ожоги, особенно когда она находится в высоких концентрациях.
Серная кислота и ее Опасность
Основными профессиональными рисками, создаваемыми этой кислотой, являются контакт с кожей, приводящий к ожогам и вдыхание паров.
При более низких концентрациях наиболее часто сообщаемым симптомом хронического воздействия сернокислотных аэрозолей является эрозия зубов, обнаруженная практически во всех исследованиях.
В США допустимый предел воздействия на серную кислоту установлен на уровне 1 мг/м3: пределы в других странах аналогичны. Были сообщения о приеме серной кислоты в пищу, приводящем к дефициту витамина B12 с комбинированной дегенерацией.
Серная кислота и ее Применение
Производство H2SO4 в стране является хорошим показателем ее промышленной прочности.
Мировое производство в 2004 году составило около 180 миллионов тонн при следующем географическом распределении:
Большая часть этого количества (≈60%) потребляется на удобрения, в частности на 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 кислотизация нефтяных скважин, восстановление алюминия, проклеивание бумаги, обработка воды.
Около 6% применений относятся к пигментам и включают краски, эмали, печатные краски, мелованные ткани и бумагу.
Остальное количество ( ≈14% ) применяется в таких отраслях, как производство взрывчатых веществ, целлофана, ацетата и вискозного текстиля, смазочных материалов, цветных металлов и батарей.
Серная кислота и Водоросли
H2SO4 используется в качестве защиты некоторыми морскими видами, например, фаэофит Desmarestia munda (порядок Desmarestiales) концентрирует серную кислоту в клеточных вакуолях.
Серная кислота и Венера
Серная кислота образуется в верхних слоях атмосферы Венеры при фотохимическом воздействии Солнца на диоксид углерода, диоксид серы и водяной пар.
В верхних, более холодных частях атмосферы Венеры серная кислота существует в виде жидкости, а густые облака серной кислоты полностью затмевают поверхность планеты, если смотреть сверху.
Серная кислота и Европа
Инфракрасные спектры, полученные космическим аппаратом NASA Galileo, показывают различные поглощения на спутнике Юпитера Европе, которые приписываются одному или нескольким гидратам серной кислоты.
Трактовка спектров несколько спорна. Некоторые планетологи предпочитают присваивать спектральные особенности сульфатному иону, возможно, как части одного или нескольких минералов на поверхности Европы.
Серная кислота на Земле
Чистая серная кислота не встречается естественным образом на Земле в безводной форме из-за ее большого сродства к воде.
Диоксид серы является основным побочным продуктом, получаемым при сжигании серосодержащих видов топлива, таких как уголь или нефть.
Поскольку серная кислота достигает перенасыщения в стратосфере, она может образовать частицы аэрозоля и обеспечить поверхность для роста аэрозоля путем конденсации и коагуляции с другими аэрозолями вода-серная кислота, что приводит к образованию стратосферного аэрозольного слоя.
Таблица 1: Химические свойства серной кислоты
Реагенты
Разбавленная H2SO4
Концентрированная H2SO4
Металлы активные
(Ca, Na, Ba, Zn, Mg)
Металлы средней активности
(Fe, Sn, Cr, Co, Ni, Pb)
Малоактивные металлы
(Hg, Ag, Cu, Bi)
H2SO4 (k.) + Au, Pt ≠ ни при каких условиях
Формула и физические свойства
Одно из основных соединений в промышленности — серная кислота — имеет химическую формулу H2SO4. Её молекула состоит из четырёх атомов кислорода, двух — водорода и одного — серы. Эта токсичная плотная маслянистая жидкость без запаха в очищенном состоянии не имеет цвета и обладает характерным «медным» привкусом. Плотность при нормальных условиях составляет 1,84 г/куб. см. Примеси придают неочищенному продукту желтоватую или буро-жёлтую окраску.
Медикам и строителям давно известен природный гипс — кристаллогидрат сульфата кальция. Садоводы и огородники любят медный купорос — ценный помощник в борьбе с различными вредителями и болезнями растений. Квасцы незаменимы в производстве красок и для дубления кожи. Десятиводный кристаллогидрат сульфата натрия — «глауберова соль» — используется в химической промышленности, деревопереработке и медицине (слабительное и желчегонное средство для людей и животных).
Сульфат бария или «бариевая каша» обладает уникальной способностью взаимодействовать с рентгеновским излучением, задерживая его, и это большой плюс при исследованиях полых органов человеческого тела.
Способы промышленного производства
В качестве сырья долгое время использовался природный минерал пирит — «серный колчедан». Сегодня ему на смену пришли элементарная сера или её соединения: сероводород, соли — сульфиты и сульфаты, а также газовые отходы теплоэлектростанций, работающих на неочищенной нефти. Производство имеет ряд последовательных стадий:
В общем объёме минеральных кислот, которые производятся сегодня химической промышленностью, H2SO4 занимает почётное первое место. При этом она является наиболее дешёвой, технологичной и не разрушает чёрные металлы в концентрированном состоянии.
Камерный метод получения
В эпоху средневековья алхимики синтезировали купоросное масло т. н. камерным способом. Для этого использовались специальные большие, размером с целую комнату, камеры, обложенные изнутри свинцом. Поверхности стенок в результате окисления покрывались защитным слоем сульфата свинца. При горении в присутствии воздуха смеси, состоящей из серы и калиевой селитры, образовывался твёрдый остаток оксидов азота и солей калия и выделялся газообразный оксид серы (III).
Он поглощался водой, имевшейся в камере, и позволял получить продукт малой крепости, которая требовала дальнейшей концентрации. После открытия каталитических свойств оксидов азота, камерный метод уступил место менее трудоёмким и более эффективным технологиям производства.
Современные способы синтеза
«Едва ли найдётся другое, искусственно добываемое вещество, столь часто применяемое в технике» — эти слова гениального русского учёного Д. И. Менделеева наглядно характеризуют ценность серной кислоты. Сегодня при её производстве используются две методики окисления диоксида серы:
При контактном способе смесь реагентов пропускается сквозь твёрдый катализатор, расположенный слоями для увеличения поверхности. Нитрозный метод подразумевает орошение сырья водой или разбавленной кислотой в башенных реакторах. Первый способ более производителен и компактен, позволяет получать продукт большей чистоты при меньших затратах и постепенно вытесняет нитрозного конкурента.
Ускорителей процесса окисления было открыто немало. Наибольший эффект проявляют платина, оксиды ванадия V2O5 и железа Fe2O3. Но первая стоит дорого и быстро отравляется примесями мышьяка, содержащимися в газовой фазе SO2. Для поддержания каталитической активности оксида железа необходимы температуры свыше 600 °C. Наиболее экономичным признан ванадиевый катализатор — он и применяется в производстве.
При улавливании SO3 водой выделяется много тепла, и продукт закипает с образованием аэрозоля. Поэтому используется 100% концентрированная кислота, и получается олеум, который затем разбавляется до необходимых пропорций.
Химические свойства продукта
Серная кислота занимает привилегированное положение среди наиболее сильных минеральных кислот. Такую активность легко охарактеризовать высокой полярностью молекулярной связи водород — кислород, и, соответственно, лёгкостью её разрыва. Это придаёт H2SO4 не только ряд общих для всех соединений её класса свойств, например, взаимодействие кислот с металлами, но и специфические качества. Среди основных химических свойств стоит отметить:
Специфические свойства концентрированных растворов обусловлены структурными особенностями формулы серной кислоты: в молекуле H2SO4 положительно заряженный атом серы находится в максимальной, четвёртой степени окисления. Поэтому он может только принимать электроны и сообщать соединению высокие окислительные свойства. Стоит отметить некоторые из них:
Интересно, что в природе эта едкая кислота встречается в чистом 100%-м виде: на итальянском острове Сицилия существует уникальное Озеро смерти, к которому не приближаются даже насекомые и птицы. В этих местах дисульфид железа из земной коры выступает сырьём для синтеза H2SO4, и продукт сочится прямо из дна! Действующие вулканы тоже вносят вклад — извергают в земную атмосферу сернокислотные выбросы, которые причиняют непоправимый вред окружающей среде и становятся причиной серьёзных климатических изменений.
Применение в народном хозяйстве
Достижения химии всегда служили научно-техническому прогрессу. Высокие окислительные способности позволили H2SO4 стать важным компонентом в ряде отраслей промышленности. Её используют:
Отдельно стоит упомянуть промышленный органический синтез — источник эфиров и спиртов, синтетических моющих средств и искусственных волокон. Он немыслим реакций дегидратации, гидратации, сульфирования, алкилирования. Металлообрабатывающие заводы очищают поверхности изделий от окислов, образующихся при сильном нагревании. Но основным потребительским сегментом является изготовление минеральных удобрений (больше всего — фосфорных). Из-за этого сернокислотные заводы рекомендуется размещать недалеко от предприятий по производству этих ценных химических продуктов.
Все приведённые положительные характеристики были бы неполными, если не вспомнить, что серная кислота и олеум — опасные, чрезвычайно агрессивные продукты. Атмосферные кислотные аэрозоли периодически образуются в результате выбросов металлургических и химических заводов и выпадают в виде осадков. Они поражают кожу и слизистые, что приводит к затруднению дыхания, провоцирует кашель и бронхолёгочные заболевания с отёками гортани.
При попадании на кожные покровы возникают химические ожоги, их тяжесть напрямую зависит от концентрации и площади контакта. При проглатывании появляются резкие боли во рту и пищеводе, затем начинается рвота, кашель, затрудняется дыхание и ослабляется сердечная деятельность, а смертельной считается доза 5 мг. Первая помощь при отравлении парами заключается в обеспечении притока свежего воздуха и промывании слизистых содовым раствором. При растекании по коже поражённое место обильно орошают водой, а проглатывание требует промывания желудка и приёма известковой воды.