Серная кислота

Се́рная кислота́ H2SO4 — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом. Если молярное отношение SO3: Н2О < 1, то это водный раствор серной кислоты, если > 1, — раствор SO3 в серной кислоте.

Содержание

Физические и физико-химические свойства

Молекулярная масса 98,082 г/моль; бесцветная маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, при 18°C pKa1 −2,8, К2 1,2 10², рKa2 1,92; длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S—ОН 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит, образуя азеотропную смесь (98,3 % H2SO4 и 1,7 % Н2О с температурой кипения 338,8 °C). Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H2SO4, имеет состав (%): H2SO4 99,5, HSO4- 0,18, H3SO4+ 0,14, Н3О+ 0,09, Н2S2О7, 0,04, HS2O7- 0,05. Смешивается с водой и SO3, во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на Н+, HSO4-, и SO42-. Образует гидраты Н2SO4·nН2О, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Олеум

Растворы SO3 в cерной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H2SO4·SO3 и H2SO4·2SO3. Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции:

Н2SO4 + SO3 → H2S2O7.

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

Свойства водных растворов серной кислоты и олеума
Содержание % по массе Плотность при 20 °C, г/см³ Температура кристаллизации, °C Температура кипения, °C
H2SO4 SO3 (свободный)
10 - 1,0661 −5,5 102,0
20 - 1,1394 −19,0 104,4
40 - 1,3028 −65,2 113,9
60 - 1,4983 −25,8 141,8
80 - 1,7272 −3,0 210,2
98 - 1,8365 0,1 332,4
100 - 1,8305 10,4 296,2
104,5 20 1,8968 −11,0 166,6
109 40 1,9611 33,3 100,6
113,5 60 2,0012 7,1 69,8
118,0 80 1,9947 16,9 55,0
122,5 100 1,9203 16,8 44,7

Температура кипения олеума с увеличением содержания SO3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов cерной кислоты общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3 % Н2SO4 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:

lgp(Па) = A — B/T + 2,126,

величины коэффициентов А и В зависят от концентрации серной кислоты. Пар над водными растворами серной кислоты состоит из смеси паров воды, Н2SO4 и SO3, при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях cерной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.

С повышением температуры усиливается диссоциация Н2SO4 ↔ H2O + SO3 — Q, уравнение температурной зависимости константы равновесия lnKp = 14,74965 − 6,71464ln(298/T) — 8,10161·104T² — 9643,04/T — 9,4577·10-3T + 2,19062·10-6T². При нормальном давлении степень диссоциации: 10-5 (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К). Плотность 100%-ной cерной кислоты можно определить по уравнению: d = 1,8517 − 1,1·10-3t + 2·10-6t² г/см³. 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)·С/100, где С-концентрация серной кислоты, в %. Максимальнаую вязкость имеет олеум Н2SO4·SO3, с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации 30 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 — довольно сильный окислитель, особенно при нагревании; окисляет HI и частично НВr до свободных галогенов, углерод до СО2, S — до SO2, окисляет многие металлы (Cu, Hg и др.). При этом серная кислота восстанавливается до SO2, а наиболее сильными восстановителями — до S и H2S. Концентрированная H2SO4 частично восстанавливается Н2. Из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, с выделением Н2. Окислительные свойства для разбавленной H2SO4 нехарактерны. Серная кислота дает два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) Н25; и пероксодисерная H2S2O8 кислоты.

Применение

Серную кислоту применяют:

  • В производстве минеральных удобрений;
  • Как электролит в свинцовых аккумуляторах;
  • Для получения различных минеральных кислот и солей,
  • В производстве химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ,
  • В нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности.
  • В пищевой промышленности используется в качестве эмульгатора (пищевая добавка E513).
  • В промышленном органическом синтезе в реакциях:
    • дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);
    • гидратации (этанол из этилена);
    • сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);
    • алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.

Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На 1 т Р2О5 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH4)2SO4 — 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Токсическое действие

Серная кислота и олеум — чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

Получение серной кислоты

Полная статья: производство серной кислоты.

Стандарты

Литература

  • Справочник сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971;
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home