Серная кислота и ее взаимодействие с металлами и неметаллами

Серная кислота — самая известная из всех существующих. Известна ее опасность: растворяет она все едва ли не мгновенно, стоит только к ней подойти, и даже стоять рядом с этим реагентом нельзя. Отчасти все это правда, но взаимодействие серной кислоты с металлами, неметаллами, водой и прочими соединениями подчинено определенным «правилам». К тому же это вещество находит свое применение и в повседневной жизни.

Оглавление:

• Описание соединения
• Химические характеристики
• Получение и применение

Описание соединения

Серная кислота (формула H2SO4) — вещество, отвечающее максимальной степени окисления серы +6. Ей соответствует оксид SO3, который сам по себе является нестойким, и при присоединении воды образует указанное вещество.

Безводная H2SO4 — жидкость, тяжелее воды, маслянистая на вид, не имеющая цвета, затвердевающая при температуре 10,4°C. Она очень гигроскопична (сильно поглощает влагу из воздуха), жадно соединяется с водой, причем может отнимать даже ту, что находится в химически связанном состоянии, поэтому вещество быстро обугливает сахар и бумагу. Все эти свойства более сильно выражены у олеума (раствор серного ангидрида SO3 в концентрированной H2SO4).

При химических опытах, в которых участвует серная кислота, обязательно соблюдать последовательность: наливать в воду кислоту, но не наоборот. В противном случае вода моментально разогреется (иногда сразу до кипения) и произойдет выброс едкого вещества.

Примечание: у химиков есть особая «поговорка», которая не позволит забыть правильную последовательность. Звучит она так: «Сначала вода, потом — кислота. А если ты спутаешь, будет беда».

При нагревании концентрированной (100%) выше 300 °C она частично разлагается, при этом выделяется сернистый ангидрид (SO2). Раствор, содержащий 98,3% H2SO4, имеющий плотность 1,841 г/см3, перегоняется без разложения при t=336,5°C.

Химические характеристики

С точки зрения химии — это сильная двухосновная кислота, поэтому может образовывать 2 вида солей: кислые — гидросульфаты и средние — сульфаты. Для H2SO4 характерны все свойства, присущие сильным кислотным соединениям. В разбавленном состоянии она реагирует с основными оксидами, основаниями и солями. В ней растворяются металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода (то есть в реакции не будут вступать только медь, ртуть, палладий, платина, золото, сурьма, висмут, серебро). Реакции возможны с такими Me:

• Свинец.
• Олово;
• Никель;
• Кобальт;
• Кадмий.
• Железо.
• Цинк.
• Хром и прочие.

При взаимодействии образуются сульфаты и выделяется водород (газообразный) или вода — все будет зависеть от концентрации серной кислоты: Zn + H2SO4 (разб.) → ZnSO4 + H2; 4H2SO4 + 3Zn → 3ZnSO4 + 4H2O + S.

При растворении металлов, имеющих несколько степеней окисления, образуются сульфаты металлов с низшей степенью окисления: Sn + H2SO4 → SnSO4 + H2. Концентрированная серная кислота по своим свойствам резко отличается от разбавленной. Она почти не диссоциирует, не взаимодействует с железом без нагревания (пассивирует его): 2Fe + 6H2SO4 (к) → Fe2 (SO4)3 + 3SO2 + 6H2O. Это дает возможность перевозить и хранить это вещество в стальных цистернах.

Пассивация —переход поверхности металла в неактивное состояние. Процесс применяют в промышленности, чтобы защитить металлические детали от коррозии.

Аналогично будут протекать процессы и с участием металлического Cr (хром) и Al (алюминий). Здесь также потребуется нагревание. Реакции можно записать так:

• 2Cr + 6H2SO4 (к) → Cr2 (SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.
• 2Al + 6H2SO4 (к) → Al2 (SO4)3 + 6H2O + 3SO2.

Неметаллы реагируют с серной кислотой почти по аналогичному принципу: они окисляются до высшей степени окисления, образуя сульфаты. Побочным продуктом процесса будет выделение воды и SO2 (оксид серы с валентностью 4, другое название — сернистый ангидрид):

• 2P + 5H2SO4 → 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O.
• S + 2H2SO4 → 3SO2 + 2H2O.

Неактивные металлы с разбавленной серной кислотой не взаимодействуют. В концентрированном виде это соединение — сильный окислитель, способное вступать в реакцию с некоторыми металлами, находящимися в ряду напряжений справа от водорода (например, Cu, Ag, Hg), и многими неметаллами, например, с углеродом: C + H2SO4 (к., горячая) → CO2 + 2SO2 + 2H2O.

Получение и применение

Существует 2 промышленных способа получения соединения: контактный и нитрозный. Первый метод состоит в процессе обжига в специальной печи сульфидной руды (обычно это железный колчедан FeS2). В результате образуется обжиговый газ, содержащий порядка 9% сернистого ангидрида. Полученный промежуточный продукт очищают от примесей, затем окислением переводят в серный ангидрид (SO3):

• 2SO2 + O2 → 2SO3 — каталитический процесс, в качестве вещества, ускоряющего реакцию, используются оксид ванадия V2O5.
• SO3 + H2O → H2SO4.

Второй способ — нитрозный (другое название башенный) заключается в окислении сернистого газа оксидами азота. Процесс происходит по реакциям:

• SO2 + H2O → H2SO3 (сернистая кислота).
• 2NO + O2 → 2NO2 (двуокись азота).
• H2SO3 + NO2 → H2SO4 + NO.

Концентрация получаемого вещества при таком способе достигает 78%. Часто именно этот продукт называют аккумуляторным: его используют для заливки свинцовых аккумуляторов. Правда, перед использованием разбавляют дистиллированной водой до 30−40%.

H2SO4 находит широкое применение:

1. Получение других кислот (азотной, плавиковой, соляной, фосфорной), сульфатов, простых и сложных эфиров.
2. Органический синтез: в качестве дегидратирующего агента при получении сложных эфиров, этоксиэтана, в процессах алкилирования, сульфирования, восстановления смол при производстве дистиллированной воды.
3. Очистка газов (осушающий агент).
4. Производство красителей, взрывчатки.
5. Пищевая промышленность — в качестве эмульгатора E513.
6. Обработка руд, особенно при добыче редких элементов, включая уран, цирконий, иридий, осмий.
7. Нефтяная промышленность, текстильная, кожевенная.
8. Металлообрабатывающая индустрия и прочие.

Однако наибольший потребитель этого соединения — отрасль производства минеральных удобрений — азотные, фосфорные, поэтому заводы по их изготовлению обычно находятся вблизи с сернокислотными предприятиями.