Серная кислота и сульфаты

Серная кислота (H₂SO₄) представляет собой вязкую бесцветную жидкость с резким едким запахом, сильно гигроскопична, легко растворяет воду с выделением тепла (реакция сопровождается сильным нагревом). Плотность концентрированной серной кислоты составляет около 1,84 г/см³ при 20 °C, точка кипения — 337 °C. Водные растворы серной кислоты проявляют высокую электрическую проводимость, что связано с полной диссоциацией на ионы H⁺ и HSO₄⁻ в разбавленных растворах.

Серная кислота обладает мощными дегидратирующими свойствами, способна выводить воду из органических веществ, образуя углеродистые остатки, что используется в лабораторной практике для обнаружения органических соединений. Она также является сильным окислителем в концентрированном виде, особенно при нагревании или взаимодействии с восстановителями, такими как металлическое железо или медь.

Химические свойства серной кислоты

1. Кислотные свойства. H₂SO₄ — двухосновная кислота, диссоциирует ступенчато:

  1. H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄⁻
  2. HSO₄⁻ ⇌ H⁺ + SO₄²⁻

Эта особенность определяет её способность образовывать соли двух типов: гидросульфаты (HSO₄⁻) и сульфаты (SO₄²⁻).

2. Дегидратирующие свойства. При взаимодействии с сахаром (C₁₂H₂₂O₁₁) серная кислота удаляет воду:

C₁₂H₂₂O₁₁ → 12 C + 11 H₂O

При этом наблюдается сильное выделение тепла и образование черного углеродистого остатка.

3. Окислительные свойства. Концентрированная H₂SO₄ окисляет некоторые металлы и неметаллы:

  • С реактивами, находящимися выше водорода в ряду активности, протекает стандартная кислотная реакция с выделением водорода: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑

  • С благородными металлами (Cu, Ag, Hg) концентрированная горячая кислота действует как окислитель: Cu + 2 H₂SO₄(к.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2 H₂O

4. Реакции с основаниями и оксидами. Серная кислота образует с основаниями и оксидами соли:

  • NaOH + H₂SO₄ → NaHSO₄ + H₂O
  • 2 NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2 H₂O
  • MgO + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂O

Получение серной кислоты

1. Контактный способ. Основной промышленный метод включает три стадии:

  1. Сжигание серы или пирита для получения SO₂: S + O₂ → SO₂ 4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂

  2. Каталитическое окисление SO₂ до SO₃ на V₂O₅: 2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃

  3. Абсорбция SO₃ в концентрированной серной кислоте для получения олеума, последующая разбавка водой до нужной концентрации: SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇ H₂S₂O₇ + H₂O → 2 H₂SO₄

2. Лабораторные методы. В лаборатории H₂SO₄ получают путем концентрирования до высокой плотности раствора или при взаимодействии концентрированной H₂SO₄ с соответствующими сульфитами: NaHSO₃ + H₂SO₄ → NaHSO₄ + SO₂↑ + H₂O

Сульфаты: классификация и свойства

1. Простые сульфаты. Образуются взаимодействием серной кислоты с основаниями, оксидами или карбонатами металлов:

  • Na₂CO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O
  • CaO + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂O

Сульфаты могут быть гидратированными и безводными. Например: Na₂SO₄·10H₂O (глауберова соль), CaSO₄·2H₂O (гипс).

2. Физические свойства сульфатов.

  • Большинство сульфатов хорошо растворимы в воде (исключение: BaSO₄, PbSO₄, CaSO₄ — малорастворимы).
  • Растворы проводят электрический ток, что свидетельствует о полной диссоциации на ионы SO₄²⁻ и катионы металлов.

3. Химические свойства.

  • Взаимодействие с сильными кислотами может приводить к выпадению малорастворимых сульфатов: BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2 HCl
  • Термическое разложение некоторых сульфатов ведёт к образованию оксидов: Na₂SO₄ → (при >1000 °C) Na₂O + SO₃

4. Применение сульфатов.

  • В промышленности используются как сырьё для получения других химических соединений (например, Na₂SO₄ для стекольной промышленности).
  • В медицине и сельском хозяйстве применяют гидратированные сульфаты (MgSO₄ как слабительное и удобрение).

Особенности химии серной кислоты и сульфатов

  • Сильная кислотность концентрированной H₂SO₄ делает её универсальным реагентом для кислотно-основных реакций и дегидратации.
  • Сульфаты проявляют разнообразие растворимости, что используется для качественного анализа и осаждения ионов металлов.
  • Серная кислота участвует в окислительно-восстановительных процессах, что делает её важным компонентом в промышленной химии для получения солей, олеума и других серосодержащих соединений.
Оглавление