Пользовательский поиск

Раствор серной кислоты, его реакции и взаимодействие

Серная кислота – это высококоррозийная сильная минеральная кислота с молекулярной формулой H2SO4. Это бесцветная вязкая жидкость, которая может иметь слегка желтый оттенок, растворимая в воде во всех концентрациях. Серная кислота может быть окрашена в темно-коричневый цвет во время процесса промышленного производства, чтобы предупредить людей об ее опасности. Историческое название серной кислоты – купоросное масло.

Продолжение ниже

А. фон Герцеле: вегетативное происхождение фосфора и серы

... длинной серии опытов над вегетацией я наблюдал, что количество фосфорной кислоты, содержащейся в растениях, не всегда совпадает с количеством ... ... факты совпадают с ними. Итак, 20г семян кресс-салата дают, если кроме серной кислоты учесть содержащуюся в них серу как серную кислоту, 0,462 ...

Читать дальше...

всё на эту тему


Серная кислота – это двухосновная кислота и обладает различными свойствами в зависимости от ее концентрации. Ее коррозионную активность для других материалов, как металлы, живые ткани (например, кожа и плоть) или даже камни, можно в основном приписать ее сильной кислотной природе и в концентрированном виде сильным свойствам дегидратации и окисления. Серная кислота в высокой концентрации может вызвать очень серьезные повреждения при контакте, так как она не только вызывает химический ожог через гидролиз, но и вторичный термический ожог через дегидратацию. Серная кислота обжигает роговицу и может привести к постоянной слепоте, если плеснуть ею в глаза. Таким образом, следует принять серьезные меры безопасности при ее использовании. Более того, она гигроскопична, быстро поглощая водяные пары из воздуха.

Название по IUPAC

Серная кислота

Другие названия

Купоросное масло

Идентификаторы

Регистрационный номер CAS

7664-93-9

Номер в базе данных ChemSpider

1086

Идентификатор UNII

O40UQP6WCF

Номер ЕС

231-639-5

UN-номер

1830

Номер в базе данных KEGG (Киотская энциклопедия генов и геномов)

D05963

Номер в базе данных ChEBI

CHEBI:26836

Номер в базе данных ChEMBL

CHEMBL572964

Номер в RTECS (Регистр токсических эффектов химических соединений)

WS5600000

Свойства

Молекулярная формула

H2SO4

Молярная масса

98,079 г/моль

Внешний вид

Прозрачная, бесцветная жидкость без запаха

Плотность

1,84 г/мм3 (жидкость)

Точка плавления

10°C, 283 K

Точка кипения

337 °C, 610 K (когда серная кислота нагревается выше 300°C, она медленно распадается)

Растворимость в воде

Растворяется

Кислотность (pKa)

−3, 1,99

Вязкость

26,7 СГС (20°C)

Термохимия

Стандартная энтальпия образования ΔfHo298

−814 кДж·моль−1

Стандартная молярная энтропия So298

157 Дж·моль−1·K−1

Угроза

MSDS (Сертификат безопасности материала)

Внешний MSDS

Сигнальное слово по GHS

Опасно

Индекс угрозы по GHS (Глобальная гармонизированная система классификации и маркировки химикатов)

H314

Индекс предупреждения по GHS

P260, P264, P280, P301+330+331, P303+361+353, P363, P304+340, P305+351+338, P310, P321, P310, P405, P501

Индекс ЕС

016-020-00-8

Классификация ЕС

C – Коррозийный
N – Опасный для окружающей среды

T – Токсичный

R- обороты

R35

S-обороты

(S1/2) S26 S30 S45

Точка воспламенения

Не воспламеняется

Допустимый предел воздействия США

15 мг/м3 (мгновенная опасность для жизни и здоровья), 1 мг/м3(средневзвешенная по времени величина), 2 мг/м3 (предел кратковременного воздействия)

Летальная доза

2140 мг/кг (перорально, крысы), летальная концентрация = 25 мг/м3 (вдыхание, крысы)

Связанные соединения

Связанные сильные кислоты

Селеновая кислота
Соляная кислота
Азотная кислота
Хромовая кислота

Связанные соединения

Сернистая кислота
Пероксимоносерная кислота
Триоксид серы
Олеум

Дополнительные данные

Структура и свойства

n, εr и т.д.

Термодинамические данные

Фазовое поведение
Твердое состояние, жидкость, газ

Спектральные данные

УФ, ИК, ЯМР, МС

Имея различные химические свойства, серная кислота обладает широким диапазоном применений, в том числе в качестве бытового кислотного канализационного очистителя, электролита в свинцово-кислотных батареях и различных очищающих средств. Она также является ключевым веществом в химической промышленности. Основное применение включает минеральную обработку, производство удобрений, очистку нефти, обработку сточных вод и химический синтез. Серную кислоту широко производят посредством различных методов, например, контактного процесса, процесса мокрого катализа и некоторых других способов.

Содержание статьи:

  1. История серной кислоты
  2. Физические свойства серной кислоты
    1. Степени серной кислоты
    2. Полярность и проводимость
  3. Химические свойства серной кислоты
    1. Реакции с водой и свойство дегидратации
    2. Кислотно-основные свойства
    3. Реакции с металлами и сильные окисляющие свойства
    4. Реакции с неметаллами
    5. Реакция с хлоридом натрия
    6. Электрофильное замещение в ароматическом ряду
  4. Распространенность
    1. Внеземная серная кислота
      1. Венера
      2. Европа
  5. Производство серной кислоты
    1. Контактный процесс
    2. Процесс мокрого катализа серной кислоты
    3. Другие методы
  6. Применение серной кислоты
    1. Промышленное производство химикатов
    2. Цикл сера-йод
    3. Промышленное средство очищения
    4. Катализатор
    5. Электролит
    6. Применение в быту
    7. Здоровье
  7. Безопасность серной кислоты
    1. Лабораторная опасность
    2. Промышленная опасность
  8. Юридические ограничения

История серной кислоты

Изучение купороса началось в древние времена. У шумеров был список видов купороса, который они классифицировали по цвету вещества. Некоторые из ранних обсуждений происхождения и свойств купороса можно найти в работах греческого врача Диоскорида (первый век н.э.) и римского натуралиста Плиния Старшего (23–79 н.э.). Гален также обсуждал его медицинское использование. Использование купоросных веществ в металлургии описано в древнегреческих алхимических работах Зосимы из Панополиса, в тезисе «Phisica et Mystica» и папирусе «X» Лейдена.

Исламские алхимики Джабир ибн Хайян (721-815 гг. н.э.), Рази (865-925 гг. н.э.) и Джамал Дин аль-Ватват (1318 г., написал книгу «Mabāhij al-fikar wa-manāhij al-'ibar»), включили купорос в свои списки классификации минералов. Ибн Сина фокусировался на медицинском применении и разновидностях купороса.

Серную кислоту назвали «купоросным маслом» средневековые европейские алхимики. На это название есть ссылки в работах Винсента из Бове и в сочинении «Compositum de Compositis», приписываемом Альберту Великому. Отрывок из труда Псевдо-Гербера «Summa Perfectionis» долго считался первым рецептом серной кислоты, но это было неверное толкование.

В XVII веке немецко-датский химик Иоганн Глаубер приготовил серную кислоту посредством горения серы с селитрой (нитрат калия, KNO3) в присутствии пара. По мере своего распада селитра окисляет серу до соединения SO3, которое объединяется с водой для производства серной кислоты. В 1736 г. Джошуа Уорд, фармацевт из Лондона, использовал этот метод для начала крупномасштабного производства серной кислоты.

В 1746 г. в Бирмингеме Джон Робак адаптировал этот метод для производства серной кислоты в освинцованных камерах, которые были прочнее, дешевле и могли быть больше, чем используемые до того стеклянные контейнеры. Этот процесс в свинцовой камере обеспечил эффективную индустриализацию производства серной кислоты. После некоторых улучшений этот метод, названный «процессом в свинцовой камере» или «камерным процессом», остался стандартом для производства серной кислоты на протяжении почти двух веков.

Серная кислота, созданная в процессе Джона Робака, приблизилась к 65% концентрации. Более поздние усовершенствования в процессе в свинцовой камере, сделанные французским химиком Жозе Луи Гей-Люссаком и британским химиком Джоном Гловером, улучшили концентрацию до 78%. Однако в производстве некоторых красителей и других химических процессах требуется более концентрированный продукт. На протяжении XVIII века это могло быть сделано только посредством сухих дистиллированных минералов в технике, аналогичной оригинальным алхимическим процессам. Пирит (дисульфид железа, FeS2) нагревался в воздухе, чтобы дать сульфат железа (II), FeSO4, который окислялся дальнейшим нагревом в воздухе для образования сульфата железа (III), Fe2(SO4)3. Он при нагреве до 480 °C распадался на оксид железа (III) и триоксид серы, который можно было пропустить через воду, чтобы получить серную кислоту в любой концентрации. Однако расход на этот процесс помешал крупномасштабному использованию концентрированной серной кислоты.

В 1831 г. британский торговец уксусом Перегрин Филипс запатентовал контактный процесс, который был гораздо более экономичным процессом для производства триоксида серы и концентрированной серной кислоты. Сегодня почти весь мировой объем серной кислоты производится с использованием этого метода.

Физические свойства серной кислоты

Степени серной кислоты

Хотя можно получить почти 99% серную кислоту, последующая потеря SO3 в точке кипения дает концентрацию до 98,3% кислоты. 98% степень более устойчива при хранении, это обычная форма того, что описывается, как «концентрированная серная кислота». Другие концентрации используются для различных целей. Некоторые распространенные концентрации:

Массовая доля, H2SO4

Плотность (кг/л)

Концентрация (моль/л)

Обычное название

10%

1,07

~1

Разжиженная серная кислота

29–32%

1,25–1,28

4,2–5

Электролит батареи

(используется в свинцово-кислотных батареях)

62–70%

1,52–1,60

9,6–11,5

Камерная кислота

Кислота удобрений

78–80%

1,70–1,73

13,5–14

Башенная кислота

Кислота Гловера

98%

1,83

~18

Концентрированная серная кислота

«Камерная кислота» и «башенная кислота» – это две концентрации серной кислоты, полученные в процессе в свинцовой камере. Камерная кислота – это кислота, полученная в самой свинцовой камере (<70% во избежание загрязнения с нитрозилсерной кислотой), а башенная кислота – это кислота, восстановленная со дна башни Гловера. Теперь они устарели, как коммерческие концентрации серной кислоты, хотя при необходимости их можно приготовить в лаборатории из концентрированной серной кислоты. В частности, серная кислота «10М» (современный эквивалент камерной кислоты, используемый во многих титраторах) готовится посредством медленного добавления 98% серной кислоты к равному объему воды при хорошем перемешивании: температура смеси может подняться до 80°C или выше.

Серная кислота вступает в реакцию с ее ангидридом, SO3, для образования соединения H2S2O7, называемого пиросерная кислота, дисерная кислота или олеум, реже - дымящая серная кислота. Концентрации олеума выражаются либо на основе % SO3 (называемой % олеум), либо как % H2SO4 (полученное количество при добавлении H2O); распространенные концентрации 40% олеума (109% H2SO4) и 65% олеума (114,6% H2SO4). Чистая H2S2O7 – это твердое вещество с точкой плавления 36°C.

Чистая серная кислота имеет давление пара <0,001 торр при 25 °C и 1 торр при 145,8 °C, а 98% серная кислота имеет давление пара 1 мм рт.ст.

Чистая серная кислота – это вязкая прозрачная жидкость, похожая на масло, это объясняет старое название кислоты («купоросное масло»).

Коммерческая серная кислота продается в нескольких разных степенях чистоты. Техническая степень H2SO4 нечистая и часто окрашена, но она подходит для производства удобрений. Чистые степени, такие как степень USP (фармакопея США), используются для изготовления фармацевтических продуктов и красителей. Также доступны аналитические степени.

Существует девять известных гидроксидов, но три из них были подтверждены, это тетрагидрат (H2SO4·4H2O), гемигексагидрат (H2SO4·6 12H2O) и октагидрат (H2SO4·8H2O).

Полярность и проводимость

Безводная H2SO4 – это весьма полярная жидкость, имеющая диэлектрическую постоянную около 100. Она имеет высокую электропроводимость, вызванную диссоциацией через протонирование себя, процесс, известный, как аутопротолиз.

2 H2SO4 ≡ H3SO4+ + HSO4

Постоянная равновесия для аутопротолиза:

Kap(25 °C) = [H3SO4+][HSO4] = 2.7×10−4

Сравнимая постоянная равновесия для воды, Kw, равна 10−14, фактор на 1010 (10 миллиардов) меньше.

Несмотря на вязкость кислоты, эффективная проводимость ионов H3SO4+ и HSO4 высока из-за интрамолекулярного включающего протон механизма (аналогичного механизму Гроттуса в воде), делающего серную кислоту хорошим проводником. Это также отличный растворитель для многих реакций.

Равновесие фактически сложнее, чем показанное выше; 100% H2SO4 содержит следующие виды в равновесии (показанные цифры, как миллимоли на килограмм растворителя):

HSO4 (15,0), H3SO4+ (11,3), H3O+ (8,0), HS2O7 (4,4), H2S2O7 (3,6), H2O (0,1).

Химические свойства серной кислоты

Реакции с водой и свойство дегидратации

Реакция гидратации серной кислоты сильно экзотермическая. Следует всегда добавлять кислоту в воду, а не воду в кислоту. Так как реакция – это равновесие, которое поддерживает быстрое протонирование воды, добавление кислоты в воду гарантирует, что кислота является ограничивающим реагентом. Эту реакцию лучше всего считать образованием ионов гидроксония:

H2SO4 + H2O → H3O+ + HSO4 K1 = 2.4×106 (сильная кислота)

HSO4 + H2O → H3O+ + SO42− K2 = 1.0×10−2

HSO4- – это анион бисульфата, и SO42- – это анион сульфата. K1 и K2 – это постоянные кислотной диссоциации.

Из-за того, что гидратация серной кислоты термодинамически благоприятна, а ее сродство для воды достаточно сильно, серная кислота является отличным дегидрирующим веществом. Концентрированная серная кислота обладает очень мощным свойством дегидратации, вытесняя воду (H2O) из других соединений, включая сахар и другие углеводы, и образуя углерод, тепло, пар и более разжиженную кислоту, содержащую повышенное количество ионов гидроксония и бисульфата.

В лаборатории это часто демонстрируется посредством смешивания столового сахара (сахарозы) с серной кислотой. Сахар меняет цвет от белого до темно-коричневого и затем до черного, когда образуется уголь. Также появляется твердая колонна черного пористого угля.

C12H22O11 (белая сахароза) + серная кислота → 12 C(черная графитовая пена) + 11 H2O (пар) + серная кислота/водная смесь

Аналогичным образом смешивание крахмала с концентрированной кислотой даст элементарный уголь и воду при поглощении серной кислотой (которая становится слегка разжиженной). Эффект этого можно увидеть, когда концентрированная серная кислота разливается на бумаге, состоящей из целлюлозы; целлюлоза реагирует, придавая обожженный внешний вид, углерод выглядит, как сажа в огне. Углерод будет сильно пахнуть карамелью из-за образуемого тепла. Хотя менее резкое, действие кислоты на хлопок, даже в разжиженной форме, разрушит ткань.

(C6H10O5)n + серная кислота → 6n C + 5n H2O

Реакция с сульфатом меди (II) также может продемонстрировать свойство дегидратации серной кислоты. Голубой кристалл становится белым порошком, когда удаляется вода.

CuSO4·5H2O (голубой кристалл) + серная кислота → CuSO4 (белый порошок) + 5 H2O

Кислотно-основные свойства

Как кислота, серная кислота реагирует с большинством основ, образуя соответствующий сульфат. Например, голубая медная соль, сульфат меди (II), обычно используемая для гальванопокрытия и в качестве фунгицида, готовится посредством реакции оксида меди (II) с серной кислотой:

CuO (s) + H2SO4 (aq) → CuSO4 (aq) + H2O (l)

Серную кислоту также можно использовать для вытеснения более слабых кислот из их солей. В реакции с ацетатом натрия, например, вытесняется уксусная кислота, CH3COOH, образуется бисульфат натрия:

H2SO4 + CH3COONa → NaHSO4 + CH3COOH

Аналогичным образом реакция серной кислоты с нитратом калия может быть использована для производства азотной кислоты и в качестве осадка бисульфата калия. При объединении с азотной кислотой серная кислота действует, как кислота и дегидрирующий реагент, образуя ион нитрония NO+
2, что важно в реакциях нитрации, вовлекающих электрофильное замещение в ароматическом ряду. Этот вид реакции, где протонирование происходит на атоме кислорода, важен во многих реакциях органической химии, таких как этерификация Фишера и дегидратация спиртов.

Если позволить вступать в реакцию с суперкислотами, серная кислота может действовать, как основание, протонироваться, образуя ион [H3SO4]+. Соль [H3SO4]+ получена, используя следующую реакцию в жидкой HF:

((CH3)3SiO)2SO2 + 3 HF + SbF5 → [H3SO4]+[SbF6]- + 2 (CH3)3SiF

Указанная выше реакция термодинамически благоприятна из-за высокой энтальпии связи Si–F в побочном продукте. Протонация, используя просто HF/SbF5, однако, сталкивается с провалом, так как чистая серная кислота подвергается самоионизации, образуя ионы [H3O]+, что мешает превращению

H2SO4 в [H3SO4]+ системой HF/SbF5 :

2 H2SO4 ≡ [H3O]+ + [HS2O7]-

Реакции с металлами и сильные свойства окисления

Разжиженная серная кислота реагирует с металлами через единую реакцию вытеснения, как и другие обычные кислоты, образуя газ водорода и соли (сульфаты металлов). Она атакует реактивные металлы (металлы, расположенные выше меди в ряду реактивности), такие как железо, алюминий, цинк, марганец, магний и никель.

Fe (твердое вещество) + H2SO4 (водный раствор) → H2 (газ) + FeSO4 (водный раствор)

Однако концентрированная серная кислота – это сильное окисляющее вещество - она не реагирует с металлами тем же образом, что и другие типичные кислоты. Диоксид серы, вода и ионы SO42 развиваются вместо водорода и солей.

2 H2SO4 + 2 e- → SO2 + 2 H2O + SO42-

Она может окислять неактивные металлы, такие как олово и медь, в зависимости от температуры, как азотная кислота.

Cu + 2 H2SO4 → SO2 + 2 H2O + SO42- + Cu2+

Однако свинец и вольфрам устойчивы к серной кислоте.

Реакции с неметаллами

Горячая концентрированная серная кислота окисляет неметаллы, такие как углерод и сера:

C + 2 H2SO4 → CO2 + 2 SO2 + 2 H2O

S + 2 H2SO4 → 3 SO2 + 2 H2O

Реакция с хлоридом натрия

Она реагирует с хлоридом натрия и дает газ хлорида водорода и бисульфат натрия:

NaCl + H2SO4 → NaHSO4 + HCl

Электрофильное замещение в ароматическом ряду

Бензол подвергается электрофильному замещению в ароматическом ряду с серной кислотой для образования соответствующих сульфоновых кислот.

Распространенность

Чистая серная кислота не встречается естественным образом на Земле в безводной форме из-за ее большого сродства с водой. Разжиженная серная кислота – это составляющая кислотного дождя, которая образована атмосферным окислением диоксида серы в присутствии воды, т.е. окислением сернистой кислоты. Диоксид серы – это основной побочный продукт, образованный при сжигании содержащего серу топлива, такого как уголь или нефть.

Серная кислота образуется натуральным образом посредством окисления сульфидных минералов, таких как сульфид железа. Полученная в результате вода может быть высококислотной и называется дренажем кислых шахтных вод (ДКШВ) или дренажем кислых пород (ДКП). Эта кислотная вода способна растворять металлы, присутствующие в сульфидной породе, результатом чего становятся ярко окрашенные токсичные потоки. В окислении пирита (сульфид железа) молекулярным кислородом образуется железо (II) или Fe2+:

2 FeS2 (т.в.) + 7 O2 + 2 H2O → 2 Fe2+ (в.р.) + 4 SO42−(в.р.) + 4 H+

Fe2+ можно дальше окислить до Fe3+:

4 Fe2+ + O2 + 4 H+ → 4 Fe3+ + 2 H2O

Полученный Fe3+ можно осадить, как гидроксид или водный оксид:

Fe3+ (в.р.) + 3 H2O → Fe(OH)3 (т.в.) + 3 H+

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

FeS2 (г.) + 14 Fe3+ + 8 H2O → 15 Fe2+ (в.р.) + 2 SO42−(в.р.) + 16 H+

Когда происходит окисление пирита железом (III), процесс может ускориться. В ДКП, образованном этим процессом были измерены величины pH ниже нуля.

ДКП может также образовывать серную кислоту при меньшей скорости, таким образом, нейтрализующая способность кислоты (НСК) водоносного слоя может нейтрализовать полученную кислоту. В таких случаях концентрация общих растворенных твердых веществ (РТВ) воды может быть увеличена из раствора минералов от реакции нейтрализации кислоты с минералами.

Серная кислота используется в качестве защиты определенными морскими видами, например, бурые водоросли Desmarestia munda (порядок десмарестиевые) концентрируют серную кислоту в клеточных вакуолях.

Внеземная серная кислота

Венера

Серная кислота образуется в верхней атмосфере Венеры фотохимической реакцией на углекислый газ, диоксид серы и водяные пары. Ультрафиолетовые протоны длины волны менее 169 нм могут фотодиссоциировать углекислый газ на моноокись углерода и атомный кислород. Атомный кислород сильно реагентный. Когда он вступает в реакцию с диоксидом серы, компонент, в ничтожном количестве существующий в атмосфере Венеры, результатом становится триоксид серы, который может объединяться с водяными парами, другим незначительным компонентом атмосферы Венеры, образуя серную кислоту. В верхних более холодных слоях атмосферы Венеры, серная кислота существует в виде жидкости, а густые облака серной кислоты полностью скрывают поверхность планеты, если смотреть на нее сверху. Основной слой облаков простирается в 45-70 км выше поверхности планеты, менее густые туманы простираются ниже в 30 км и выше в 90 км над ее поверхностью. Постоянные венерианские облака образуют концентрированный кислотный дождь, как облака в атмосфере Земли образуют водяной дождь.

Атмосфера проявляет цикл серной кислоты. Когда капли дождя серной кислоты падают вниз через температурный градиент более горячих слоев атмосферы, они нагреваются и выпускают водяные пары, становясь все более и более концентрированными. Когда они достигают температуры выше 300 °C, серная кислота начинает распадаться на триоксид серы и воду, в газовой фазе. Триоксид серы сильно реагентный и разлагается на диоксид серы и атомный кислород, который окисляет следы моноокиси углерода для образования углекислого газа. Диоксид серы и водные пары поднимаются на конвективных течениях от срединных атмосферных слоев до более высоких, где они трансформируются снова в серную кислоту - цикл повторяется.

Европа

Инфракрасный спектр от миссии Галилео НАСА показывает отчетливое поглощение на луне Юпитера Европе, которое было отнесено к одному или нескольким гидратам серной кислоты. Серная кислота в растворе с водой вызывает значительное понижение температуры замерзания точки плавления воды, до −63 °C, и это сделало бы более вероятным существование жидких растворов под ледяной коркой Европы. Интерпретация спектра несколько сомнительна. Некоторые планетарные ученые предпочитают назначать спектральные свойства иону сульфата, возможно, как части одного или нескольких минералов на поверхности Европы.

Производство серной кислоты

Серная кислота образуется из серы, кислорода и воды через традиционный контактный процесс (ДКДА – двойное контактирование – двойная абсорбция) или процесс мокрого катализа серной кислоты (МКСК).

Контактный процесс

В первом этапе сера сжигается для образования диоксида серы.

S (г.) + O2 (г.) → SO2 (г.)

Он затем окисляется до триоксида серы с использованием кислорода в присутствии катализатора оксида ванадия (V). Эта реакция обратима, а формирование триоксида серы – это экзотермическая реакция.

2 SO2 (г.) + O2 (г.) ≡ 2 SO3 (г.) (в присутствии V2O5)

Триоксид серы поглощается 97–98% H2SO4 для образования олеума (H2S2O7), также известного, как дымящая серная кислота. Олеум затем разводится водой для формирования концентрированной серной кислоты.

H2SO4 (l) + SO3 (g)→ H2S2O7 (l)

H2S2O7 (l) + H2O (l) → 2 H2SO4 (l)

Следует отметить, что напрямую растворять SO3 в воде не практично из-за сильного экзотермического характера реакции между триоксидом серы и водой. В реакции вместо жидкости образуется коррозийный аэрозоль, который очень трудно разделить.

SO3 (г.) + H2O (l) → H2SO4 (l)

Процесс мокрого катализа серной кислоты

В первом этапе сера сжигается для образования диоксида серы.

S(т.в.) + O2(г.) → SO2(г.)

Или альтернативно газ сульфида водорода (H2S) сжигается до газа SO2:

2 H2S + 3 O2 → 2 H2O + 2 SO2 (−518 кДж/моль)

Затем он окисляется до триоксида серы, используя кислород с оксидом ванадия (V) в качестве катализатора.

2 SO2 + O2 → 2 SO3 (−99 кДж/моль) (реакция обратима)

Триоксид серы гидратируется в серной кислоте H2SO4:

SO3 + H2O → H2SO4(г.) (−101 кДж/моль)

Последний этап – это конденсация серной кислоты до жидкости 97–98% H2SO4:

H2SO4(г.) → H2SO4(l) (−69 кДж/моль)

Другие методы

Другой метод – это менее хорошо изученный метод метабисульфита, в котором метабисульфит помещается на дно лабораторного стакана, к нему добавляется соляная кислота в 12,6 молярной концентрации. Полученный газ пузырится через азотную кислоту, выпускающую коричневые/красные пары. Завершение реакции отмечается прекращением дымов. В этом методе не образуется неразделимый туман, что довольно удобно.

Серную кислоту можно получить в лаборатории сжиганием серы в воздухе и растворением полученного газа в растворе пероксида водорода.

SO2 + H2O2 → H2SO4

До 1900 г. большая часть серной кислоты производилась в процессе в свинцовой камере. Еще в 1940 г. до 50% серной кислоты, произведенной в США, было получено посредством процесса в свинцовой камере.

С начала до середины XIX века существовали «купоросные» установки, помимо других мест, в Престонпэнс, Шотландия, Шропшире и в долине Лэген в графстве Антрим, Ирландия, где купорос использовали для отбеливания белья. Ранее белье отбеливали молоком, но это был медленный процесс, а применение купороса ускорило процесс отбеливания.

Применение серной кислоты

Серная кислота – это очень важный химический продукт и, действительно, национальное производство серной кислоты является хорошим индикатором индустриальной мощи. Мировое производство в 2004 г. составило около 180 миллионов тонн со следующим географическим распределением: Азия 35%, Северная Америка (в том числе Мексика) 24%, Африка 11%, Западная Европа 10%, Восточная Европа и Россия 10%, Австралия и Океания 7%, Южная Америка 7%. Большая часть этого объема (~60%) используется для удобрений, в частности, суперфосфатов, фосфата аммония и сульфатов аммония. Около 20% используется в химической промышленности для производства моющих средств, синтетических смол, красителей, фармацевтических препаратов, катализаторов нефти, инсектицидов и антифриза, а также в различных процессах, таких как кислотная обработка нефтяных скважин, восстановление алюминия, проклейка бумаги, обработка воды. Около 6% использования – это пигменты, в том числе краски, эмали, красящие чернила, ткань и бумага с покрытием; оставшаяся часть направлена на множество целей, например, производство взрывчатых веществ, целлофана, ацетата и вискозных тканей, смазочных средств, цветных металлов и батарей.

Промышленное производство химикатов

Серная кислота в основном применяется в «мокром методе» для получения фосфорной кислоты, используемой для производства фосфатных удобрений. В этом методе используется фосфатная порода, более 100 миллионов тонн которой обрабатывается ежегодно. Это сырье показано ниже, как фтороапатит, хотя точный состав может варьироваться. Его обрабатывают 93% серной кислотой для получения сульфата кальция, фторида водорода (HF) и фосфорной кислоты. HF удаляется, как плавиковая кислота. Весь процесс можно представить, как:

Ca5F(PO4)3 + 5 H2SO4 + 10 H2O → 5 CaSO4·2 H2O + HF + 3 H3PO4

Сульфат аммония, важное азотное удобрение, чаще всего производится, как побочный продукт от коксовых установок, обеспечивающих заводы производства железа и стали. Реагирование аммиака, образованного в термическом распаде угля, с отходной серной кислотой позволяет аммиаку выкристаллизовываться в виде соли (часто коричневого цвета из-за загрязнения железом) для продажи в агрохимическую промышленность.

Другое важное применение серной кислоты – для производства сульфата алюминия, также известного, как квасцы производителя бумаги. Она может реагировать с малыми количествами мыла на волокнах бумажной массы, чтобы дать желатиновые карбоксилаты алюминия, которые помогают коагулировать волокна целлюлозы в твердую бумажную поверхность. Она также используется для изготовления гидроксида алюминия, который применяется на установках обработки воды для фильтрации нечистот, а также для улучшения вкуса воды. Сульфат алюминия получают путем реакции боксита с серной кислотой:

Al2O3 + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2O

Серная кислота также важна в производстве растворов красителей.

Цикл сера-йод

Цикл сера-йод – это ряд термохимических процессов, используемых для получения водорода. Он состоит из трех химических реакций, сетевым реагентом которых является вода и сетевыми продуктами – водород и кислород.

2 H2SO4 → 2 SO2 + 2 H2O + O2

(830 °C)

I2 + SO2 + 2 H2O → 2 HI + H2SO4

(120 °C)

2 HI → I2 + H2

(320 °C)

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

Цикл сера-йод предложен, как способ поставки водорода, для экономики, основанной на водороде. Он не требует углеводородов, как современные методы парового реформинга. Но следует отметить, что вся доступная энергия в водороде, образованная таким образом, обеспечивается теплом, использованным для его производства.

Цикл сера-йод в настоящий момент исследуется, как возможный метод получения водорода, но концентрированная коррозийная кислота при высоких температурах представляет пока непреодолимую угрозу безопасности, если процесс выстраивался в крупном масштабе.

Промышленное средство очищения

Серная кислота используется в большом количестве в черной металлургии и в производстве стали для удаления окисления, коррозии и окалины из прокатанного листа и заготовок перед продажей для применения в автомобильной промышленности и в производстве важных приборов. Использованная кислота часто повторно перерабатывается с использованием установки регенерации отработанной кислоты (РОК). Эти установки сжигают отработанную кислоту с природным газом, нефтезаводским газом, нефтяным топливом или другими источниками топлива. В этом процессе сгорания образуется газообразный диоксид серы (SO2) и триоксид серы (SO3), которые затем используются для производства «новой» серной кислоты. Установки РОК – это обычные включения на установках плавления металлов, нефтеочистительных заводах и в другой промышленности, где серная кислота потребляется в большом количестве, так как установка РОК гораздо дешевле повторных расходов на утилизацию истощенной кислоты и покупку новой кислоты.

Катализатор

Серная кислота используется для разнообразных целей в химической промышленности. Например, это обычный кислотный катализатор для превращения оксима циклогексанона в капролактам, использующийся для производства нейлона. Она используется для производства соляной кислоты из соли через процесс Мангейма. H2SO4 в значительной степени применяется в очистке нефти, например, как катализатор для реакции изобутана с изобутиленом для образования изооктана, соединения, повышающего октановое число бензина.

Электролит

Серная кислота выступает, как катализатор в свинцово-кислотных (автомобильных) батареях (свинцово-кислотный аккумулятор):

На аноде:

Pb + SO42- ⇌ PbSO4 + 2 e-

На катоде:

PbO2 + 4 H+ + SO42- + 2 e- ⇌ PbSO4 + 2 H2O

Общая:

Pb + PbO2 + 4 H+ + 2 SO42- ⇌ 2 PbSO4 + 2 H2O

Применение в быту

Концентрированная серная кислота зачастую является основным ингредиентом кислотных очистителей водосточных труб, которые используются для удаления жира, волос, оберточной бумаги и т.д. Аналогично щелочным вариантам, такие очистители труб могут растворять жиры и протеины через гидролиз. Более того, так как концентрированная серная кислота обладает сильным дегидрирующим свойством, она может растворять оберточную бумагу также через процесс дегидратации. Так как кислота может энергично вступать в реакцию с водой, такие кислотные очистители труб должны добавляться в трубу для очистки медленно.

Здоровье

Серная кислота и сульфированные фенольные смолы – это основные ингредиенты дебактерола, жидкого топического вещества, используемого в обработке рецидивирующего афтозного стоматита (гангренозные язвы) или для любых процедур в полости рта, которые требуют контролируемой фокусной санации некротических тканей.

Безопасность серной кислоты

Лабораторная опасность

Серная кислота опасно коррозийна и может вызывать тяжелые ожоги. Вместе с другими коррозийными сильными кислотами и сильными щелочами, она приводит к химическому ожогу, так как она быстро разлагает белки и жиры в живых тканях через гидролиз амидов и гидролиз сложных эфиров. Кроме того, она также проявляет свойство дегидратации, которое дегидрирует углеводороды, выделяя избыточное тепло и приводя к вторичному термическому ожогу, дополнительно к химическому ожогу. Из-за этого повреждение, вызванное серной кислотой, потенциально более опасно или серьезно, чем повреждение, вызванное многими другими сопоставимыми сильными кислотами, обнаруживаемыми в лабораториях, таких как серная кислота и азотная кислота. Она быстро атакует роговицу при попадании в глаза, приводя к постоянной слепоте. Более того, она может вызвать необратимое разрушение внутренних органов и может быть смертельной при проглатывании. При перевозке серной кислоты следует всегда использовать защитное оборудование. Кроме того, это сильное окисляющее вещество в высокой концентрации разъедает многие металлы, его следует хранить с осторожностью.

Опасность выше с более концентрированными препаратами серной кислоты. Растворы, равные или сильнее 1,5 М, помечаются ярлыком «Коррозийный», в то время как растворы выше 0,5 М, но меньше 1,5 М, помечаются ярлыком «Раздражающий». Однако даже нормальная лабораторная «разжиженная» степень (приблизительно 1 М, 10%) обугливает бумагу дегидратацией, если оставить в контакте на достаточный период времени.

Стандартным средством первой помощи для разлива кислоты на коже, как и для других коррозирующих веществ, является промывание обильным количеством воды. Промывание продолжается, по крайней мере, в течение десяти-пятнадцати минут для охлаждения тканей, окружающих кислотный ожог, и для предотвращения вторичного повреждения. Загрязненная одежда немедленно снимается, кожа под ней тщательно промывается.

Препарат разжиженной кислоты также может быть опасным из-за тепла, выделенного в процессе разжижения. Концентрированная серная кислота всегда добавляется в воду, а не наоборот, чтобы воспользоваться преимуществом относительно высокой теплоемкости воды. Добавление воды в концентрированную серную кислоту приводит к рассеиванию аэрозолей серной кислоты или, еще хуже, к взрыву. Приготовление растворов больше 6 M (35%) в концентрации наиболее опасно, так как образуемого тепла может быть достаточно для кипения разжиженной кислоты: необходимо эффективное механическое перемешивание и внешнее охлаждение (например, ледяная ванна).

В лабораторном масштабе серную кислоту можно растворить путем выливания концентрированной кислоты на дробленый лед из деионизированной воды. Лед плавится в эндотермическом процессе, растворяя в то же время кислоту. Объем тепла, необходимый для плавления льда в этом процессе, больше объема тепла, выделенного путем растворения кислоты, поэтому раствор остается холодным. После того как лед расплавился, дальнейшее разжижение может произойти с использованием воды.

Чистая серная кислота должна надежно храниться в стеклянных сосудах или бутылях.

Промышленная опасность

Хотя серная кислота не воспламеняется, контакт с металлами в случае разлива может привести к высвобождению газа водорода. Рассеивание кислотных аэрозолей и газообразного диоксида серы – это дополнительная угроза пожара с вовлечением серной кислоты.

Основной профессиональный риск, представленный этой кислотой – это контакт с кожей, ведущий к ожогам (см. выше), и вдыхание аэрозолей. Воздействие аэрозолей в высоких концентрациях ведет к немедленному и тяжелому раздражению глаз, дыхательных путей и слизистых оболочек: это быстро прекращается после воздействия, хотя имеется риск последующего отека легких, если повреждение тканей было более серьезным. В меньших концентрациях чаще всего упоминаемым симптомом хронического воздействия аэрозолей серной кислоты является разрушение зубов, обнаруженное практически во всех исследованиях: признаки возможного хронического повреждения дыхательных путей неубедительны, по данным 1997 г. В США допустимый предел воздействия (PEL) для серной кислоты зафиксирован на 1 мг/м3: пределы в других странах аналогичны. Имеются сообщения о поглощении серной кислоты, которое ведет к дефициту витамина В12 с подострой комбинированной дегенерацией. В таких случаях чаще всего страдает спинной мозг, но в оптических нервах может обнаружиться демиелинизация, потеря аксонов и глиоз.

Юридические ограничения

Международные продажи серной кислоты контролируются Конвенцией ООН против незаконного оборота наркотических средств и психотропных веществ от 1988 г., которая включила серу в список Таблицы II Конвенции, как химикат, часто используемый в незаконном производстве наркотических средств и психотропных веществ.

В США серная кислота включена в Список II перечня основных или исходных химикатов, установленного в соответствии с Актом о химической диверсии и обороте запрещенных товаров. Следовательно, сделки с серной кислотой, такие как продажи, перемещения, экспорт из США и импорт в США, подлежат регулированию и мониторингу Управлением по борьбе с наркотиками США.




© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.


 
Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений
Загрузить изображение
 

nazdor.ru
На здоровье!
Беременность | Лечение | Энциклопедия | Статьи | Врачи и клиники | Сообщество


О проектеКарта сайта β На здоровье! © 2008—2015
nazdor.ru, nazdor.com
Контакты Наш устав

Рекомендации и мнения, опубликованные на сайте, являются справочными или популярными и предоставляются широкому кругу читателей для обсуждения. Указанная информация не заменяет квалифицированную медицинскую помощь, основанную на истории болезни и результатах диагностики. Обязательно проконсультируйтесь с врачом.

Размещенные на сайте информационные материалы, включая статьи, могут содержать информацию, предназначенную для пользователей старше 18 лет согласно Федеральному закону №436-ФЗ от 29.12.2010 года "О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию".