Серная кислота

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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: H₂O < 1, то это водный раствор серной кислоты, если > 1, — раствор SO₃ в серной кислоте.

Содержание 1 Физические и физико-химические свойства 1.1 Олеум 2 Химические свойства 3 Применение 4 Токсическое действие 5 Получение серной кислоты 6 Стандарты 7 Литература

[править] Физические и физико-химические свойства

Молекулярная масса 98,082 г/моль; бесцветная маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, при 18℃ pK_a₁ −2,8, К₂ 1,2 10², pK_a₂ 1,92; длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S—OH 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит, образуя азеотропную смесь (98,3 % H₂SO₄ и 1,7 % H₂O с температурой кипения 338,8℃). Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H₂SO₄, имеет состав (%): H₂SO₄ 99,5, HSO₄^- — 0,18, H₃SO₄⁺ — 0,14, H₃O⁺ — 0,09, H₂S₂O₇, — 0,04, HS₂O₇⁻ — 0,05. Смешивается с водой и SO₃, во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на H⁺, HSO₄^-, и SO₄²^-. Образует гидраты H₂SO₄·nH₂O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

[править] 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:

H₂SO₄ + 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℃, г/см³	Температура кристаллизации, ℃	Температура кипения, ℃
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 % H₂SO₄ 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, H₂SO₄ и SO₃, при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях cерной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.

С повышением температуры усиливается диссоциация H₂SO₄ ↔ H₂O + SO₃ — Q, уравнение температурной зависимости константы равновесия lnK_p = 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 H₂SO₄·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 = 1,67·10⁻⁵T^3/2 см²/с.

[править] Химические свойства

Серная кислота — довольно сильный окислитель, особенно при нагревании; окисляет HI и частично НВr до свободных галогенов, углерод до CO₂, 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 H₂. Из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H₂SO₄ взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, с выделением H₂. 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) H₂SO₅; и пероксодисерная H₂S₂O₈ кислоты.

[править] 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 P₂O₅ 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.

[править] 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.

[править] Получение серной кислоты

Полная статья: производство серной кислоты.

[править] Стандарты

• Кислота серная техническая ГОСТ 2184—77
• Реактивы. Кислота серная. Технические условия ГОСТ 4204—77

[править] Литература

• Справочник сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971;