Как составить химическую формулу серной кислоты

Серная кислота
Общие
Систематическое наименование	Серная кислота
Традиционные названия	Серная кислота
Хим. формула	H2SO4
Рац. формула	H2SO4
Физические свойства
Состояние	Жидкость
Молярная масса	98,078 ± 0,006 г/моль
Плотность	1,8356 г/см³
Динамическая вязкость	21 мПа·с[2]
Термические свойства
Температура
• плавления	+10,38 °C
• кипения	+337 °C
• разложения	+450 °C
Удельная теплота плавления	10,73 Дж/кг
Давление пара	0,001 ± 0,001 мм рт.ст.[3]
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты	-3
Растворимость
• в воде	Растворима
Оптические свойства
Показатель преломления	1.397
Структура
Дипольный момент	2.72 Д
Классификация
Рег. номер CAS	7664-93-9
PubChem	1118
Рег. номер EINECS	231-639-5
SMILES	OS(O)(=O)=O
InChI	InChI=1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4) QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N
Кодекс Алиментариус	E513
RTECS	WS5600000
ChEBI	26836
Номер ООН	1830
ChemSpider	1086
Безопасность
Предельная концентрация	1 мг/м3
ЛД50	100 мг/кг
Токсичность	2-й класс опасности[1], общетоксическое действие.
Краткие характер. опасности (H)	H290, H314
Меры предостор. (P)	P280, P301+P330+P331, P303+P361+P353, P305+P351+P338, P308+P311
Сигнальное слово	опасно
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 3 2 W OX
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Се́рная кислота́ (химическая формула — H₂SO₄) — сильная неорганическая кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6).

При обычных условиях концентрированная серная кислота — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха, с сильнокислым «медным» вкусом. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO₃. Если молярное отношение SO₃ : H₂O < 1, то это водный раствор серной кислоты, если > 1 — раствор SO₃ в серной кислоте (олеум). Токсична в больших дозах^[4], обладает исключительно сильной коррозионной активностью.

Название[править | править код]

В XVIII—XIX веках серу для пороха производили из серного колчедана (пирит) на купоросных заводах. Серную кислоту в то время называли «купоросным маслом»^[5][6], очевидно отсюда происхождение названия её солей (а точнее именно кристаллогидратов) — купоросы.

Исторические сведения[править | править код]

Серная кислота известна с древности, она встречается в природе в свободном виде, например, в виде озёр вблизи вулканов. Возможно, первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса «зеленого камня», встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну.

В IX веке персидский алхимик Ар-Рази, прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO₄•7H₂O и CuSO₄•5H₂O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус, живший в XIII веке.

Схема получения серной кислоты из железного купороса — термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси^[7]

В трудах алхимика Василия Валентина (XVI век) описывается способ получения серной кислоты путём поглощения водой газа (серный ангидрид), выделяющегося при сжигании смеси порошков серы и селитры. Впоследствии этот способ лег в основу т. н. «камерного» способа, осуществляемого в небольших камерах, облицованных свинцом, который не растворяется в серной кислоте. В СССР такой способ просуществовал вплоть до 1955 г.

Алхимикам XV века в известен был также способ получения серной кислоты из пирита — серного колчедана, более дешёвого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. Впоследствии, в связи с развитием катализа этот метод вытеснил камерный способ синтеза серной кислоты. В настоящее время серную кислоту получают каталитическим окислением (на V₂O₅) оксида серы (IV) в оксид серы (VI), и последующим растворением оксида серы (VI) в 70 % серной кислоте с образованием олеума.

В России производство серной кислоты впервые было организовано в 1805 году под Москвой в Звенигородском уезде. В 1913 году Россия по производству серной кислоты занимала 13 место в мире.^[8]

Физические и физико-химические свойства[править | править код]

Серная кислота — это очень сильная двухосновная кислота, при 18^оС pK_a (1) = −2,8, pK_a (2) = 1,92 (К₂ 1,2 10⁻²); 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 % H₂О с температурой кипения 338,8^оС). Смешивается с водой и SO₃, во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на H₃О⁺, HSO₃⁺, и 2НSO₄⁻. Образует гидраты H₂SO₄·nH₂O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H₂SO₄, имеет состав (%):

	H2SO4	HSO4−	H3SO4+	H3O+	HS2O7⁻	H2S2O7
состав, %	99,5	0,18	0,14	0,09	0,05	0,04

Олеум[править | править код]

Основная статья: Олеум

Растворы серного ангидрида SO₃ в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H₂SO₄·SO₃ и H₂SO₄·2SO₃.

Олеум содержит также пиросерные кислоты, образующиеся по реакциям:

Сульфит

Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом её 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 плавления, °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 серной 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:

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 серной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.

С повышением температуры усиливается диссоциация:

Уравнение температурной зависимости константы равновесия:

При нормальном давлении степень диссоциации: 10⁻⁵ (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К).

Плотность 100%-ной серной кислоты можно определить по уравнению:

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:

где С — концентрация серной кислоты, в %.

Максимальную вязкость имеет олеум H₂SO₄·SO₃, с повышением температуры η снижается. 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.

Зависимость плотности растворов H₂SO₄ от её массовой доли в водном растворе при 25 °C^[9]

ω, %	5	10	20	30	40	50	60	70	80	85	86	87	88	89	90	91	92	93	94	95	96	97	98	99	100
ρ H2SO4, г/мл	1,03	1,064	1,1365	1,215	1,2991	1,3911	1,494	1,6059	1,7221	1,7732	1,7818	1,7897	1,7968	1,8033	1,8091	1,8142	1,8188	1,8227	1,826	1,8286	1,8305	1,8314	1,831	1,8292	1,8255

Химические свойства[править | править код]

Серная кислота в концентрированном виде при нагревании — довольно сильный окислитель.

1. Окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов:

ΔH° = −561.9 кДж/моль (экзотермическая)^[10] ΔG° = −305.4 кДж/моль (экзэргоническая)^[10]

ΔH° = 18.14 кДж/моль (эндотермическая)^[11] ΔS° = −14.95 Дж/моль (экзоэнтропическая)^[11] ΔG° = 22.5 кДж/моль (эндэргоническая)^[11]

Углерод до CO₂, серу — до SO₂.

• Окисляет угарный газ до углекислого.

2. Окисляет многие металлы (исключения: Au, Pt, Ir, Rh, Ta). При этом концентрированная серная кислота восстанавливается до диоксида серы, например^[12]:

3. На холоде в концентрированной серной кислоте Fe, Al, Cr, Co, Ni, Ba пассивируются, и реакции не протекают.

Наиболее сильными восстановителями концентрированная серная кислота восстанавливается до серы и сероводорода. Концентрированная серная кислота поглощает водяные пары, поэтому она применяется для сушки газов, жидкостей и твёрдых тел, например, в эксикаторах. Однако концентрированная H₂SO₄ частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Отщепляя воду от органических соединений и оставляя при этом чёрный углерод (уголь), концентрированная серная кислота приводит к обугливанию древесины, сахара и других веществ^[12].

4. Разбавленная H₂SO₄ взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением, например^[12]:

5. Окислительные свойства для разбавленной H₂SO₄ нехарактерны. Серная кислота образует два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) H₂SO₅ и пероксодисерная H₂S₂O₈ кислоты.

6. Серная кислота реагирует с основными оксидами, образуя сульфат металла и воду:

7. На металлообрабатывающих заводах раствор серной кислоты применяют для удаления слоя оксида металла с поверхности металлических изделий, подвергающихся в процессе изготовления сильному нагреванию. Так, оксид железа удаляется с поверхности листового железа действием нагретого раствора серной кислоты:

8. Концентрированная H₂SO₄ превращает некоторые органические вещества в другие соединения углерода:

9. Качественная реакция на серную кислоту и её растворимые соли — это их взаимодействие с растворимыми солями бария, при котором образуется белый осадок сульфата бария, нерастворимый в воде и кислотах, например^[13]:

Получение серной кислоты[править | править код]

Промышленный (контактный) способ[править | править код]

В промышленности серную кислоту получают окислением диоксида серы (сернистый газ, образующийся в процессе сжигания элементарной серы, серного колчедана или сероводород-содержащих газов, поступающих с установок гидроочистки и систем отпарки кислых стоков) до триоксида (серного ангидрида) на твёрдом ванадиевом катализаторе в четыре ступени (данная реакция экзотермична, поэтому применяется промежуточное охлаждение после первого слоя с помощью трубных пучков, через которые подаётся воздух, и после следующих двух ступеней — с помощью кольцевой трубы, имеющей большой диаметр, через которую подаётся воздух, над которой расположен дефлектор. Воздух нагнетается воздуходувками, часть горячего воздуха подаётся на горелочные устройства котлов, в которых производится сжигание сероводородсодержащих газов) последующим охлаждением и взаимодействием SO₃ с водой. Получаемую данным способом серную кислоту также называют «контактной» (концентрация 92-94 %).

Нитрозный (башенный) способ[править | править код]

Раньше серную кислоту получали исключительно нитрозным методом в специальных башнях, а кислоту называли «башенной» (концентрация 75 %). Сущность этого метода заключается в окислении диоксида серы диоксидом азота в присутствии воды. Именно таким способом произошла реакция в воздухе Лондона во время Великого смога.

Лабораторные методы[править | править код]

В лаборатории можно получить серную кислоту взаимодействием сероводорода, элементарной серы и диоксида серы с хлорной или бромной водой или пероксидом водорода:

Также её можно получить взаимодействием диоксида серы с кислородом и водой при +70 °C под давлением в присутствии сульфата меди (II):

Применение[править | править код]

Серную кислоту применяют:

• в обработке руд, особенно при добыче редких элементов, в том числе урана, иридия, циркония, осмия и т. п.;
• в производстве минеральных удобрений;
• в качестве электролита в свинцовых аккумуляторах;
• для получения различных минеральных кислот и солей;
• в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ;
• в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;
• в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513 (эмульгатор);
• в промышленном органическом синтезе в реакциях:
  • дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);
  • гидратации (этанола из этилена);
  • сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);
  • алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.;
  • восстановления смол в фильтрах на производстве дистиллированной воды.

Мировое производство серной кислоты около 200 млн тонн в год^[14]. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На P₂O₅ фосфорных удобрений расходуется в 2,2—3,4 раза больше по массе серной кислоты, а на (NH₄)₂SO₄ серной кислоты 75 % от массы расходуемого (NH₄)₂SO₄. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Токсическое действие[править | править код]

Серная кислота и олеум — очень едкие вещества, поражающие все ткани организма. При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Попадание кислоты на глаза в высокой концентрации может привести как к конъюнктивиту, так и к полной потере зрения^[15].

Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1 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).

Серная кислота — токсичное вещество. В соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 серная кислота является токсичным высокоопасным веществом^[16] по воздействию на организм, 2-го класса опасности.

Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды серы и выпадать в виде кислотных дождей.

В России оборот серной кислоты концентрации 45 % и более — законодательно ограничен^[17].

Дополнительные сведения[править | править код]

Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы. Получившаяся взвесь из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата. Например, в результате извержения вулкана Ксудач (Полуостров Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже^[18]. Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году, отправивший в атмосферу 3⋅10⁷ тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994^[19].

Стандарты[править | править код]

• Кислота серная техническая ГОСТ 2184—77
• Кислота серная аккумуляторная. Технические условия ГОСТ 667—73
• Кислота серная особой чистоты. Технические условия ГОСТ 14262—78
• Реактивы. Кислота серная. Технические условия ГОСТ 4204—77

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Справочник сернокислотчика [Текст] / А. С. Ленский, П. А. Семенов, Г. А. Максудов; ред. К. М. Малин. — 2 изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1971. — 744 с. — Библиогр. в конце разд.- Предм. указ.: с. 723—744.
• Эпштейн Д. А. Общая химическая технология. — М.: Химия, 1979. — 312 с.

Ссылки[править | править код]

• Статья «Серная кислота» (Химическая энциклопедия)
• Плотность и значение pH серной кислоты при t=20 °C

 Серная кислота

Строение молекулы и физические свойства

Серная кислота H₂SO₄ – это сильная кислота, двухосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость, хорошо растворимая в воде.

Растворение серной кислоты в воде сопровождается выделением значительного количества кислоты. Поэтому по правилам безопасности в лаборатории при смешивании серной кислоты и воды мы добавляем серную кислоту в воду небольшими порциями при постоянном перемешивании.

Валентность серы в серной кислоте равна VI.

Способы получения

1. Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита FeS₂.

Основные стадии получения серной кислоты :

• Сжигание или обжиг серосодержащего сырья в кислороде с получением сернистого газа.
• Очистка полученного газа от примесей.
• Окисление сернистого газа в серный ангидрид.
• Взаимодействие серного ангидрида с водой.

Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):

Аппарат	Назначение и уравнения реакций
Печь для обжига	4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащенный кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800оС
Циклон	Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз.
Электрофильтр	Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра).
Сушильная башня	Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота.
Теплообменник	Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата.
Контактный аппарат	2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3):  температура: оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным выходом SO3 является температура 400-500оС. Для того чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор – оксид ванадия (V) V2O5.  давление: прямая реакция протекает с уменьшением объемов газов. Для смещения равновесия вправо процесс проводят при повышенном давлении. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.
Поглотительная башня	Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне. Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3. nSO3 + H2SO4  →  H2SO4·nSO3 Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Общие научные принципы химического производства:

1. Непрерывность.
2. Противоток
3. Катализ
4. Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ.
5. Теплообмен
6. Рациональное использование сырья

Химические свойства

Серная кислота – это сильная двухосновная кислота.

1. Серная кислота практически полностью диссоциирует в разбавленном в растворе по первой ступени:

H₂SO₄  ⇄  H⁺ + HSO₄^–

По второй ступени серная кислота диссоциирует частично, ведет себя, как кислота средней силы:

HSO₄^–  ⇄  H⁺ + SO₄^2–

2. Серная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами. 

Например, серная кислота взаимодействует с оксидом магния:

H₂SO₄    +   MgO   →   MgSO₄   +   H₂O

Еще пример: при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом калия образуются сульфаты или гидросульфаты:

H₂SO₄    +   КОН     →     KHSО₄  +   H₂O

H₂SO₄    +   2КОН      →     К₂SО₄  +   2H₂O

Серная кислота взаимодействует с амфотерным гидроксидом алюминия:

3H₂SO₄     +    2Al(OH)₃    →   Al₂(SO₄)₃    +   6H₂O

3. Серная кислота вытесняет более слабые из солей в растворе (карбонаты, сульфиды и др.).  Также серная кислота вытесняет летучие кислоты из их солей (кроме солей HBr и HI).

Например, серная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:

Н₂SO₄   +   2NaHCO₃   →   Na₂SO₄   +   CO₂   +  H₂O

Или с силикатом натрия:

H₂SO₄    +   Na₂SiO₃    →  Na₂SO₄  +   H₂SiO₃

Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:

NaNO_{3 (тв.)}   +   H₂SO₄   →   NaHSO₄   +   HNO₃

Аналогично – концентрированная серная кислота вытесняет хлороводород из твердых хлоридов, например, хлорида натрия:

NaCl_(тв.)   +   H₂SO₄   →   NaHSO₄   +   HCl

4. Также серная кислота вступает в обменные реакции с солями.

Например, серная кислота взаимодействует с хлоридом бария:

H₂SO₄  + BaCl₂  →  BaSO₄   +   2HCl

5. Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например, серная кислота реагирует с железом. При этом образуется сульфат железа (II):

H₂SO_4(разб.)    +   Fe   →  FeSO₄   +   H₂

Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:

H₂SO₄   +   NH₃    →    NH₄HSO₄

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. При этом она обычно восстанавливается до сернистого газа SO₂. С активными металлами может восстанавливаться до серы  S, или сероводорода Н₂S.

Железо Fe, алюминий  Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании реакция возможна.

6H₂SO_4(конц.)    +   2Fe   →   Fe₂(SO₄)₃   +   3SO₂   +  6H₂O

6H₂SO_4(конц.)    +   2Al   →   Al₂(SO₄)₃   +   3SO₂   +  6H₂O

При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:

2H₂SO_4(конц.)   +   Cu     →  CuSO₄   +   SO₂ ↑ +   2H₂O

2H₂SO_4(конц.)   +   Hg     →  HgSO₄   +   SO₂ ↑ +   2H₂O

2H₂SO_4(конц.)   +   2Ag     →  Ag₂SO₄   +   SO₂↑+   2H₂O

При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:

3Mg   +   4H₂SO₄   →   3MgSO₄   +   S   +  4H₂O

При взаимодействии с щелочными металлами и цинком  концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:

5H₂SO_4(конц.)   +  4Zn     →    4ZnSO₄   +   H₂S↑   +   4H₂O

6. Качественная реакция на сульфат-ионы – взаимодействие с растворимыми солями бария. При этом образуется белый кристаллический осадок сульфата бария:

BaCl₂ + Na₂SO₄   →   BaSO₄↓  + 2NaCl

Видеоопыт взаимодействия хлорида бария и сульфата натрия в растворе  (качественная реакция на сульфат-ион) можно посмотреть здесь.

7. Окислительные свойства концентрированной серной кислоты проявляются и при взаимодействии с неметаллами.

Например, концентрированная серная кислота окисляет фосфор, углерод, серу. При этом серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV):

5H₂SO_4(конц.)   +    2P   →   2H₃PO₄   +   5SO₂↑  +   2H₂O

2H₂SO_4(конц.)   +    С   →   СО₂↑   +   2SO₂↑  +   2H₂O

2H₂SO_4(конц.)   +    S   →   3SO₂ ↑  +   2H₂O

Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:

3H₂SO_4(конц.)   +   2KBr   →  Br₂↓   +  SO₂↑   +   2KHSO₄    +  2H₂O

5H₂SO_4(конц.)   +   8KI     →  4I₂↓    +   H₂S↑   +   K₂SO₄   +  4H₂O

H₂SO_4(конц.)   +   3H₂S →  4S↓  +  4H₂O

Формула и физические свойства

Одно из основных соединений в промышленности — серная кислота — имеет химическую формулу H2SO4. Её молекула состоит из четырёх атомов кислорода, двух — водорода и одного — серы. Эта токсичная плотная маслянистая жидкость без запаха в очищенном состоянии не имеет цвета и обладает характерным «медным» привкусом. Плотность при нормальных условиях составляет 1,84 г/куб. см. Примеси придают неочищенному продукту желтоватую или буро-жёлтую окраску.

Соединение кипит при +296 °C, плавится при температуре +10,3 °C. Его кристаллы гигроскопичны и активно отнимают воду у всего окружающего, обугливают бумагу, древесину, сахар. Теплота гидратации при растворении столь велика, что вызывает вскипание смеси и разбрызгивание. Именно поэтому для смешения добавляют кислоту к воде, а не наоборот. Старинное название «купоросное масло» отсылает к XVIII—XIX вв. , когда серу для изготовления пороха получали разложением пирита на купоросных заводах. И до сих пор кристаллогидраты её солей именуются купоросами.

Медикам и строителям давно известен природный гипс — кристаллогидрат сульфата кальция. Садоводы и огородники любят медный купорос — ценный помощник в борьбе с различными вредителями и болезнями растений. Квасцы незаменимы в производстве красок и для дубления кожи. Десятиводный кристаллогидрат сульфата натрия — «глауберова соль» — используется в химической промышленности, деревопереработке и медицине (слабительное и желчегонное средство для людей и животных).

Сульфат бария или «бариевая каша» обладает уникальной способностью взаимодействовать с рентгеновским излучением, задерживая его, и это большой плюс при исследованиях полых органов человеческого тела.

Способы промышленного производства

В качестве сырья долгое время использовался природный минерал пирит — «серный колчедан». Сегодня ему на смену пришли элементарная сера или её соединения: сероводород, соли — сульфиты и сульфаты, а также газовые отходы теплоэлектростанций, работающих на неочищенной нефти. Производство имеет ряд последовательных стадий:

1. Получение оксида серы (II), сернистого газа, путём сжигания серосодержащего сырья или его обжига в кислороде.
2. Очистка газообразной фазы реагентов от твёрдых примесей.
3. Окисление до оксида серы (III). Процесс описывается уравнением: 2SO2 + O2 = 2SO3.
4. Поглощение водой: H2O + SO3 = H2SO4.

В общем объёме минеральных кислот, которые производятся сегодня химической промышленностью, H2SO4 занимает почётное первое место. При этом она является наиболее дешёвой, технологичной и не разрушает чёрные металлы в концентрированном состоянии.

Камерный метод получения

В эпоху средневековья алхимики синтезировали купоросное масло т. н. камерным способом. Для этого использовались специальные большие, размером с целую комнату, камеры, обложенные изнутри свинцом. Поверхности стенок в результате окисления покрывались защитным слоем сульфата свинца. При горении в присутствии воздуха смеси, состоящей из серы и калиевой селитры, образовывался твёрдый остаток оксидов азота и солей калия и выделялся газообразный оксид серы (III).

Он поглощался водой, имевшейся в камере, и позволял получить продукт малой крепости, которая требовала дальнейшей концентрации. После открытия каталитических свойств оксидов азота, камерный метод уступил место менее трудоёмким и более эффективным технологиям производства.

Современные способы синтеза

«Едва ли найдётся другое, искусственно добываемое вещество, столь часто применяемое в технике» — эти слова гениального русского учёного Д. И. Менделеева наглядно характеризуют ценность серной кислоты. Сегодня при её производстве используются две методики окисления диоксида серы:

• контактная, использующая твёрдые катализаторы;
• башенная (нитрозная), где катализаторами служат газообразные оксиды азота, а окислителем выступает кислород.

При контактном способе смесь реагентов пропускается сквозь твёрдый катализатор, расположенный слоями для увеличения поверхности. Нитрозный метод подразумевает орошение сырья водой или разбавленной кислотой в башенных реакторах. Первый способ более производителен и компактен, позволяет получать продукт большей чистоты при меньших затратах и постепенно вытесняет нитрозного конкурента.

Ускорителей процесса окисления было открыто немало. Наибольший эффект проявляют платина, оксиды ванадия V2O5 и железа Fe2O3. Но первая стоит дорого и быстро отравляется примесями мышьяка, содержащимися в газовой фазе SO2. Для поддержания каталитической активности оксида железа необходимы температуры свыше 600 °C. Наиболее экономичным признан ванадиевый катализатор — он и применяется в производстве.

При улавливании SO3 водой выделяется много тепла, и продукт закипает с образованием аэрозоля. Поэтому используется 100% концентрированная кислота, и получается олеум, который затем разбавляется до необходимых пропорций.

Химические свойства продукта

Серная кислота занимает привилегированное положение среди наиболее сильных минеральных кислот. Такую активность легко охарактеризовать высокой полярностью молекулярной связи водород — кислород, и, соответственно, лёгкостью её разрыва. Это придаёт H2SO4 не только ряд общих для всех соединений её класса свойств, например, взаимодействие кислот с металлами, но и специфические качества. Среди основных химических свойств стоит отметить:

1. Действие на индикаторы. Кислая среда водных растворов изменяет окраску фиолетового лакмуса, метилового оранжевого и универсального индикатора — они приобретают красный цвет.
2. Реакция диссоциации. В водном растворе проявляются свойства сильного электролита, и в результате двухступенчатой диссоциации соединение распадается на два однозарядных положительных иона водорода и сульфат-ион с двойным отрицательным зарядом.
3. Взаимодействие с металлами. Разбавленная серная кислота может реагировать с металлами, которые стоят в электрохимическом ряду активности левее водорода. При этом образуется сернокислая соль, которая называется сульфатом, и водород. Сульфаты не имеют цвета, хорошо растворимы в воде и легко кристаллизуются.
4. Реакция нейтрализации. В результате взаимодействия с растворимыми и нерастворимыми основаниями образуется сульфатная соль и вода. Молекула H2SO4 имеет два атома водорода, поэтому кислота — двухосновная, и для полной нейтрализации требуется две молекулы основания.
5. Взаимодействие с основными оксидами. Соединения с кислородом одно- и двухвалентных металлов (MgO, FeO, Li2O, Na2O) тоже участвуют в реакции нейтрализации. При этом образуется сульфат металла из состава оксида и вода.
6. Обменные реакции с солями более слабых или легколетучих кислот. Происходит вытеснение и в результате образуется сульфатная соль и кислота (или выделяется летучий газ, а вода остаётся в растворе). Выпадение белого нерастворимого осадка BaSO4 — это качественная реакция на сульфат-ионы.

Специфические свойства концентрированных растворов обусловлены структурными особенностями формулы серной кислоты: в молекуле H2SO4 положительно заряженный атом серы находится в максимальной, четвёртой степени окисления. Поэтому он может только принимать электроны и сообщать соединению высокие окислительные свойства. Стоит отметить некоторые из них:

1. Окисление большинства металлов, в т. ч. пассивных (цинк и медь). В этих реакциях водород уже не выделяется, а H2SO4 восстанавливается до сероводорода, серы или оксида серы (II). Это определяется концентрацией исходных компонентов и местом, которое занимает метал в электрохимическом ряду активности. Исключение составляют золото, железо, алюминий и платиноиды, поэтому для перевозки автомобильным и железнодорожным транспортом используют стальные цистерны.
2. Окисление многих неметаллов. В результате реакции неметалл образует соединение с максимальным окислительным числом, а H2SO4 восстанавливается до оксида серы (IV).
3. Окисление сложных соединений. При обработке калиевых солей галогеноводородных кислот (KBr или KI) образуется сульфатная соль и выделяется свободный галоген. Хлорид-ионы не окисляются до хлора и позволяют получать соляную кислоту реакцией обмена.
4. Дегидратация органических веществ. Химически связанная вода легко удаляется из гидроксильных групп в присутствии концентрированной H2SO4: из этилового спирта образуется этилен. Обугливание углеводов тоже объясняется обезвоживанием.

Интересно, что в природе эта едкая кислота встречается в чистом 100%-м виде: на итальянском острове Сицилия существует уникальное Озеро смерти, к которому не приближаются даже насекомые и птицы. В этих местах дисульфид железа из земной коры выступает сырьём для синтеза H2SO4, и продукт сочится прямо из дна! Действующие вулканы тоже вносят вклад — извергают в земную атмосферу сернокислотные выбросы, которые причиняют непоправимый вред окружающей среде и становятся причиной серьёзных климатических изменений.

Применение в народном хозяйстве

Достижения химии всегда служили научно-техническому прогрессу. Высокие окислительные способности позволили H2SO4 стать важным компонентом в ряде отраслей промышленности. Её используют:

• добыча редких элементов (очистка урановых, иридиевых, циркониевых и осмиевых руд);
• производство минеральных удобрений, высокомолекулярных нитей, красок и пиротехники;
• неорганический синтез солей и кислот;
• текстильная и кожевенная отрасли;
• нефтехимия и металлообработка;
• пищевая промышленность (добавка-эмульгатор E513);
• автомобилестроение (электролит в аккумуляторах);
• дистиллирование воды (реагент для восстановления смол в фильтрах).

Отдельно стоит упомянуть промышленный органический синтез — источник эфиров и спиртов, синтетических моющих средств и искусственных волокон. Он немыслим реакций дегидратации, гидратации, сульфирования, алкилирования. Металлообрабатывающие заводы очищают поверхности изделий от окислов, образующихся при сильном нагревании. Но основным потребительским сегментом является изготовление минеральных удобрений (больше всего — фосфорных). Из-за этого сернокислотные заводы рекомендуется размещать недалеко от предприятий по производству этих ценных химических продуктов.

Все приведённые положительные характеристики были бы неполными, если не вспомнить, что серная кислота и олеум — опасные, чрезвычайно агрессивные продукты. Атмосферные кислотные аэрозоли периодически образуются в результате выбросов металлургических и химических заводов и выпадают в виде осадков. Они поражают кожу и слизистые, что приводит к затруднению дыхания, провоцирует кашель и бронхолёгочные заболевания с отёками гортани.

При попадании на кожные покровы возникают химические ожоги, их тяжесть напрямую зависит от концентрации и площади контакта. При проглатывании появляются резкие боли во рту и пищеводе, затем начинается рвота, кашель, затрудняется дыхание и ослабляется сердечная деятельность, а смертельной считается доза 5 мг. Первая помощь при отравлении парами заключается в обеспечении притока свежего воздуха и промывании слизистых содовым раствором. При растекании по коже поражённое место обильно орошают водой, а проглатывание требует промывания желудка и приёма известковой воды.

Sulfuric Acid or Sulphuric Acid is a mineral acid consisting of one Sulfur, four Oxygen, and two Hydrogen atoms. The chemical or molecular formula of Sulfuric Acid is H₂SO₄. Sulfuric Acid is one most important commercially used chemicals. It is also known as Mattling acid or Hydrogen Sulfate or Vitriol. Sulphuric acid is a very strong acid and viscous liquid. It is a colorless, odorless, oily liquid, and corrosive in nature. Sulfuric acid is a component of acid rain as it is soluble in water.

Sulfuric acid is a highly acidic liquid. As a result, it is used for the cleaning of metals, the extraction of impurities from oil, the production of chemicals such as nitric acid and hydrochloric acid, and the manufacture of dye, medicines, detergents, and explosives, among other processes. The molar mass of Sulfuric Acid is 98.079 g/mol. The density of Sulfuric acid is 1.83 g/cm³. The H₂SO₄ molecule is covalent and has a tetrahedral structure and monoclinic crystal structure.

What is Sulfuric Acid?

Sulfuric acid is a highly reactive chemical. Sulfuric acid is used in many industries like lead-based automobile batteries, the production of various chemicals, glue, and explosives, the refinement of petroleum, the curing of metal, etc. Hence, due to these wide applications, it is referred to as the “King of Chemicals“. The chemical formula for Sulfuric or Sulphuric Acid is H₂SO₄. 

As shown below, Sulfuric Acid (H₂SO₄) is a covalent compound that consists of a Sulfur atom, which is attached to two Oxygen atoms and two Hydroxyl molecules (-OH).

Properties of Sulfuric Acid (H₂SO₄)

Physical Properties of Sulfuric Acid

• H₂SO₄ is a viscous, thick, colorless, and oily liquid
• Sulfuric acid has a density of 1.84 g/mL, a boiling point of 337 °C, and a melting point of 10 °C. 
• Concentrated sulfuric acid is 98% in water, and is the most stable form. Many other concentrations, with different names, are available for various purposes like Battery acid which is 29–32%, chamber acid which is 62-70%, and tower acid which is 78-80%.
• It has a specific gravity of 1.84 at 298 K.
• It turns blue litmus red and the pH values of sulphuric acid in mmol/l are mentioned in the table below,

pH values	1 mM	10 mM	100 mM
Sulphuric acid (in mmol/l)	2.75	1.87	1.01

• It is highly corrosive, making it dangerous to touch.

Chemical Properties of Sulfuric Acid

• H₂SO₄ is a strong acid that completely dissociates into ions in its aqueous solution as,

H₂SO₄  ⇢  H₂⁺ + SO₄^-2

• Sulphuric Acid is a good oxidizing agent, as it oxidizes other substances by donating its oxygen atoms, in a chemical reaction. As shown below, it oxidizes carbon and sulphur.

2H₂SO₄ + C ⇢  2H₂O + 2SO₂ + CO₂

2H₂SO₄ + S ⇢  2H₂O + 3SO₂ 

• Sulfuric acid reacts vigorously with water in a highly exothermic reaction (i.e., releases heat).
• Sulphuric Acid is a dibasic acid and releases two hydrogen ions per molecule.
• Sulphuric Acid has hygroscopic properties, which implies that H₂SO₄ can draw and control moisture from its surroundings. This effect makes it a good dehydrating agent.
• It is less volatile. This is why it contributes to preparing more volatile acids from their complementary salts.

Structure of Sulphuric Acid

Two oxygen atoms form double bonds with the Sulphur atom, while two hydroxyl groups (OH) form single bonds with the Sulphur atom. Due to its ability to release two protons, it is a diprotic acid. As shown below, the molecule has a tetrahedral structure and is covalent.

Preparation of Sulfuric Acid

Sulfuric Acid is generally prepared and manufactured by the following two methods, which are widely used.

1. Contact Process
2. Lead Chamber Process

Contact Process for manufacturing of Sulfuric Acid

The Contact Process comprises three phases in the production of sulphuric acid:

• Preparation of Sulphur dioxide by burning sulphur or sulphide ores in the air.

S (s) + O₂ (g)  →  SO₂ (g)

• Reaction between sulphur dioxide with oxygen in the presence of V₂O₅ catalyst to produce Sulphur trioxide (SO₃) as,

2SO₂ (g) + O₂ (g)  →  2SO₃ (g)

• Conversion of Sulphur Trioxide into Sulphuric Acid as,

SO₃ + H₂SO₄ (Oleum)  →  H₂S₂O₇

H₂S₂O₇ (l) + H₂O (l)  →  2H₂SO₄ (Sulfuric Acid)

The sulphuric acid obtained by the Contact process is 96–98% pure.

Lead Chamber Process

One of the most popular manufacturing processes is the lead Chamber method. It produces around 50 to 60 B-grade acids. Wet SO₂ in the presence of nitrogenous oxides is used in this procedure (dynamic impetus). As a result, it undergoes oxidation with airborne oxygen to produce sulphur trioxide. This reaction is stated as,

2SO₂ +  O₂  →  2SO₃

Then, water and sulphur trioxide are allowed to interact, resulting in H₂SO₄. This reaction is stated as,

SO₃  +  H₂O  →  H₂SO₄

Molecular Mass of Sulphuric Acid

Sulphuric acid has the chemical formula H₂SO₄. According to this formula, one molecule of sulphuric acid (H₂SO₄) comprises 2 moles of hydrogen, 1 mole of sulfur, and 4 moles of oxygen atoms. As a result, the molecular mass of H₂SO₄ will be equal to the sum of the masses of two moles of hydrogen, one mole of sulfur, and four moles of oxygen. Because hydrogen has an atomic mass of 1u, sulfur has an atomic mass of 32u, and oxygen has an atomic mass of 16u, the molecular mass of sulphuric acid may be computed as follows:

The molecular mass of H₂SO₄ = Mass of 2 moles of hydrogen atoms + Mass of 1 mole of sulphur + Mass of 4 moles of oxygen atoms

= 2 × 1 + 32 + 4 × 16

= 2 + 32 + 64

= 98 u

Thus, the molecular mass of sulphuric acid is 98u and the molecular weight of sulphuric acid is 98 g/mol.

Reactions of Sulfuric Acid

• Dissociation- When pure water-free sulphuric acid is cooked, sulfur trioxide and water are formed.

H₂SO₄ → SO₃ + H₂O

• Acidic Character of Sulphuric Acid- It’s a common dibasic acid that turns blue litmus crimson when exposed to it. It divides into two groups of salts.

NaOH + H₂SO₄ → NaHSO₄ + H₂O

2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O

• Sulphonating Action of Sulphuric Acid- Concentrated sulphuric acid combines with a variety of organic molecules, such as benzene, toluene, and others, to form sulphonic acids, as an example.

C₆H₆ + H₂SO₄ → C₆H₅SO₃H + H₂O

• Precipitation Reactions with Sulphuric Acid- It creates insoluble sulfates that precipitate when handled with aqueous solutions of barium, lead, and other salts, for example.

H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2HCl

• Reaction with Sulphur Trioxide- Oleum, commonly known as fuming sulphuric acid, is formed when it dissolves sulfur trioxide.

H₂SO₄ + SO₃ → H₂S₂O₇

Uses of Sulfuric Acid

Sulfuric acid is known as one of the most essential reagents, and it has several industrial uses. Several instances include:

• Fertilizers such as ammonium sulfate, lime superphosphate, and others are made in this way.
• In the production of colors, explosives, and pharmaceuticals.
• H₂SO₄  is used in the production of acids such as HCl and HNO₃.
• In the production of pigments, paints, and polymers, for example.
• In the paper and textile industries, for example.
• Nitrocellulose is used in the production of goods.
• Applications in metallurgy (Example: Cleaning metals before enameling, electroplating, and galvanizing).
• In the leather business.
• In storage compartments.
• In the oil and gas sector.
• In the detergent business.
• It works as a dehydrator.
• As a reagent in the laboratory.

FAQs on Sulfuric Acid

Question 1: What are the uses of sulphuric acid?

Answer:

Fertilizers, dyestuffs, explosives, and pharmaceuticals are all made with sulphuric acid. It is also used to make acids such as HCl and HNO3. It’s frequently utilised in the metallurgical industry (Example: Cleaning metals before enamelling, electroplating and galvanising).

Question 2: Why is Sulphuric acid called the king of chemicals?

Answer:

Sulphuric acid, sometimes known as the “king of chemicals,” is one of the most significant substances. It’s also known as vitriol oil since it used to be made from green vitriol back in the day. It is very corrosive and more reactive than other acids. As a result, it has a wide range of uses, including usage in laboratories, batteries, detergents, and the manufacture of numerous medications.

Question 3: What will happen when Sulphuric Acid reacts with aqueous solutions of the salts of barium?

Answer:

It generates insoluble sulphates that precipitate when handled with aqueous solutions of barium salts.

H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2HCl

Question 4: What will happen when Sulphuric Acid reacts with Sulphur Trioxide?

Answer:

Sulphuric acid dissolves sulphur trioxide to generate oleum, often known as fuming sulphuric acid.

H₂SO₄ + SO₃ → H₂S₂O₇

Question 5: What is the structure of sulphuric acid?

Answer:

In sulphuric acid, two hydrogen atoms are firmly bonded to two oxygen atoms, resulting in two-OH groups. The molecule is covalent and has a tetrahedral structure.

Question 6: Which acid is the strongest in the world?

Answer:

Fluoroantimonic acid is a superacid mixture of Antimony Pentafluoride and Hydrofluoric Acid, which is the strongest in the world.

Related Articles

• Acids, Bases, and Salts
• Types of Acids
• Sulfurous Acid Formula 

Last Updated :
13 Oct, 2022

Like Article

Save Article