Серная кислота

«Масло купороса» перенаправляет здесь. Для сладкого масла купороса см. Диэтиловый эфир .

«Серная кислота» перенаправляет здесь. Для романа Амели Nothomb см. Серную кислоту (роман) .

Серная кислота

Заполнение космического пространства Модель мяча и шарика S = O Длина связи = 142,2 вечера, Итак, длина связи = 157,4 вечера, О, длина связи = 97 вечера
Имена
Имя IUPAC Серная кислота
Другие имена Масло купороса Водород Сулфат
Идентификаторы
Номер CAS	7664-93-9  И
3D model ( JSmol )	Интерактивное изображение
Чеби	Чеби: 26836  И
Химический	Chembl572964  И
Chemspider	1086  И
Echa Infocard	100.028.763
ЕС номер	231-639-5
E номер	E513 (регуляторы кислотности, ...)
Гмелин Ссылка	2122
Кегг	D05963  И
PubChem CID	1118
Rtecs номер	WS5600000
НЕКОТОРЫЙ	O40UQP6WCF  И
Номер	1830
Comptox Dashboard ( EPA )	DTXSID5029683
показывать Дюймы InChI=1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4) Y Key: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Y InChI=1/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4) Key: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYAC
показывать Улыбается OS(=O)(=O)O
Характеристики
Химическая формула	H 2 SO 4 , иногда выражается (Для) 2 SO 2
Молярная масса	98.079 g/mol
Появление	Бесцветная вязкая жидкость
Запах	Без запаха
Плотность	1,8302 г/см 3 , жидкость
Точка плавления	10.31 ° C (50,56 ° F; 283,46 К)
Точка кипения	337 ° C (639 ° F; 610 K) Когда серная кислота превышает 300 ° C (572 ° F; 573 K), она постепенно разлагается до Так что 3 + h 2 o
Растворимость в воде	смешиваемая, экзотермическая
Давление паров	0,001 мм рт. Ст. (20 ° C)
Кислотность (p k a )	p k a1 = -2,8 p k a2 = 1,99
Сопряженная база	Бисульфат
Вязкость	26,7 CP (20 ° C)
Структура
Кристаллическая структура	моноклинный
Космическая группа	C2/C.
Постоянная решетка	A = 818,1 (2) PM, B = 469,60 (10) PM, C = 856,3 (2) PM A = 90 °, b = 111,39 (3) °, γ = 90 °
Единицы формулы ( z )	4
Термохимия
Std Molar энтропия ( с ⦵ 298 )	157 J/(моль · к)
Энтальпия STD образование (Δ f h ⦵ 298 )	-814 кДж / раз
Опасности
GHS Маркировка :
Пиктограммы
Сигнальное слово	Опасность
Заявления об опасности	H314
МЕРЫ ОФИНАЯ заявления	P260 , P264 , P280 , P301+P330+P331 , P303+P361+P353 , P304+P340 , P305+P351+P338 , P310 , P321 , P363 , P405 , P501
NFPA 704 (Огненная бриллиант)	3 0 2 В Бык
точка возгорания	Неплохо
Пороговое предельное значение (TLV)	15 мг/м 3 (IDLH), 1 мг/м 3 (TWA), 2 мг/м 3 (НАБОР)
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
Ld 50 ( средняя доза )	2140 мг/кг (крыса, устное)
LC 50 ( медианная концентрация )	50 мг/м 3 (морская свинка, 8 часов) 510 мг/м 3 (Крыса, 2 часа) 320 мг/м 3 (мышь, 2 часа) 18 мг/м 3 (морская свинка)
LC LO ( самый низкий опубликован )	87 мг/м 3 (морская свинка, 2,75 часа)
Niosh (пределы воздействия на здоровье США):
Пел (допустимый)	TWA 1 мг/м 3
Rel (рекомендуется)	TWA 1 мг/м 3
IDLH (немедленная опасность)	15 мг/м 3
Лист данных безопасности (SDS)	Внешние MSDS
Связанные соединения
Связанные сильные кислоты	Селеновая кислота Соляная кислота Азотная кислота Перхловая кислота Фторуантоновая кислота Хромовая кислота
Связанные соединения	Серная кислота Пероксимоносульфурическая кислота Серная триоксид Олей
За исключением случаев, когда отмечены, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). N   Проверьте ( что есть  И Не  ?) Infobox ссылки

Серная кислота ( американское правописание и предпочтительное название IUPAC ) или серная кислота ( правописание Содружества ), известное в древности как масло витриола , представляет собой минеральную кислоту, состоящую из элементов серы , кислорода и водорода , с молекулярной формулой H ₂ SO ₄ . Это бесцветная, без запаха и вязкая жидкость, которая смешивается с водой.

Чистая серная кислота не возникает естественным образом из -за его сильной сродства к водяному пару ; Он гигроскопичен и легко поглощает водяной пары из воздуха . Концентрированная серная кислота очень коррозийна по отношению к другим материалам, от пород до металлов, поскольку она является окислителем с мощными обезвоживающими свойствами. Фосфор пентоксид является заметным исключением в том смысле, что он не дегидратируется серной кислотой, а, наоборот, обезвоживает серную кислоту к триоксиду серы . После добавления серной кислоты в воду выделяется значительное количество тепла; Таким образом, обратная процедура добавления воды в кислоту обычно избегается, поскольку высвобождение тепла может варить раствор, распыляя капли горячей кислоты во время процесса. После контакта с тканью организма серная кислота может вызывать сильные кислые химические ожоги и вторичные тепловые ожоги из -за обезвоживания. Разбавленная серная кислота существенно менее опасна без окислительных и обезвоживающих свойств; Тем не менее, он обрабатывается с заботой о кислотности.

Серная кислота является очень важным товарным химическим веществом; Производство серной кислоты в стране является хорошим показателем его промышленной прочности. Многие методы его производства известны, включая процесс контакта , процесс влажной серной кислоты и процесс свинцовой камеры . Серная кислота также является ключевым веществом в химической промышленности . Чаще всего используется в удобрений производстве но также важен при переработке минералов , нефтепрограмме , обработке сточных вод и химическом синтезе . Он имеет широкий спектр конечных применений, в том числе в уборщиках в домашних условиях кислых сливах . в качестве электролита в свинцово-кислотных батареях , как обезвоживающее соединение и в различных чистящих средствах . Серная кислота может быть получена путем растворения триоксида серы в воде.

Физические свойства

Сорта серной кислоты

Хотя можно сделать почти 100% растворы серной кислоты, последующая потеря Таким образом, ₃ в точке кипения приводит концентрацию до 98,3% кислоты. Степень 98,3%, который более стабилен в хранении, является обычной формой того, что описывается как «концентрированная серная кислота». Другие концентрации используются для разных целей. Некоторые общие концентрации:

Массовая дробь H 2 SO 4	Плотность (кг/л)	Концентрация (Молл)	Общее название
<29%	1.00-1.25	<4.2	разбавленная серная кислота
29–32%	1.25–1.28	4.2–5.0	аккумулятор кислота (Используется в батареях -свинцовой кислоте )
62–70%	1.52–1.60	9.6–11.5	Камерная кислота удобрения кислоты
78–80%	1.70–1.73	13.5–14.0	башня кислота Гловера кислота
93.2%	1.83	17.4	66 ° Bé ("66-градусный бауме") кислота
98.3%	1.84	18.4	концентрированная серная кислота

«Камерная кислота» и «башенная кислота» представляли собой две концентрации серной кислоты, полученной в результате обработки камеры свинца , причем камерная кислота является кислотой, продуцируемой в самой свинцовой камере (<70%, чтобы избежать загрязнения нитрозильсульфуриновой кислотой ), а башня - это кислота Кислота извлечена из нижней части головной башни. В настоящее время они устарели как коммерческие концентрации серной кислоты, хотя при необходимости они могут быть получены в лаборатории из концентрированной серной кислоты. В частности, «10 М» серная кислота (современный эквивалент камерной кислоты, используемой во многих титровах ), готовится постепенно добавляя 98% серной кислоты в равный объем воды, с хорошим перемешиванием: температура смеси может подняться до 80 ° C (176 ° F) или выше.

Серная кислота

Серная кислота содержит не только H ₂ SO ₄ молекулы, но на самом деле является равновесием многих других химических видов, как показано в таблице ниже.

Равновесие чистой серной кислоты

Разновидность	Ммоль/кг
HSO - 4	15.0
H 3 SO + 4	11.3
H 3 o +	8.0
HS 2 O - 7	4.4
H 2 S 2 O 7	3.6
H 2 o	0.1

Серная кислота является бесцветной жидкостью и имеет давление паров <0,001 мм рт. Ст. При 25 ° С и 1 мм рт. и 98% серная кислота имеет давление паров <1 мм рт. Ст. При 40 ° C.

В твердом состоянии серная кислота представляет собой молекулярное твердое вещество, которое образует моноклинные кристаллы с почти тригональными параметрами решетки. Структура состоит из слоев, параллельных (010) плоскости, в которой каждая молекула связана водородными связями с двумя другими. Гидраты H ₂ SO ₄ · N H ₂ O известны для n = 1, 2, 3, 4, 6.5 и 8, хотя большинство промежуточных гидратов стабильны против диспропорции .

Полярность и проводимость

Безводный H ₂ SO _4- очень полярная жидкость, имеющая диэлектрическую постоянную около 100. Он обладает высокой электрической проводимостью , следствием автопротолиза , то есть самопротонирование :

H ₂ SO ₄ ⇌ H ₃ SO + 4 + HSO - 4

Константа равновесия для аутопротолиза (25 ° C) - это:

[H ₃ SO ₄ ] ⁺ [HSO ₄ ] ⁻ = 2.7 × 10 ⁻⁴

Соответствующая константа равновесия для воды , K _W равен 10 ⁻¹⁴ , фактор 10 ¹⁰ (10 миллиардов) меньше.

Несмотря на вязкость кислоты, проводимость эффективная H ₃ SO + 4 и Ионы HSO - 4 высоки из-за внутримолекулярного механизма протонового переключения (аналогично механизму Grotthuss в воде), что делает серную кислоту хорошим проводником электричества. Это также отличный растворитель для многих реакций.

Химические свойства

Кислотность

Эксперимент, который демонстрирует дегидратационные свойства концентрированной серной кислоты. Когда концентрированная серная кислота вступает в контакт с сахарозой , происходит медленная карбонизация сахарозы. Реакция сопровождается эволюцией газообразных продуктов, которые способствуют образованию пенистой карковой колонны, которая поднимается над стаканом.

Капли концентрированной серной кислоты быстро разлагают кусок хлопкового полотенца путем обезвоживания.

Реакция гидратации серной кислоты очень экзотермична , разбавление.

Как указывается константа его кислотной диссоциации , серная кислота является сильной кислотой:

H ₂ SO ₄ → H ₃ O ⁺ + HSO - 4 K _A1 = 1000 (PK _A1 = −3)

Продукт этой ионизации HSO - 4 , бисульфат анион. Бисульфат - это гораздо более слабая кислота:

HSO - 4 + H ₂ O → H ₃ O ⁺ + SO 2–4 = K _A2 = 0,01 (PK _A2 2)

Продукт этой второй диссоциации Итак, , 2–4 сульфатный анион .

Обезвоживание

Концентрированная серная кислота обладает мощным обезвоживающим свойством, удаляя воду ( H ₂ o ) От других химических соединений, таких как табличный сахар ( сахароза ) и другие углеводы , для производства углерода , пара и тепла. Обезвоживание табличного сахара (сахароза) является общей лабораторной демонстрацией. Сахар темнеет при образовании углерода, и жесткая колонна черного пористого углерода, называемого углеродной змеей может появиться как показано на рисунке.

${\underset {\text{sucrose}}{{\ce {C12H22O11}}}}\longrightarrow {\underset {{\text{black}} \atop {\text{graphitic foam}}}{{\ce {12 C}}}}+{\ce {11 H2O_{(g,l)}}}$

Точно так же смешивание крахмала с концентрированной серной кислотой дает элементарный углерод и воду. Эффект этого можно увидеть, когда концентрированная серная кислота проливается на бумагу, которая состоит из целлюлозы ; Целлюлоза реагирует, чтобы придать сгоревшему появлению, в котором углерод очень похож на сажи , которая возникает в результате огня. Хотя это менее драматичное, действие кислоты на хлопок , даже в разбавленной форме, разрушает ткань.

${\underset {\text{polysaccharide}}{{\ce {[C6H10O5]}}_{n}}}\longrightarrow 6n\ {\ce {C}}+5n\ {\ce {H2O}}$

Реакция с медной (II) сульфатом может также продемонстрировать свой свойство дегидратации серной кислоты. Синие кристаллы меняются в белый порошок, когда вода удаляется:

${\underset {{\text{copper(II) sulfate}} \atop {\text{pentahydrate}}}{{\ce {CuSO4*5H2O}}}}\longrightarrow {\underset {{\text{anhydrous}} \atop {\text{copper(II) sulfate}}}{{\ce {CuSO4}}}}+{\ce {5 H2O}}$

Реакции со солями

Серная кислота реагирует с большинством оснований , чтобы получить соответствующий сульфат или бисульфат.

Серная кислота реагирует с хлоридом натрия и дает водорода хлорид и бисульфат натрия :

NaCl + h ₂ so ₄ → nahso ₄ + hcl

Сульфат алюминия , также известный как выпускник бумаги, производится путем обработки боксита серной кислотой:

2 alo (OH) + 3 H ₂ SO ₄ → Al ₂ (SO ₄ ) ₃ + 4 H ₂ O

Серная кислота также может быть использована для вытеснения более слабых кислот из их солей. Реакция с ацетатом натрия , например, вытесняет уксусную кислоту , CH ₃ COOH , и образует бисульфат натрия :

H ₂ SO ₄ + CH ₃ CO ₂ Na → Nahso ₄ + CH ₃ COOH

Точно так же обработка нитрата калия серной кислотой продуцирует азотную кислоту .

В сочетании с азотной кислотой , серная кислота действует как кислота, так и дегидратирующее средство, образуя ион нитрония NO + 2 , что важно в реакциях нитрации, включающих электрофильную ароматическую замещение . Этот тип реакции, где протонирование происходит на атоме кислорода , важен во многих реакциях органической химии , таких как этерификация фишера и обезвоживание спиртов.

Структура твердого состояния [D ₃ SO ₄ ] ⁺ Ион присутствует в [D ₃ SO ₄ ] ⁺ [SBF ₆ ] ⁻ , синтезируется с помощью D F вместо HF.

При разрешении реагировать с супехидами , серная кислота может действовать как основание и может быть протонировано, образуя [H ₃ SO ₄ ] ⁺ ион Соли [H ₃ SO ₄ ] ⁺ были приготовлены (например, тригидроксиксоксосулфониевый гексафлуоруантимонат (v) [H ₃ SO ₄ ] ⁺ [SBF ₆ ] ⁻ ) с использованием следующей реакции в жидкости HF :

((Ch ₃ ) ₃ SIO) ₂ SO ₂ + 3 HF + SBF ₅ → [H ₃ SO ₄ ] ⁺ [SBF ₆ ] ⁻ + 2 (Ch ₃ ) ₃ SIF

Приведенная выше реакция термодинамически предпочтительнее из -за высокой энтальпии связи связей Si -F в боковом продукте. Протонирование с использованием просто фторуантонической кислоты , однако, получила недостаточность, поскольку чистая серная кислота подвергается самооничению, чтобы получить [H ₃ O] ⁺ Ионы:

2 ч ₂ так ₄ ⇌ h ₃ o ⁺ + Hs ₂ o - 7

который предотвращает преобразование H ₂ SO ₄ до [H ₃ SO ₄ ] ⁺ по HF/ SBF ₅ Система.

Реакции с металлами

Даже разбавленная серная кислота реагирует со многими металлами посредством однократной реакции смещения, как и другие типичные кислоты , продуцируя газовый водород и соли (сульфат металла). Он атакует реактивные металлы (металлы в положениях над медью в серии реакционной способности ), такие как железо , алюминий , цинк , марганец , магний и никель .

Fe + h ₂ so ₄ → h ₂ + feso ₄

Концентрированная серная кислота может служить окислительным агентом , высвобождая диоксид серы:

Cu + 2 H ₂ SO ₄ → SO ₂ + 2 H ₂ O + SO 2− 4 + CU ²⁺

Ведущий и вольфрам , однако, устойчивы к серной кислоте.

Реакции с углеродом и серной

Горячая концентрированная серная кислота окисляет углерод (как битумный уголь ) и сера :

C + 2 H ₂ SO ₄ → CO ₂ + 2 SO ₂ + 2 H ₂ O

S + 2 H ₂ SO ₄ → 3 SO ₂ + 2 H ₂ O

Электрофильная ароматическая замещение

Бензол подвергается электрофильной ароматической замещении серной кислотой с получением соответствующих сульфоновых кислот :

Серый цикл

Серная кислота может быть использована для получения водорода из воды :

2 I 2 + 2 SO 2 + 4 H 2 O → 4 HI + 2 H 2 SOO 4		(120 ° C, реакция Бунзена )
2 H 2 SO 4 → 2 SO 2 + 2 H 2 O + O 2		(830 ° C)
4 HI → 2 I 2 + 2 H 2		(320 ° C)

Соединения серы и йода восстанавливаются и используются повторно, поэтому процесс называется циклом серы -йода . Этот процесс является эндотермическим и должен происходить при высоких температурах, поэтому должна быть поставлена ​​энергия в виде тепла. Цикл серы-йода был предложен в качестве способа поставки водорода для экономики на основе водорода . Это альтернатива электролизу и не требует углеводородов, таких как текущие методы парового реформирования . Но обратите внимание, что вся доступная энергия в водородном водороде обеспечивается теплом, используемой для его изготовления.

Возникновение

Rio Tinto с очень кислой водой

Серная кислота редко встречается естественным образом на Земле в безводной форме из -за ее великого сродства к воде . Разбавленная серная кислота является компонентом кислотного дождя , которая образуется при окислении атмосферного диоксида серы в присутствии воды - то есть окисление серной кислоты . Когда серосодержащие топлива, такие как уголь или нефть, сжигается, диоксид серы является основным побочным продуктом (помимо главных продуктов оксидов углерода и воды).

Серная кислота образуется естественным образом путем окисления сульфидных минералов, таких как пирит :

2 FES ₂ (S) + 7 O ₂ + 2 H ₂ O → 2 Fe ²⁺ + 4 SO 2- 4 + 4 ч ⁺

Полученная высококичная вода называется кислым дренажом шахта (AMD) или дренаж кислой пород (ARD).

А Фей ²⁺ может быть дополнительно окислен до Фей ³⁺ :

4 фей ²⁺ + O ₂ + 4 ч ⁺ → 4 Fe ³⁺ + 2 H ₂ O

А Фей ³⁺ произведенные могут быть осаждены в качестве гидроксида или оксида железа :

Фей ³⁺ + 3 H ₂ O → Fe (OH) ₃ ↓ + 3 H ⁺

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

FES ₂ (S) + 14 Fe ³⁺ + 8 H ₂ O → 15 Fe ²⁺ + 2 SO 2- 4 + 16 ч ⁺

Когда происходит окисление железа (III) пирита, процесс может стать быстрым. Значения pH ниже нуля были измерены в ARD, создаваемых этим процессом.

ARD также может производить серную кислоту с более медленной скоростью, так что способность нейтрализующей кислоты (АНК) водоносного горизонта может нейтрализовать образуемую кислоту. В таких случаях общая концентрация растворенных твердых веществ (TDS) в воде может быть увеличена по сравнению с растворением минералов из реакции кислотной нейтрализации с минералами.

Серная кислота используется в качестве защиты определенными морскими видами, например, водоосвеченная водоросли Desmarestia munda (Order Desmarestiales ) концентрирует серную кислоту в клеточных вакуолях.

Стратосферный аэрозоль

В стратосфере , второй слой атмосферы, который обычно находится от 10 до 50 км над поверхностью Земли, серная кислота образуется путем окисления диоксида серы вулкана гидроксильным радикалом :

Так что ₂ + хо ^• HSO ₃

HSO ₃ + O ₂ → SO ₃ + HO ₂

Итак, ₃ + H ₂ O → H ₂ SO ₄

Поскольку серная кислота достигает перенасыщения в стратосфере, она может зародить частицы аэрозоля и обеспечивать поверхность для роста аэрозоля посредством конденсации и коагуляции с другими аэрозолями с водой-сульфровой кислотой. Это приводит к слое стратосферного аэрозоля .

Внеземная серная кислота

Постоянные венерические облака продуцируют концентрированный кислотный дождь, так как облака в атмосфере Земли вызывают дождь воды. Юпитера что луна Считается , также имеет атмосферу, содержащую гидраты серной кислоты.

Производство

Основные статьи: процесс контакта , процесс влажной серной кислоты и процесс камеры свинцовой камеры

Серная кислота производится из серы , кислорода и воды посредством обычного процесса контакта (DCDA) или от процесса влажной серы (WSA).

Контактный процесс

Основная статья: процесс контакта

На первом этапе сера сжигается для получения диоксида серы.

S (S) + O ₂ → SO ₂

Диоксид серы окисляется в триоксид серы кислородом в присутствии катализатора ванадия (V) оксида . Эта реакция является обратимой, и образование триоксида серы является экзотермическим.

2 SO ₂ + O ₂ ⇌ 2 SO ₃

Триоксид серы поглощается в 97–98% H ₂ SO ₄ для формирования Oleum ( H ₂ S ₂ O ₇ ), также известная как пухлая серная кислота или пиросульфрическая кислота. Затем олеум разбавляют водой с образованием концентрированной серной кислоты.

H ₂ SO ₄ + SO ₃ → H ₂ S ₂ O ₇

H ₂ S ₂ O _H + H ₂ O → 2 ₂ SO ₄

Непосредственно растворяясь Таким образом, ₃ в воде, называемой « мокрой серной кислотой процесса », редко практикуется, потому что реакция чрезвычайно экзотермична, что приводит к горячему аэрозолю серной кислоты, которая требует конденсации и разделения.

Процесс влажной серной кислоты

Основная статья: Процесс влажной серной кислоты

На первом этапе сера сжигается для получения диоксида серы:

S + O ₂ → SO ₂ (-297 кДж/моль)

или, альтернативно, сероводород ( H ₂ s ) газ сжигается на Итак, ₂ газа:

2 H ₂ S + 3 O ₂ → 2 H ₂ O + 2 SO ₂ (-1036 кДж/моль)

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

2 SO ₂ + O ₂ ⇌ 2 SO ₃ (-198 кДж/моль) (реакция обратима)

Триоксид серы увлажняется в серной кислоте H ₂ SO ₄ :

Итак, ₃ + H ₂ O → H ₂ SO ₄ (G) (-101 кДж/моль)

Последний шаг - конденсация серной кислоты к жидкости 97–98% H ₂ SO ₄ :

H ₂ SO ₄ (G) → H ₂ SO ₄ (L) (-69 кДж/моль)

Другие методы

Метод, который менее известен,-это метод метабисульфита, в котором метабисульфит помещается в нижней части стакана и 12,6 молярная концентрационная гидрохловая кислота добавляется . Полученный газ пузырится через азотную кислоту , которая будет высвобождать коричневые/красные пары диоксида азота, когда реакция продолжается. Завершение реакции обозначено прекращением паров. Этот метод не создает неразделимый туман, который довольно удобен.

3 SO ₂ + 2 HNO ₃ + 2 H ₂ O 3 H ₂ SO ₄ + 2 нет

Сжигание серы вместе с соленой петлей ( нитрат калия , KNO ₃ ), в присутствии пар, использовался исторически. По мере того, как распадается соля Таким образом, ₃ , который сочетается с водой с образованием серной кислоты.

Альтернативно, растворение диоксида серы в водном растворе окислительной металлической соли, такой как медь (II) или хлорид железа (III):

2 FECL ₃ + 2 H ₂ O + SO ₂ → 2 FECL ₂ + H ₂ SO ₄ + 2 HCl

2 Cucl ₂ + 2 H ₂ O + SO ₂ → 2 Cucl + H ₂ SO ₄ + 2 HCl

Два менее известных лабораторных методов производства серной кислоты, хотя и в разбавленной форме и требуют дополнительных усилий по очистке. Раствор сульфата меди (II) может быть электролизован с помощью медного катода и платинового/графитового анода с получением губчатой ​​меди при катоде и эволюции газа кислорода в аноде, раствор разбавленной серной кислоты указывает на завершение реакции, когда он поворачивается из синий до очистки (производство водорода в катоде является еще одним знаком):

2 cuso ₄ + 2 H ₂ O → 2 с + 2 H ₂ SO ₄ + O ₂

Более дорогостоящим, опасным и неприятным, но новым, является метод электробромина, который использует смесь серы , воды и гидробромической кислоты в качестве электролитического раствора. Сера выдвигается на дно контейнера под кислотным раствором. Затем медный катод и платиновый/графитный анод используются с катодом вблизи поверхности, а анод расположен в нижней части электролита для применения тока. Это может занять больше времени и излучать токсичные пары брома /бромида серы, но реагентная кислота подлежит переработке. В целом, только сера и вода превращаются в серную кислоту и водород (опуская потери кислоты в качестве паров):

2 HBR → H ₂ + BR ₂ (электролиз водного водородного бромида)

Br ₂ + br ⁻ ↔ Br - 3 (начальная трибромида , в конечном итоге меняется как производство Бренд ⁻ истощается)

2 S + Br ₂ → S ₂ Br ₂ (бром реагирует с серной, образуя дивлумид дильфур )

S ₂ Br ₂ + 8 H ₂ O + 5 Br ₂ → 2 H ₂ SO ₄ + 12 HBR (окисление и гидратация Doulfur DoBromide)

До 1900 года большая часть серной кислоты была изготовлена ​​в результате ведущей камеры . Еще в 1940 году до 50% серной кислоты, изготовленной в Соединенных Штатах, было произведено камерными процессорами.

В начале до середины 19 -го века, среди прочих, существовали «витриол» растения в Престонпанах в Шотландии, Шропшире и Лаганской долине в округе Антрим Ирландия, где он использовался в качестве отбеливателя для льня. Раннее обесцвечивание льна было выполнено с использованием молочной кислоты из кислого молока, но это был медленный процесс, и использование витриола ускорило процесс отбеливания.

Использование

Производство серной кислоты в 2000 году

Серная кислота является очень важным товарным химическим веществом, и, действительно, производство серной кислоты нации является хорошим показателем его промышленной прочности. Мировое производство в 2004 году составило около 180 миллионов тонн , со следующим географическим распределением: Азия 35%, Северная Америка (включая Мексику) 24%, Африка 11%, Западная Европа 10%, Восточная Европа и Россия 10%, Австралия и Океания 7%, Южная Америка 7%. Большая часть этого количества (≈60%) потребляется 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, нефтяных катализаторов, инсектицидов и антифриза , а также в различных процессах, таких как масляная скважина, уменьшение алюминия, размеры бумаги и обработка воды. Около 6% использования связаны с пигментами и включают краски, эмали , печать чернила, ткани с покрытием и бумага, в то время как остальное рассеивается во множество применений, таких как производство взрывчатых веществ, целлофан , ацетат и вискозовый текстиль, смазочные средства, не Железные металлы и батареи.

Промышленное производство химических веществ

Доминирующее использование серной кислоты находится в «влажном методе» для производства фосфорной кислоты , используемой для производства фосфатных удобрений . В этом методе используется фосфатная порода, и ежегодно обрабатывается более 100 миллионов тонн. Это сырье показано ниже как фторапатит , хотя точная композиция может варьироваться. Это обрабатывается 93% серной кислотой для получения сульфата кальция , фторида водорода (HF) и фосфорной кислоты . HF удаляется в виде гидрофторической кислоты . Общий процесс может быть представлен как:

${\underset {\text{fluorapatite}}{{\ce {Ca5(PO4)3F}}}}+{\ce {5 H2SO4 + 10 H2O}}\longrightarrow {\underset {{\text{calcium sulfate}} \atop {\text{dihydrate}}}{{\ce {5 CaSO4*2H2O}}}}+{\ce {HF + 3 H3PO4}}$

Сульфат аммония , важное азотное удобрение, чаще всего производится в качестве побочного продукта от коксовых растений, поставляющих железо и сталь, изготовленные за растениями. Реагирование аммиака , полученного в термическом разложении угля с серной кислотой отходов, позволяет кристаллизовать аммиак как соль (часто коричневый из-за загрязнения железа) и продавать в агрохимическую промышленность.

Серная кислота также важна при изготовлении растворов красителей .

Промышленная чистящая среда

Серная кислота используется в стали и других металлургических отраслях в качестве маринованного агента для удаления ржавчины и загрязнения . Используемая кислота часто перерабатывается с использованием растения регенерации отработанной кислоты (SAR). Эти растения сжигают отработанную кислоту С природным газом, газом нефтеперерабатывающего завода, маслом или другими источниками топлива. Этот процесс сжигания производит газообразное диоксид серы ( Итак, ₂ ) и триоксид серы ( Поэтому ₃ ), которые затем используются для производства «новой» серной кислоты.

Перекись водорода ( H ₂ O ₂ ) может быть добавлена ​​в серную кислоту для получения раствора пираньи , мощного, но очень токсичного чистящего раствора, с которым можно очистить поверхности субстрата. Решение Piranha обычно используется в микроэлектронике, а также в лабораторных условиях для очистки стеклянной посуды.

Катализатор

Серная кислота используется для множества других целей в химической промышленности. Например, это обычный кислотный катализатор для преобразования оксима циклогексанона в капролактам , используемый для изготовления нейлона . Он используется для изготовления соляной кислоты из соли посредством процесса Мангейма . Много H ₂ SO ₄ используется в нефтеперерабатывании нефти , например, в качестве катализатора реакции изобутана с изобутиленом с получением изооктана , соединения, которое повышает октановый рейтинг бензина ( бензин ). Серная кислота также часто используется в качестве обезвоживающего или окислительного агента в промышленных реакциях, таких как обезвоживание различных сахаров с образованием твердого углерода.

Электролит

Очистки для бытовых кислот обычно содержат серную кислоту при высокой концентрации, которая поворачивает кусок рН -бумаги красным и мгновенно придерживается, демонстрируя как сильную кислую природу, так и обезвоживающее свойство.

Серная кислота действует как электролит в свинцово-кислоте (свинцово-кислотный аккумулятор):

В аноде :

PB + SO 2− 4 ⇌ PBSO ₄ + 2 E ⁻

В катоде :

PBO ₂ + 4 ч ⁺ + SO 2– 4 + 2 E ⁻ ⇌ PBSO ₄ + 2 H ₂ O

Очистки для домашних кислот могут быть использованы для растворения жира, волос и даже папиросной бумаги внутри водных труб.

Общий:

PB + PBO ₂ + 4 ч ⁺ + 2 SO 2− 4 ⇌ 2 PBSO ₄ + 2 H ₂ O

Внутреннее использование

Серная кислота при высоких концентрациях часто является основным ингредиентом у мультиварных очистителей домашних кислот которые используются для удаления жира , волос , папиросной бумаги и т. Д. Подобно их щелочной версии , такие новички могут растворять жиры и белки посредством гидролиза . Более того, поскольку концентрированная серная кислота обладает сильным обезвоживающим свойством, она также может удалять папиросную бумагу с помощью процесса обезвоживания. Поскольку кислота может энергично реагировать с водой, такие кислотные дренажные новички следует медленно добавлять в трубу для очистки.

История

Молекула серной кислоты Джона Далтона в 1808 году показывает атом центрального атома серы , связанный с тремя атомами кислорода или триоксид серы , ангидрид серной кислоты.

Купорос

Древняя история

Исследование кузоводов (гидратированные сульфаты различных металлов, образующих стеклообразные минералы, из которых можно получить серная кислота) началось в древние времена . У шумеров был список витриол, которые они классифицировали в соответствии с цветом веществ. Некоторые из самых ранних дискуссий о происхождении и свойствах купороса находятся в работах греческого врача Диоскоридов (первое век нашей эры) и римского натуралиста Плиния Старший (23–79 г. н.э.). Гален также обсудил свое медицинское использование. Металлургическое использование пузырьковых веществ было зарегистрировано в эллинистических алхимических работах Zosimos Panopolis , в трактате Phisica et mystica и Leyden Papyrus x .

Джабир ибн Хайян, Абу Бакр Аль-Рази, Ибн Сина и др.

Средневековые исламские химики пишущие под названием Джабир ибн Хайян (умер в. такие как авторы , , Ибн Сина (980-1037 г. н.э., известный на латыни как Авиценна), и Мухаммед Ибн Ибрагим аль-Ватват (1234-1318 г. н.э.) включали в свой минеральный классификационный список.

Джабирианские авторы и аль-Рази широко экспериментировали с перегонией различных веществ, включая купоросы. В одном рецепте, записанном в его Китаб аль-Асраре ( «Книга секретов» ), Аль-Рази мог создать серную кислоту, не осознавая ее:

Возьмите белый (йеменский) квасцов , растворите его и очистите его фильтрацией. Затем Distil (зеленый?) Кузой с медью-зеленым (ацетатом) и смешайте (дистиллят) с фильтрованным раствором очищенного квасца, впоследствии дайте ему затвердеть (или кристаллизоваться) в стеклянном стакане. Вы получите лучшие Qalqadis (белый квасцов), который может быть получен.

-Abu bakr al-razi, kitāb al-rasrār

В анонимной латинской работе по -разному приписывается Аристотель (под названием Liber Aristotilis , «Книга Аристотеля»), Аль-Рази (под заголовком просвета Lumen Luminum Magnum , «Великий свет огней») или Ibn Sina, Автор говорит о «масел» ( олеум ), полученном путем дистилляции сульфата железа (II) (зеленый купорос), который, вероятно, был «маслом купороза или серной кислоты. Работа несколько раз относится к книге Джабира Ибн Хайяна семидесяти ( Liber de Septuaginta ), одной из немногих арабских джабирских произведений, которые были переведены на латынь. Автор версии, приписываемой «Аль-Рази», также называет Либера де Септуагинта своей собственной работой, показывая, что он ошибочно верил, что Либер де Септуагинта является работой Аль-Рази. Есть несколько признаков того, что анонимная работа была оригинальной композицией на латыни, Хотя в соответствии с одной рукописью она была переведена определенным Рэймондом Марсельесом, это означает, что это также мог быть перевод с арабского языка.

По словам Ахмада Й. Аль-Хасана , три рецепта серной кислоты встречаются в анонимной рукописи Каршни , содержащей компиляцию, взятые от нескольких авторов, и датируемые до c. 1100 г. н.э. Один из них работает следующим образом:

Вода купороса и серы, которая используется для орошения лекарств: желтый кусочек, три части, желтую серу одной части, измельчают их и разгоняют их розовой водой.

Рецепт приготовления серной кислоты упоминается в Risālat Jaʿfar al-sādiq fī ʿilm al-ṣanʿa , арабском трактате, ложно приписываемом шиии-имам джафар аль-Садик (умер 765). Юлиус Руска встречался с этим трактатом в 13-м веке, но, по словам Ахмада Й. Аль-Хасана, он, вероятно, датируется более ранним периодом:

Затем заставил зеленый купорос в кукурбите и алембике, используя средний огонь; Возьмите то, что вы получите из дистиллята, и вы найдете его ясным с зеленоватым оттенком.

Винсент из Бове, Альбертус Магнус и Псевдогебер

Средневековые европейские алхимики называли «маслом купорожила», потому что оно готовилось с помощью обожающегося сульфата железа (II) или зеленого купороса в реторе железа . Первые намеки на это в работах, которые являются европейскими по происхождению, появляются в тринадцатом веке нашей эры, как, например, в работах Винсента Бовея , в композите, приписываемом Альбертусу Магнусу , и в - жесчнике псевдо .

Производство серной кислоты из серы

Метод производства сульфуриза олеума на кампанам, или «масло серы от колокола», был известен в 16 -м веке: он включал сжигание серы под стеклянным колоколом в влажную погоду (или, позже, под увлажненным колоколом). Однако это было очень неэффективно (по словам Геснера , 5 фунтов (2,3 кг) серы, преобразованных в менее чем 1 унцию (0,03 кг) кислоты), и полученный продукт был загрязнен серной кислотой (или, скорее, раствором диоксида серы. ) поэтому большинство алхимиков (в том числе, например, Исаак Ньютон) не считали его эквивалентным с «маслом купороса».

В 17 -м веке Иоганн Глаубер обнаружил, что добавление соленой петры ( нитрат калия , KNO ₃ ) значительно улучшает выход, также заменяя влагу паром. По мере того, как распадается соля Таким образом, ₃ , который сочетается с водой с образованием серной кислоты. В 1736 году Джошуа Уорд , лондонский фармацевт, использовал этот метод, чтобы начать первую крупномасштабную продукцию серной кислоты.

Процесс ведущей камеры

В 1746 году в Бирмингеме Джон Робук адаптировал этот метод с образованием серной кислоты в свинцовых камерах, которые были более сильными, менее дорогими и могут быть сделаны больше, чем ранее используемые стеклянные контейнеры. Этот процесс позволил эффективной индустриализации производства серной кислоты. После нескольких уточнений этот метод, называемый ведущей камерой или «камерной процессом», оставался стандартом для производства серной кислоты в течение почти двух веков.

Дистилляция пирита

Серная кислота, созданная процессом Джона Робака, приблизилась к 65% концентрации. Позднее усовершенствование ведущего камерного процесса от французского химика Джозефа Луи Гей-Луссака и британского химика Джона Глока улучшили концентрацию до 78%. Тем не менее, производство некоторых красителей и других химических процессов требует более концентрированного продукта. В течение 18 -го века это могло быть сделано только с помощью сухих дистилляльных минералов в технике, аналогичной исходным алхимическим процессам. Пирит (железный дисульфид, FES ₂ ) нагревали в воздухе, чтобы получить сульфат железа (II), FESO ₄ , который был окислен дальнейшим нагревом в воздухе с образованием сульфата железа (III) , Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , который при нагревании до 480 ° C, разложенной до оксида железа (III) и серы, которые могут проходить через воду с учетом серной кислоты в любой концентрации. Однако расходы этого процесса предотвратили масштабное использование концентрированной серной кислоты.

Контактный процесс

В 1831 году британский торговец уксусом Перегрин Филлипс запатентовал контактный процесс , который был гораздо более экономичным процессом для производства триоксида серы и концентрированной серной кислоты. Сегодня почти вся мировая серная кислота производится с использованием этого метода.

Безопасность

Лабораторные опасности

Капли 98% серной кислоты har. Мгновенно кусок папиросной бумаги. Углерод остается после реакции обезвоживания, окрашивающей бумагу черную.

Нитриловая перчатка, подверженная капель 98% серной кислоты в течение 10 минут

Поверхностные химические ожоги, вызванные двумя 98% серной кислоты (кожа предплечья)

Серная кислота способна вызывать очень тяжелые ожоги, особенно когда она находится в высоких концентрациях . Как и с другими коррозионными кислотами и щелочками , он легко разлагает белки и липиды с помощью амидного и сложного гидролиза при контакте с живыми тканями , такими как кожа и мякоть . Кроме того, он демонстрирует сильное обезвоживающее свойство на углеводах , освобождение дополнительного тепла и вызывая вторичные тепловые ожоги . Соответственно, он быстро атакует роговицу и может вызвать постоянную слепоту, если выплескивается на глаза . В случае проглатывания он необратимо наносит ущерб внутренним органам и может быть даже смертельным. Защитное оборудование должно всегда использоваться при его обработке. Более того, его сильное окислительное свойство делает его очень коррозийным для многих металлов и может расширить его уничтожение на другие материалы. По таким причинам повреждение, связанное с серной кислотой, потенциально более тяжело, чем другие сопоставимыми сильными кислотами , такими как соляная кислота и азотная кислота .

Серная кислота должна храниться тщательно в контейнерах из нереактивного материала (например, стекло). Решения, равные или более 1,5 м, помечены как «коррозийные», в то время как растворы более 0,5 м, но менее 1,5 м помечены как «раздражающие». Тем не менее, даже нормальная лабораторная оценка «разбавленная» (приблизительно 1 м, 10%) будет забрать бумагу, если оставить в контакте в течение достаточного времени.

Стандартная первая помощь в разливах кислоты на коже, как и для других коррозионных агентов , орошение большим количеством воды. Промывание продолжается в течение не менее десяти до пятнадцати минут для охлаждения ткани, окружающей кислотный ожог и предотвратить вторичное повреждение. Загрязненная одежда удаляется немедленно, а базовая кожа тщательно вымывается.

Опасность разведения

Приготовление разбавленной кислоты может быть опасным из -за тепла, выделяемого в процессе разведения. Чтобы избежать разбрызгивания, концентрированная кислота обычно добавляется в воду, а не наоборот. Поговорка, которую можно помнить, это «так, как вы должны, добавьте кислоту в воду». Вода имеет более высокую теплоемкость, чем кислота, и поэтому сосуд с холодной водой поглощает тепло при добавлении кислоты.

Сравнение серной кислоты и воды

Физическая собственность	H 2 SO 4	Вода	Единицы
Плотность	1.84	1.0	кг/л
Объемная теплоемкость	2.54	4.18	KJ/L.
Точка кипения	337	100	° C.

Кроме того, поскольку кислота плотнее, чем вода, она опускается на дно. Тепло генерируется на границе раздела между кислотой и водой, которая находится на дне сосуда. Кислота не будет кипеть из -за его более высокой точки кипения. Теплая вода вблизи границы раздела поднимается из -за конвекции , которая охлаждает раздела и предотвращает кипение кислоты или воды.

Напротив, добавление воды к концентрированной серной кислоте приводит к тонкому слою воды на верхней части кислоты. Тепло, генерируемое в этом тонком слое воды, может варить, что приводит к рассеиванию аэрозоля серной кислоты или , что еще хуже, взрыва .

Приготовление растворов более 6 м (35%) в концентрации опасно, если кислота не добавляется достаточно медленно, чтобы достаточная смеси достаточного времени для охлаждения. В противном случае полученного тепла может быть достаточным для вареных смеси. Эффективное механическое перемешивание и внешнее охлаждение (например, ледяная ванна).

Скорость реакции удваивается примерно на каждые 10-градусное повышение температуры в Цельсии . Следовательно, реакция станет более жестокой по мере того, как пройдет разбавление, если только смесь не даст время охлаждать. Добавление кислоты в теплую воду вызовет сильную реакцию.

В лабораторном масштабе серная кислота может быть разбавлена ​​путем наливания концентрированной кислоты на измельченный лед, изготовленный из деионизированной воды. Лед тает в эндотермическом процессе, растворяя кислоту. Количество тепла, необходимое для таяния льда в этом процессе, больше, чем количество тепла, развивающегося путем растворения кислоты, поэтому раствор остается холодным. После того, как весь лед растаял, дальнейшее разбавление может произойти с использованием воды.

Промышленные опасности

Серная кислота неплохой.

Основными профессиональными рисками, связанными с этой кислотой, являются контакт с кожей, ведущий к ожогам (см. Выше) и вдыхание аэрозолей. Воздействие аэрозолей в высоких концентрациях приводит к немедленному и тяжелому раздражению глаз, дыхательных тракта и слизистых оболочек: это быстро прекращается после воздействия, хотя существует риск последующего отека легких , если повреждение ткани было более тяжелым. При более низких концентрациях наиболее часто сообщаемым симптомом хронического воздействия аэрозолей серной кислоты является эрозия зубов, обнаруженная практически во всех исследованиях: показания возможного хронического повреждения дыхательных путей неубедительны. может увеличить вероятность рака легких до 64 процентов. В Соединенных Штатах допустимый предел воздействия (PEL) для серной кислоты фиксируется при 1 мг/м ³ : Ограничения в других странах похожи. Были сообщения о приемах серной кислоты, что приводит к дефициту витамина B12 с подощенной комбинированной дегенерацией. Спинной мозг чаще всего поражается в таких случаях, но зрительные нервы могут демонстрировать демиелинизация , потерю аксонов и глиоз .

Юридические ограничения

Международная коммерция серной кислоты контролируется в соответствии с Конвенцией Организации Объединенных Наций против незаконного движения в наркотических препаратах и ​​психотропных веществах, 1988 , в которой перечисляется серная кислота в соответствии с таблицей II в качестве химического вещества, часто используемого при незаконном изготовлении наркотических препаратов или психотропных веществ.

Смотрите также

• Аква направление
• Диэтиловый эфир - также известный как «Сладкое масло купороса»
• Решение Пиранья
• Серная оксоацид
• Отравление серной кислотой

Внешние ссылки

• Международная карта химической безопасности 0362
• Серная кислота за периодической таблицей видео (Университет Ноттингема)
• Niosh Pocket Guide по химическим опасностям
• CDC - серная кислота - Niosh Workplace Safety and Health Topic
• Внешний лист данных о безопасности материалов Архивировал 11 октября 2007 года на машине Wayback
• Калькуляторы: поверхностная напряженность и плотность, молярности и цветосочетания водной серной кислоты
• Анализ серной кислоты - бесплатная программа титрования
• Процесс проточной листы производства серной кислоты с помощью ведущей камеры процесса