46. Сульфатна кислота. Фізичні та хімічні властивості сульфатної кислоти. Олеум. Сульфати.
Оксид сульфуру(VІ). Сульфатна кислота
Оксид сульфуру(VІ). Оксид сульфуру (VI), або триоксид сульфуру, — це безбарвна рідина, що перетворюється при температурі нижчій 17 °С на тверду кристалічну масу. Він дуже сильно поглинає вологу, утворюючи сульфатну кислоту:
SO3 + Н2О = H2SO4,
тому його зберігають у запаяних колбах.
Оксид сульфуру(VІ) виявляє всі властивості кислотних оксидів. Добувають його окисненням SO2. Він є проміжним продуктом у виробництві сульфатної кислоти.
Молекула SO3 має форму трикутника, в центрі якого розміщений атом сульфуру:
Така будова зумовлена взаємним відштовхуванням зв’язуючих електронних пар. Для її утворення атом сульфуру надав усі шість зовнішніх електронів.
Сульфатна кислота. Найбільше значення має контактний спосіб добування сульфатної (сірчаної) кислоти. Цим способом можна добути H2SO4 будь-якої концентрації, а також олеум, тобто розчин SO3 в H2SO4. Процес складається з трьох стадій: 1) добування SO2;2) окиснення SO2 в SO3; 3) добування H2SO4.
Оксид сульфуру(ІV) SO2 добувають випалюванням піриту FeS2 у спеціальних печах:
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.
Для прискорення випалювання пірит попередньо подрібнюють, а для повнішого вигоряння сірки вводять значно більше повітря (кисню), ніж потрібно для реакції. Газ, що виходить з печі випалювання, складається з оксиду сульфуру(ІV), кисню, азоту, сполук арсену (з домішок у колчедані) і водяної пари. Він називається випалювальним газом.
Випалювальний газ піддають ретельному очищенню; оскільки навіть мізерні кількості сполук арсену, що містяться в ньому, а також пил і волога отруюють каталізатор. Від сполук арсену і від пилу газ очищають, пропускаючи його крізь спеціальні електрофільтри і промивну башту; волога поглинається концентрованою сульфатною кислотою у сушильній башті. Очищений газ, що містить кисень, нагрівається в теплообміннику до 450°С і надходить до контактного апарата. Всередині контактного апарата є решітчасті полички, заповнені каталізатором.
Раніше як каталізатор використовували тонко подрібнену металічну платину. Пізніше вона була замінена сполуками ванадію — оксидом ванадію(V) V2O5 або сульфатом ванадилу VOSO4, які дешевші, ніж платина, і повільніше отруюються.
Реакція окиснення SO2 в SO3 оборотна:
2SO2 + O2 ⇆2SO3.
Збільшення кількості кисню у випалювальному газі підвищує вихід оксиду сульфуру(VІ): при температурі 450°С він звичайно досягає 95% і більше. Оксид сульфуру(VІ) SO3 поглинається концентрованою сульфатною кислотою — утворюється олеум. Розводячи олеум водою, можна дістати розчин кислоти необхідної концентрації. Слід зазначити, що поглинати оксид сульфуру(VІ) концентрованою H2SO4, а не водою доцільніше, тому що він виходить із контактного апарата дрібно розпиленим і з водя ною парою утворює туман, що складається з дрібних краплин сульфатної кислоти, який не поглинається водою. При поглинанні SO3концентрованою сульфатною кислотою туман не утворюється. Концентровану сульфатну кислоту перевозять залізницею у стальних цистернах.
Фізичні властивості
Хімічно чиста сульфатна кислота являє собою важку безбарвну маслянисту рідину. Продається звичайно її 96,5 % - ний водний розчин густиною 1,84 г/см3 або так званий «олеум», тобто розчин SO3 в H2SO4. У воді H2SO4 розчиняється дуже добре (змішується з водою в необмежених кількостях). При цьому виділяється тепло, і розчин дуже сильно нагрівається (навіть до кипіння води). Тому при додаванні води до концентрованої сульфатної кислоти остання розбризкується внаслідок швидкого перетворення води в пару. Через це при розведенні концентрованої H2SO4 треба кислоту вливати у воду (а не навпаки!) тонким струменем при старанному розмішуванні розчину скляною паличкою. Виділення тепла обумовлюється утворенням гідратів H2SO4 • H2O, H2SO4 • 2H2O і ін. Концентрована H2SO4 активно вбирає вологу, завдяки чому її часто застосовують для висушування газів, які хімічно не взаємодіють з нею. Концентрована сульфатна кислота руйнує рослинні і тваринні організми, і працювати з нею слід дуже обережно. Якщо кислота попаде на шкіру, її треба негайно змити великою кількістю води і промити уражене місце розведеним розчином амоніаку. Сульфатна кислота руйнує також багато органічних речовин, зокрема вуглеводи — дерево, папір, бавовняні тканини, цукор тощо. Руйнування цих речовин обумовлюється тим, що концентрована сульфатна кислота віднімає від них водень і кисень у вигляді води, а вуглець залишається у вигляді пористого вугілля. Обвуглювання цукру, наприклад, можна схематично зобразити таким рівнянням: C12H22O11 + (nH2SO4) → 12C +11H2O (nH2SO4)
Хімічні властивості
Сульфатна кислота - у водних розчинах дисоціює майже повністю та відноситься до сильних кислот: Н2SО4 = 2Н+ + SО42- Солі сульфатної кислоти мають назву сульфати. Наприклад: Mg SО4 - Магній сульфат. При дії розведеної сульфатної кислоти на метали, які у електрохімічному ряді активності металів розташовані ліворуч водню, виділяється водень. Mg + Н2SО4 = Н2+ Mg SО4 Сульфатна кислота реагує з основними оксидами, основами та солями. ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O ZnO + 2H+ +SO42- = Zn 2+ +SO42- + H2O ZnO + 2H+ = Zn2+ + H2O 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O 2Na++ 2OH- +2H+ +SO42- =2Na++ SO42- + 2H2O H++OH- = H2O Якісна реакція на сульфат-йон – утворення білого сірчистого осаду з солями Барію. Н2SО4 + 2КОН= К2SО4 + 2Н2О Н2SО4 +СаО = Са SО4 +Н2О К2SО4 +Ва(NO3)2=BaSO4+2KNO3
Застосування
Застосування сульфатної кислоти дуже широке і різноманітне. Головним споживачем її є виробництво мінеральних добрив — суперфосфату і сульфату амонію, а також нафтова промисловість для очистки газу, мінеральних масел та інших нафтопродуктів. У хімічній промисловості цю кислоту застосовують при виробництві барвників, штучного волокна, залізного купоросу FeSO4•7H2O, мідного купоросу CuSO4 • 5H2O і інших продуктів.
ОЛЕУМ
(18,5-62 % розчин сульфатного ангідриду (SO3) в 100 % Н2SO4 (моногідраті) - олеум (О.). О. містить піросульфатну кислоту Н2S2О7 (Н2SО4 . SО3); О. для нітрози містить 20 % вільного SO3; О. для іншої мети містить 18,5 % SO3; Н2SO4 - безводна сульфатна кислота (моногідрат); 60 % розчин Н2SO4 у воді - камерна кислота; 75 % розчин Н2SO4 у воді - баштова кислота; 90,5 % розчин Н2SO4у воді - купоросне масло баштових систем; 92-94 % розчин Н2SO4 у воді - акумуляторна кислота (сорти А і Б); 93,5-95,6 % розчин Н2SO4 у воді - реактивна кислота; 92,5 % розчин Н2SO4 у воді - контактна кислота) Молекулярна формула. Н2SO4.SO3 (H2S2O7)-піросульфатна кислота, О., дисульфатна кислота. М= 356. Агрегатний стан за н. у.: рідина. Зберігання і транспортування. О., купоросне масло, баштову кислоту зберігають і перевозять у сталевих нефутерованих цистернах, неконцентровану кислоту - у сталевих цистернах, які футеровані свинцем, вініпластом або поліізобутиленом. Використовуються скляні бутлі, склянки з притертими пробками, залізні ємкості. При зберіганні О. і сульфатної кислоти треба ізолювати їх від металевих порошків, карбідів, солей нітратної, хлорнуватистої (гіпохлоритної), пікринової кислот і горючих матеріалів. О. і сульфатна кислота перевозяться залізничним транспортом. Фізичні і хімічні властивості. Сульфатна кислота (С.к.) - масляниста, в чистому вигляді прозора без кольору рідина. Т. плавл. 10,4 0С; т. кип. 296 0С. Густина 1830,5 кг/м3 (20 0С). З водою змішується в будь - яких відношеннях, при цьому виділяється велика кількість тепла. Починаючи з 200 0С і вище виділяє пари SO3, які з водяною парою утворюють білий туман. Товарна С.к. часто забруднена арсеном, тому при дії її на метали можливе утворення сильної отрути AsH3, домішки арсену часто містяться і в металах. Концентрована С.к. - досить сильний окисник, особливо при нагріванні. Вона окиснює HI і HВr до галогенів, вугілля до CO2, S до SO2, а також багато металів. 93 % С.к. не діє на залізо. Утворює два типи солей: сульфати (середні солі) і гідросульфати (кислі солі). При охолодженні О. піросульфатна кислота Н2S2O7 виділяється у вигляді безбарвних кристалів. Солі піросульфатної кислоти - піросульфати (дисульфати) утворюються при нагріванні гідросульфатів. При нагріванні вище температури плавлення піросульфати розкладаються з виділенням сірчаного ангідриду (SO3), і переходять у сульфати. Вибухо- і пожежонебезпечність. Не горить, зневоднює деревину, підвищує її здатність до горіння. Спричинює займання органічних розчинників і мастил, в умовах пожежі може утворювати вибухонебезпечні суміші. Основна небезпека. Спричинює займання органічних розчинників і мастила. Викликає сильні болючі опіки шкіри; призводить до сильних уражень очей і повної втрати зору.
Оксид сульфуру (VІ) S03(триоксид сульфуру) — безбарвна рідина, яка за температури, нижчої від 17 °С, кристалізується, перетворюючись на довгі шовковисті кристали. Дуже летка речовина, сильний окисник. Токсичний, уражує слизові оболонки й дихальні шляхи, викликає тяжкі опіки шкіри, енергійно руйнує органічні сполуки. Зберігають його у запаяних скляних посудинах. Оксид сульфуру (VІ) на повітрі димить, бурхливо взаємодіє з водою з виділенням великої кількості теплоти, утворюючи сульфатну кислоту:
S03 + Н20 = H2S04
Він може навіть вбирати вологу з повітря, утворюючи білий туман, що складається з найдрібніших краплинок сульфатної кислоти.
Оксид сульфуру(VI) розчиняється у концентрованій cульфатній кислоті H2S04, і цей розчин називаєтьсяолеумом.
Знаючи, що S03 — типовий кислотний оксид, напишіть рівняння реакцій, характерних для нього.
Добувають оксид сульфуру(VI) у результаті окиснення S02 киснем повітря (напишіть рівняння реакції).
За звичайних умов ця реакція відбувається дуже повільно. Значно швидше і легше вона відбувається за температури 450—600 °С і за наявності каталізатора оксиду ванадію(V) V205.
Застосовується оксид сульфуру(VI) S03 у виробництві сульфатної кислоти H2S04. У лабораторній практиці він використовується як водовбирний засіб.
Нітроген з оксигеном утворює п'ять оксидів, в яких він виявляє ступінь окиснення від +1 до +5:
+1 +2 +3 +4 +5
N20, NO, N203, N02, N2O5
Різний кількісний склад оксидів нітрогену (і різна їхня будова) зумовлює відмінність їхніх властивостей.
Усі оксиди нітрогену дуже отруйні, за винятком N20.
Серед них розглянемо оксид нітрогену (ІІ) NO та оксид нітрогену (IV) N02.