Строение молекулы

Неразбавленная серная кислота представляет собой ковалентное соединение.

В молекуле серная кислота тетраэдрически окружена четырьмя атомами кислорода, два из которых входят в состав гидроксильных групп. Связи S – O – двойные, а S – OH – одинарные.

Бесцветные, похожие на лед кристаллы имеют слоистую структуру: каждая молекула H₂SO₄ соединена с четырьмя соседними прочными водородными связями, образуя единый пространственный каркас.

Структура жидкой серной кислоты похожа на структуру твердой, только целостность пространственного каркаса нарушена.

Физические свойства серной кислоты

При обычных условиях серная кислота – тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом. Если молярное отношение SO₃: Н₂О меньше 1, то это водный раствор серной кислоты, если больше 1, – раствор SO₃ в серной кислоте.

100 %-ная H₂SO₄ кристаллизуется при 10,45 °С; Т_кип = 296,2 °С; плотность 1,98 г/см³. H₂SO₄ смешивается с Н₂О и SO₃ в любых соотношениях с образованием гидратов, теплота гидратации настолько велика, что смесь может вскипать, разбрызгиваться и вызывать ожоги. Поэтому необходимо добавлять кислоту к воде, а не наоборот, поскольку при добавлении воды к кислоте более легкая вода окажется на поверхности кислоты, где и сосредоточится вся выделяющаяся теплота.

При нагревании и кипении водных растворов серной кислоты, содержащих до 70 % H₂SO₄, в паровую фазу выделяются только пары воды. Над более концентрированными растворами появляются и пары серной кислоты.

По структурным особенностям и аномалиям жидкая серная кислота похожа на воду. Здесь та же система водородных связей, почти такой же пространственный каркас.

Химические свойства серной кислоты

Серная кислота – одна из самых сильных минеральных кислот, из-за высокой полярности связь Н – О легко разрывается.

1. В водном растворе серная кислота диссоциирует, образуя ион водорода и кислотный остаток:

H₂SO₄ = H⁺ + HSO₄^-;

HSO₄^- = H⁺ + SO₄^2-.

Суммарное уравнение:

H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2-.

2. Проявляет свойства кислот, реагирует с металлами, оксидами металлов, основаниями и солями.

Разбавленная серная кислота не проявляет окислительных свойств, при ее взаимодействии с металлами выделяется водород и соль, содержащая металл в низшей степени окисления. На холоде кислота инертна по отношению к таким металлам, как железо, алюминий и даже барий.

Концентрированная кислота обладает окислительными свойствами. Возможные продукты взаимодействия простых веществ с концентрированной серной кислотой приведены в таблице. Показана зависимость продукта восстановления от концентрации кислоты и степени активности металла: чем активнее металл, тем глубже он восстанавливает сульфат-ион серной кислоты.

1. Взаимодействие с оксидами:

CaO + H₂SO₄ = CaSO₄ = H₂O.

Взаимодействие с основаниями:

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O.

Взаимодействие с солями:

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + CO₂ + H₂O.

2. Окислительные свойства

Серная кислота окисляет HI и НВг до свободных галогенов:

H₂SO₄ + 2HI = I₂ + 2H₂O + SO_2.

Серная кислота отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной серной кислоты приводит к получению этилена:

С₂Н₅ОН = С₂Н₄ + Н₂О.

Обугливание сахара, целлюлозы, крахмала и др. углеводов при контакте с серной кислотой объясняется также их обезвоживанием:

C₆H₁₂O₆ + 12H₂SO₄ = 18H₂O + 12SO₂↑ + 6CO₂↑.