Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Vopros_33_po_PTT.doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
15.11.2018
Размер:
556.54 Кб
Скачать

33. Серная кислота: состав, свойства, области применения. Технология про­изводства серной кислоты. Сорта серной кислоты, условия хранения и транс­портирования согласно нормативно-технической документации.

Се́рная кислота́ H2SO4 — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. 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).

Содержание

  • 1 Физические и физико-химические свойства

    • 1.1 Олеум

  • 2 Химические свойства

  • 3 Применение

  • 4 Токсическое действие

  • 5 Исторические сведения

  • 6 Дополнительные сведения

  • 7 Получение серной кислоты

  • 8 Стандарты

  • 9 сорта

  • Условия хранения и транспортирования.

Физические и физико-химические свойства

Очень сильная кислота, при 18оС pKa (1) = −2,8, pKa (2) = 1,92 (К₂ 1,2 102); 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 338,8оС). Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H2SO4, имеет состав (%): H2SO4 99,5, HSO4 — 0,18, H3SO4+ — 0,14, H3O+ — 0,09, H2S2O7, — 0,04, HS2O7⁻ — 0,05. Смешивается с водой и SO3, во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на H+, HSO4, и SO₄2−. Образует гидраты H2SO4·nH2O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Олеум Растворы серного ангидрида SO3 в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H2SO4·SO3 и H2SO4·2SO3. Олеум содержит также пиросерные кислоты, получающиеся по реакциям:

Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H2SO4.

Свойства водных растворов серной кислоты и олеума

Содержание % по массе

Плотность при 20 , г/см³

Температура плавления,

Температура кипения,

H2SO4

SO3 (свободный)

10

-

1,0661

−5,5

102,0

20

-

1,1394

−19,0

104,4

40

-

1,3028

−65,2

113,9

60

-

1,4983

−25,8

141,8

80

-

1,7272

−3,0

210,2

98

-

1,8365

0,1

332,4

100

-

1,8305

10,4

296,2

104,5

20

1,8968

−11,0

166,6

109

40

1,9611

33,3

100,6

113,5

60

2,0012

7,1

69,8

118,0

80

1,9947

16,9

55,0

122,5

100

1,9203

16,8

44,7

Температура кипения олеума с увеличением содержания SO3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов 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. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации 30 и 92 % H2SO4 и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H₂SO₄. Для олеума минимальное ρ при концентрации 10 % SO₃. С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопическая постоянная 6,12, эбулиоскопическая постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется в зависимости от температуры; D = 1,67·10⁻⁵T3/2 см²/с.

Химические свойства

Серная кислота — довольно сильный окислитель, особенно при нагревании и в концентрированном виде; окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов, углерод до CO2, S — до SO2, окисляет многие металлы (Cu, Hg и др.). При этом серная кислота восстанавливается до SO2, а наиболее сильными восстановителями — до S и H2S. Концентрированная H2SO4 частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением. 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.

Применение

Серную кислоту применяют:

  • в производстве минеральных удобрений;

  • как электролит в свинцовых аккумуляторах;

  • для получения различных минеральных кислот и солей;

  • в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ;

  • в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;

  • в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513(эмульгатор);

  • в промышленном органическом синтезе в реакциях:

    • дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);

    • гидратации (этанол из этилена);

    • сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);

    • алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.

    • Для восстановления смол в фильтрах на производстве дисцилированной воды.

Мировое производство серной кислоты ок. 160 млн тонн в год. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На 1 т P₂O₅ фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH₄)₂SO₄ — 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Токсическое действие

Серная кислота и олеум — очень едкие вещества. Они поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Предельно допустимая концентрация аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности II. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

Исторические сведения

молекула серной кислоты по Дальтону

Серная кислота известна с древности. 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.

В XV веке алхимики обнаружили, что серную кислоту можно получить, сжигая смесь серы и селитры, или из пирита — серного колчедана, более дешевого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. И только в середине 18 столетия, когда было установлено, что свинец не растворяется в серной кислоте, от стеклянной лабораторной посуды перешли к большим промышленным свинцовым камерам.

Дополнительные сведения

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 (п-ов Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже[1]. 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 [2].

Получение серной кислоты

Производство серной кислоты

Структурная формула серной кислоты

Сырьём для получения серной кислоты служат сера, сульфиды металлов, сероводород, отходящие газы теплоэлектростанций, сульфаты железа, кальция и др.

Основные этапы

Основные стадии получения серной кислоты:

  1. Обжиг сырья с получением SO2

  2. Окисление SO2 в SO3

  3. Абсорбция SO3

В промышленности применяют два метода окисления SO2 в производстве серной кислоты: контактный — с использованием твердых катализаторов (контактов), и нитрозный — с оксидами азота.

Ниже приведены реакции по производству серной кислоты из минерала пирита на катализаторе — оксиде ванадия (V).

  1. 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

  2. 2SO2 + O2 (V2O5) → 2SO3

  3. SO3 + H2O → H2SO4

Нитрозный метод получения серной кислоты

  1. SO2 + NO2SO3 + NO↑.

  2. 2NO+O2 → 2NO2

При реакции SO3 с водой выделяется огромное количество теплоты и серная кислота начинает закипать с образованием "туманов" SO3 + H2O = H2SO4 + Q Поэтому SO3 смешивается с H2SO4, образуя раствор SO3 в 91% H2SO4 - олеум

Получение серной кислоты (т.н. купоросное масло) из железного купороса - термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси

  1. 2FeSO4·7H2O→Fe2O3+SO2+H2O+O2

  2. SO2+H2O+O2 ⇆ H2SO4

Кустарный способ

  • 1) Налить автоэлектролит в pyrex-посуду, дождаться полного обезвоживания.

  • 2) Проверить щепкой или спичкой результат. Если она обуглится, то вы получили концентрированную кислоту не более 99% по массовой доли.

Стандарты

  • 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

Растворимость кислот, оснований и солей в воде[скрыть]

H+

Li+

K+

Na+

NH4+

Ba2+

Ca2+

Mg2+

Sr2+

Al3+

Cr3+

Fe2+

Fe3+

Ni2+

Co2+

Mn2+

Zn2+

Ag+

Hg2+

Hg22+

Pb2+

Sn2+

Cu+

Cu2+

OH

P

P

P

P

М

Н

М

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

F

P

Н

P

P

Р

М

Н

Н

М

Р

Н

Н

Н

Р

Н

М

Р

Р

М

М

Н

Р

?

Р

Cl

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

Р

Н

М

Н

Р

Br

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

М

Н

М

Р

H

Р

I

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

 ?

Р

Р

Р

Р

Р

Н

Н

Н

Н

М

Н

S2−

P

P

P

P

Р

М

Н

Р

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

SO32−

P

P

P

P

Р

М

М

М

Н

 ?

 ?

М

 ?

Н

Н

Н

М

Н

Н

Н

Н

 ?

Н

 ?

SO42−

P

P

P

P

Р

Н

М

Р

Н

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

М

Н

Н

Р

Р

Р

NO3

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

NO2

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

 ?

 ?

 ?

 ?

Р

М

 ?

 ?

М

 ?

?

 ?

 ?

 ?

 ?

PO43−

P

Н

P

P

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

 ?

Н

Н

Н

Н

CO32−

М

Р

P

P

Р

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

 ?

CH3COO

P

Р

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

М

Р

Р

Р

CN

P

Р

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

?

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Р

Н

Р

Н

SiO32−

H

Н

P

P

 ?

Н

Н

Н

Н

?

?

Н

?

?

?

Н

Н

?

?

 ?

Н

?

?

?

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]