Серная кислота. Формула, свойства, получение и применение

22.09.2020

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 H 2 SO 4 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 SO 3: Н 2 О меньше 1, то это водный раствор серной кислоты, если больше 1, – раствор SO 3 в серной кислоте.

100 %-ная H 2 SO 4 кристаллизуется при 10,45 °С; Т кип = 296,2 °С; плотность 1,98 г/см 3 . H 2 SO 4 смешивается с Н 2 О и SO 3 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 % H 2 SO 4 , 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.

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

H 2 SO 4 = H + + HSO 4 - ;

HSO 4 - = H + + SO 4 2- .

Суммарное уравнение:

H 2 SO 4 = 2H + + SO 4 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.

    Взаимодействие с оксидами:

CaO + H 2 SO 4 = CaSO 4 = H 2 O.

Взаимодействие с основаниями:

2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O.

Взаимодействие с солями:

Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O.

    Окислительные свойства

Серная кислота окисляет HI и НВг до свободных галогенов:

H 2 SO 4 + 2HI = I 2 + 2H 2 O + 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:

С 2 Н 5 ОН = С 2 Н 4 + Н 2 О.

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

C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 = 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2 .

Кислоты — это химические соединения, состоящие из атомов водорода и кислотных остатков, к примеру, SO4, SO3, PO4 и т. д. Они бывают неорганическими и органическими. К первым относятся соляная, фосфорная, сульфидная, азотная, серная кислота. Ко вторым — уксусная, пальмитиновая, муравьиная, стеариновая и т. д.

Что такое серная кислота

Эта кислота состоит из двух атомов гидрогена и кислотного остатка SO4. Она имеет формулу H2SO4.

Серная кислота или, как она еще называется, сульфатная, относится к неорганическим кислородосодержащим двухосновным кислотам. Это вещество считается одним из самых агрессивных и химически активных. В большинстве химических реакций она выступает в качестве окислителя. Эта кислота может использоваться в концентрированном или разбавленном виде, в этих двух случаях она имеет немного различные химические свойства.

Физические свойства

Серная кислота в нормальных условиях имеет жидкое состояние, температура ее кипения составляет примерно 279,6 градуса по Цельсию, температура замерзания, когда она превращается в твердые кристаллики, — около -10 градусов для стопроцентной и около -20 для 95-процентной.

Чистая стопроцентная сульфатная кислота представляет собой маслянистое жидкое вещество без запаха и цвета, которое обладает почти вдвое большей плотностью, нежели вода — 1840 кг/м3.

Химические свойства сульфатной кислоты

Серная кислота реагирует с металлами, их оксидами, гидроксидами и солями. Разбавленная водой в различных пропорциях, она может вести себя по-разному, поэтому рассмотрим подробнее свойства концентрированного и слабого раствора серной кислоты по отдельности.

Концентрированный раствор серной кислоты

Концентрированным считается раствор, в котором содержится от 90 процентов сульфатной кислоты. Такой раствор серной кислоты способен реагировать даже с малоактивными металлами, а также с неметаллами, гидроксидами, оксидами, солями. Свойства такого раствора сульфатной кислоты схожи с таковыми у концентрированной нитратной кислоты.

Взаимодействие с металлами

При химической реакции концентрированного раствора сульфатной кислоты с металлами, находящимися правее водорода в электрохимическом ряду напряжений металлов (то есть с не самыми активными), образуются такие вещества: сульфат того металла, с которым происходит взаимодействие, вода и диоксид серы. К металлам, в результате взаимодействия с которыми образуются перечисленные вещества, относятся медь (купрум), ртуть, висмут, серебро (аргентум), платина и золото (аурум).

Взаимодействие с неактивными металлами

С металлами, которые стоят левее водорода в ряду напряжений, концентрированная серная кислота ведет себя немного по-другому. В результате такой химической реакции образуются следующие вещества: сульфат определенного металла, сероводород либо чистая сера и вода. К металлам, с которыми проходит подобная реакция, относятся также железо (ферум), магний, манган, бериллий, литий, барий, кальций и все остальные, находящиеся в ряду напряжений левее водорода, кроме алюминия, хрома, никеля и титана — с ними концентрированная сульфатная кислота во взаимодействие не вступает.

Взаимодействие с неметаллами

Данное вещество — сильный окислитель, поэтому оно способно участвовать в окислительно-восстановительных химических реакциях с неметаллами, такими как, к примеру, углерод (карбон) и сера. В результате таких реакций обязательно выделяется вода. При добавлении этого вещества к углероду также выделяется углекисый газ и диоксид сульфура. А если добавить кислоту к сере, получим только диоксид серы и воду. В такой химической реакции сульфатная кислота играет роль окислителя.

Взаимодействие с органическими веществами

Среди реакций серной кислоты с органическими веществами можно выделить обугливание. Такой процесс происходит при столкновении данного вещества с бумагой, сахаром, волокнами, деревом и т. д. При этом в любом случае выделяется углерод. Карбон, который образовался в процессе реакции, может частично взаимодействовать с серной кислотой при ее избытке. На фото показана реакция сахара с раствором сульфатной кислоты средней концентрации.

Реакции с солями

Также концентрированный раствор H2SO4 реагирует с сухими солями. В этом случае происходит стандартная реакция обмена, при которой образуется сульфат металла, который присутствовал в структуре соли, и кислота с остатком, который был в составе соли. Однако с растворами солей концентрированная серная кислота не вступает в реакцию.

Взаимодействие с другими веществами

Также данное вещество может вступать в реакции с оксидами металлов и их гидроксидами, в этих случаях происходят реакции обмена, в первом выделяется сульфат металла и вода, во втором - то же самое.

Химические свойства слабого раствора сульфатной кислоты

Разбавленная серная кислота реагирует с многими веществами и имеет такие же свойства, как и все кислоты. Она, в отличие от концентрированной, вступает во взаимодействие только с активными металлами, то есть теми, которые находятся левее водорода в ряду напряжений. В таком случае происходит такая же реакция замещения, как и в случае с любой кислотой. При этом выделяется водород. Также такой раствор кислоты взаимодействует с растворами солей, в результате чего происходит реакция обмена, уже рассмотренная выше, с оксидами — так же, как и концентрированная, с гидроксидами - тоже так же. Кроме обыкновенных сульфатов, существуют также гидросульфаты, которые являются продуктом взаимодействия гидроксида и серной кислоты.

Как узнать, что в растворе содержится серная кислота или сульфаты

Для определения, присутствуют ли эти вещества в растворе, применяется специальная качественная реакция на сульфат-ионы, которая позволяет это узнать. Она заключается в добавлении бария или его соединений в раствор. В результате этого может выпасть осадок белого цвета (сульфат бария), что показывает наличие сульфатов или серной кислоты.

Как добывают серную кислоту

Самым распространенным способом промышленного получения данного вещества является добыча его из пирита железа. Этот процесс происходит в три этапа, на каждом из которых происходит определенная химическая реакция. Рассмотрим их. Сначала к пириту добавляют кислород, вследствие чего образуется оксид ферума и диоксид серы, который используется для дальнейших реакций. Это взаимодействие происходит при высокой температуре. Далее следует этап, на котором посредством добавления кислорода в присутствии катализатора, в качестве которого выступает оксид ванадия, получают триоксид серы. Теперь, на последней стадии, к полученному веществу добавляют воду, при этом получают сульфатную кислот. Это самый распространенный процесс промышленного добывания сульфатной кислоты, он используется наиболее часто потому, что пирит - самое доступное сырье, подходящее для синтеза описанного в этой статье вещества. Серную кислоту, полученную с помощью такого процесса, используют в различных сферах промышленности - как в химической, так и во многих других, к примеру, при переработке нефти, обогащении руд и т. д. Также ее использование часто предусмотрено в технологии изготовления множества синтетических волокон.

Цель: Ознакомиться со строением, физическими и химическими свойствами, применением серной кислоты.

Образовательные задачи: Рассмотреть физические и химические свойства (общие с другими кислотами и специфические) серной кислоты,получение, показать большое значение серной кислоты и её солей в народном хозяйстве.

Воспитательные задачи: Продолжить формирование у учащихся диалектико-материалистического понимания природы.

Развивающие задачи: Развитие общеучебных умений и навыков, работа с учебником и дополнительной литературой, правила работы на рабочем столе, умение систематизировать и обобщать, устанавливать причинно-следственные связи, доказательно и грамотно излагать свои мысли, делать выводы, составлять схемы, зарисовывать.

Ход урока

1. Повторение пройденного.

Фронтальный опрос класса. Сравнить свойства кристаллической и пластической серы. Пояснить сущность аллотропии.

2. Изучение нового материала.

Внимательно прослушав сказку, мы в конце урока объясним, почему серная кислота вела себя странно с водой, деревом и золотым кольцом.

Звучит аудиозапись.

Приключения Серной кислоты.

В одном химическом королевстве жила волшебница, звали её Серной кислотой . С виду она была не так уж и плоха: бесцветная жидкость, вязкая как масло, без запаха. Серная кислота хотела быть знаменитой, поэтому отправилась в путешествие.

Она шла уже 5 часов, а так как день был слишком жаркий, ей очень захотелось пить. И вдруг она увидела колодец. «Вода!» – воскликнула кислота и, подбежав к колодцу, прикоснулась к воде. Вода страшно зашипела. С криком испуганная волшебница бросилась прочь. Конечно же, молодая кислота не знала, что при смешивании серной кислоты с водой выделяется большое количество теплоты.

«Если вода соприкасается с серной кислотой , то вода, не успев смешаться с кислотой, может закипеть и выбросить брызги серной кислоты . Эта запись появилась в дневнике молодой путешественницы, а затем вошла в учебники.

Так как кислота не утолила жажду, то, раскидистое дерево, решила прилечь и отдохнуть в тени. Но и это у неё не получилось. Как только Серная кислота дотронулась до дерева, оно стало обугливаться. Не зная причины этого, испуганная кислота убежала прочь.

Вскоре она пришла в город и решила зайти в первый попавшийся на её пути магазин. Им оказался ювелирный. Подойдя к витринам, кислота увидела множество прекрасных колец. Серная кислота решила померить одно колечко. Попросив у продавца золотое кольцо, путешественница надела его на свой длинный красивый палец. Волшебнице очень понравилось кольцо и она решила его купить. Вот чем она могла похвастаться перед своими друзьями!

Выйдя из города, кислота отправилась домой. В пути её не оставляла мысль, почему же вода и дерево вели себя так странно при прикосновении с ней, а с этой золотой вещицей ничего не произошло? «Да потому, что золото в серной кислоте не окисляется». Это были последние слова, записанные кислотой в своём дневнике.

Объяснения учителя.

Электронная и структурная формулы серной кислоты.

Так сера находится в 3-м периоде периодической системы, то правило октета (восьми электронная структура) не соблюдается и атом серы может приобрести до двенадцати электронов. Электронная и структурная формулы серной кислоты следующие:

(Шесть электронов серы обозначены звёздочкой)

Получение.

Серная кислота образуется при взаимодействии оксида серы (5) с водой (SO 3 +H 2 O —> H 2 SO 4).

Физические свойства.

Серная кислота – бесцветная, тяжёлая, нелетучая жидкость. При растворении её в воде происходит очень сильное разогревание. Помните, что нельзя вливать воду в концентрированную серную кислоту!

Концентрированная серная кислота поглощает из воздуха водяные пары. В этом можно убедиться, если открытый сосуд с концентрированной серной кислотой уравновесить на весах: через некоторое время чашка с сосудом опустится.

Химические свойства.

Разбавленная серная кислота обладает общими свойствами, характерными для всех кислот. Кроме того, серная кислота имеет специфические свойства.

Химические свойства серной – Приложение .

Демонстрация учителем занимательного опыта.

Краткий инструктаж по технике безопасности.

Эскимо (Уголь из сахара)

Оборудование План опыта Вывод
  1. Сахарная пудра.
  2. Концентрированная серная кислота.
  3. Два химических стакана по 100-150 мл.
  4. Стеклянная палочка.
  5. Весы.
30 г сахарной пудры пересыпать в химический стакан. Отмерить мензуркой 12 мл концентрированной серной кислоты. Смешать в стакане стеклянной палочкой сахар и кислоту в кашеобразную массу (стеклянную палочку вынуть и положить в стакан с водой). Через некоторое время смесь темнеет, разогревается и вскоре из стакана начинает выползать пористая угольная масса – эскимо Обугливание сахара серной кислотой (концентрированной) объясняется окислительными свойствами этой кислоты. Восстановителем является углерод. Процесс экзотермический.
2Н 2 SO 4 +C 12 О 11 + Н22 —> 11С+2SO 2 +13Н 2 О+СО 2

Заполнение учащимися таблицы с занимательным опытом в тетрадь.

Рассуждения учащихся о том, почему Серная кислота вела себя так странно с водой, деревом и золотом.

Применение.

Благодаря своим свойствам (способность поглощать воду, окислительные свойства, нелетучесть) серную кислоту широко применяют в народном хозяйстве. Она относится к основным продуктам химической промышленности.

  1. получение красителей;
  2. получение минеральных удобрений;
  3. очистка нефтепродуктов;
  4. электролитическое получение меди;
  5. электролит в аккумуляторах;
  6. получение взрывчатых веществ;
  7. получение красителей;
  8. получение искусственного шёлка;
  9. получение глюкозы;
  10. получение солей;
  11. получение кислот.

Соли серной кислоты широко используют, например

Na 2 SO 4 * 10H 2 O – кристаллогидрат сульфата натрия (глауберова соль) - применяют в производстве соды, стекла, в медицине и ветеринарии.

CaSO 4 * 2H 2 O – кристаллогидрат сульфата кальция (природный гипс) - применяют для получения полуводного гипса, необходимого в строительстве, а в медицине - для накладывания гипсовых повязок.

CuSO 4 * 5H 2 O – кристаллогидрат сульфата меди (2) (медный купорос) - используют в борьбе с вредителями и болезнями растений.

Работа учащихся с внетекстовым компонентом учебника.

Это интересно

…в заливе Кара-Богаз-Гол в воде содержится 30% глауберовой соли при температуре +5°С эта соль выпадает в виде белого осадка, как снег, а с наступлением тёплого времени соль снова растворяется. Так как в этом заливе глауберова соль то появляется, то исчезает, она была названа мирабилитом , что означает «удивительная соль».

3. Вопросы на закрепление учебного материала, записанные на доске.

  1. Зимой между рамами окон иногда помещают сосуд с концентрированной серной кислотой. С какой целью это делают, почему сосуд нельзя заполнять кислотой доверху?
  2. Почему серную кислоту называют «хлебом» химии?

Домашнее задание и инструктаж по его выполнению.

Где это требуется, составьте уравнения в ионном виде.

Вывод по уроку, выставление и комментирование отметок.

Использованная литература.

  1. Рудзитис Г.Е.Фельдман Ф.Г., Химия: Учебное пособие для 7-11 классов вечерней (сменной) средней общеобразовательной школы в 2 ч. Ч 1-3 -е издание - М.: Просвещение, 1987.
  2. Химия в школе №6, 1991.
  3. Штремплер Генрих Иванович, Химия на досуге: Кн. для учащихся сред. и стар. возраста /Рис. авт. при участии В.Н. Растопчины.- Ф.: Гл. ред. КСЭ, 1990.

Любая кислота представляет собой сложное вещество, молекула которого содержит один или несколько атомов водорода и кислотный остаток.

Формула серной кислоты - H2SO4. Следовательно, в состав молекулы серной кислоты входят два атома водорода и кислотный остаток SO4.

Образуется серная кислота при взаимодействии оксида серы с водой

SO3+H2O -> H2SO4

Чистая 100%-я серная кислота (моногидрат) - тяжёлая жидкость, вязкая как масло, без цвета и запаха, с кислым «медным» вкусом. Уже при температуре +10 °С она застывает и превращается в кристаллическую массу.

Концентрированная серная кислота содержит приблизительно 95% H2 SO4. И застывает она при температуре ниже –20°С.

Взаимодействие с водой

Серная кислота хорошо растворяется в воде, смешиваясь с ней в любых соотношениях. При этом выделяется большое количество тепла.

Серная кислота способна поглощать пары воды из воздуха. Это её свойство используют в промышленности для осушения газов. Осушают газы, пропуская их через специальные ёмкости с серной кислотой. Конечно же, этот способ можно применять только для тех газов, которые не вступают в реакцию с ней.

Известно, что при попадании серной кислоты на многие органические вещества, особенно углеводы, эти вещества обугливаются. Дело в том, что углеводы, как и вода, содержат и водород, и кислород. Серная кислота отнимает у них эти элементы. Остаётся уголь.

В водном растворе H2SO4 индикаторы лакмус и метиловый оранжевый окрашиваются в красный цвет, что говорит о том, что этот раствор имеет кислый вкус.

Взаимодействие с металлами

Как и любая другая кислота, серная кислота способна замещать атомы водорода на атомы металла в своей молекуле. Взаимодействует она практически со всеми металлами.

В разбавленном виде серная кислота реагирует с металлами как обычная кислота. В результате реакции образуется соль с кислотным остатком SO4 и водород.

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

А концентрированная серная кислота является очень сильным окислителем. Она окисляет все металлы, независимо от их положения в ряду напряжений. И при реакции с металлами она сама восстанавливается до SO2. Водород не выделяется.

Сu + 2 H2SO4 (конц) = CuSO4 + SO2 + 2H2O

Zn + 2 H2SO4 (конц) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O

А вот золото, железо, алюминий, металлы платиновой группы в серной кислоте не окисляются. Поэтому серную кислоту перевозят в стальных цистернах.

Сернокислые соли, которые получаются в результате таких реакций, называют сульфатами. Они не имеют цвета, легко кристаллизуются. Некоторые из них хорошо растворяются в воде. Малорастворимыми являются только CaSO4 и PbSO4 . Почти не растворяется в воде BaSO4.

Взаимодействие с основаниями


Реакция взаимодействия кислоты с основаниями называется реакцией нейтрализации. В результате реакции нейтрализации серной кислоты образуется соль, содержащая кислотный остаток SO4, и вода H2O.

Примеры реакций нейтрализации серной кислоты:

H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O

H2SO4 + CaOH = CaSO4 + 2 H2O

Серная кислота вступает в реакцию нейтрализации как с растворимыми, так и с нерастворимыми основаниями.

Так как в молекуле серной кислоты два атома водорода, и для её нейтрализации требуется два основания, то она относится к двухосновным кислотам.

Взаимодействие с основными оксидами

Из школьного курса химии нам известно, что оксидами называют сложные вещества, в состав которых входят два химических элемента, одним из которых является кислород в степени окисления -2 . Основными оксидами называют оксиды 1, 2 и некоторых 3 валентных металлов. Примеры основных оксидов: Li2O, Na2O, CuO, Ag2O, MgO, CaO, FeO, NiO.

С основными оксидами серная кислота вступает в реакцию нейтрализации. В результате такой реакции, как и в реакции с основаниями, образуются соль и вода. Соль содержит кислотный остаток SO4.

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

Взаимодействие с солями

Серная кислота взаимодействует с солями более слабых или летучих кислот, вытесняя из них эти кислоты. В результате такой реакции образуется соль с кислотным остатком SO4 и кислота

H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl

Применение серной кислоты и её соединений


Бариева каша ВaSO4 способна задерживать рентгеновские лучи. Заполняя ею полые органы человеческого организма, рентгенологи исследуют их.

В медицине и строительстве широко применяют природный гипс CaSO4 * 2H2O, кристаллогидрат сульфата кальция. Глауберова соль Na2SO4 * 10H2O используется в медицине и ветеринарии, в химической промышленности - для производства соды и стекла. Медный купорос CuSO4 * 5H2O известен садоводам и агрономам, которые используют его для борьбы с вредителями и болезнями растений.

Серная кислота широко используется в различных отраслях промышленности: химической, металлообрабатывающей, нефтяной, текстильной, кожевенной и других.

© fialkisvetlana.ru, 2021
Как проводить время на даче с любовью. Растения и цветы