Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с сероводорода )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Серная кислота ( американское / IUPAC написание ) или серная кислота ( традиционное / британское написание ), также известная как масло купороса , представляет собой минеральную кислоту, состоящую из элементов серы , кислорода и водорода , с молекулярной формулой H 2 SO 4 . Это бесцветная и вязкая жидкость, которая смешивается с водой во всех концентрациях. [5]

Кислота в чистом виде очень агрессивна по отношению к другим материалам, так как она является окислителем и имеет сильную кислотность . Кроме того, чистая кислота сильно обезвоживает , что означает, что она отделяет воду от любого вещества, с которым вступает в контакт. Он также гигроскопичен , легко впитывает водяной пар из воздуха . [5] При добавлении серной кислоты в воду (это нельзя изменять) выделяется много тепла. При контакте чистая серная кислота может вызвать тяжелые химические ожоги и даже вторичные термические ожоги из-за обезвоживания; опасны даже небольшие количества чистой кислоты. [6] [7]Раствор серной кислоты в воде существенно менее опасен; окислительные и дегидратирующие свойства присутствуют только в чистой кислоте, хотя раствор кислоты в воде будет очень кислым , и поэтому с ним следует обращаться осторожно.

Серная кислота - очень важный товарный химикат, и производство серной кислоты в стране является хорошим показателем ее промышленной мощи. [8] Он широко выпускается с различными методами, такие как контактный процесс , влажным процесс кислотной серной , ведущий процесс камеры и некоторыми другие методами. [9]

Серная кислота также является ключевым веществом в химической промышленности . Чаще всего он используется в производстве удобрений [10], но также важен при переработке полезных ископаемых , нефтепереработке , очистке сточных вод и химическом синтезе . Она имеет широкий диапазон конечных применений , включая в домашних очистителях кислой сливы , [11] в качестве электролита в свинцовых-кислотных батареях , в дегидратации соединения, а также в различных чистящих средствах .

Физические свойства [ править ]

Сорта серной кислоты [ править ]

Хотя можно приготовить почти 100% -ные растворы серной кислоты, последующая потеря SO3при температуре кипения доводит концентрацию кислоты до 98,3%. Сорт 98,3% более стабилен при хранении и представляет собой обычную форму того, что описывается как «концентрированная серная кислота». Другие концентрации используются для разных целей. Вот некоторые распространенные концентрации: [12] [13]

«Камерная кислота» и «башенная кислота» были двумя концентрациями серной кислоты, полученной в процессе свинцовой камеры , камерная кислота - это кислота, производимая в самой свинцовой камере (<70%, чтобы избежать загрязнения нитрозилсерной кислотой ), а башенная кислота была кислота извлечена из нижней части башни Гловера. [12] [13] В настоящее время они устарели как коммерческие концентрации серной кислоты, хотя при необходимости они могут быть приготовлены в лаборатории из концентрированной серной кислоты. В частности, серная кислота 10M (современный эквивалент камерной кислоты, используемой во многих титрованиях).), готовится путем медленного добавления 98% серной кислоты к равному объему воды при хорошем перемешивании: температура смеси может повышаться до 80 ° C (176 ° F) или выше. [13]

Серная кислота реагирует со своим ангидридом SO
3
, чтобы сформировать H
2
S
2
О
7
, называемые пиросерной кислотой , дымящей серной кислотой , дисерной кислотой или олеумом или, реже, кислотой Нордхаузена . Концентрация олеума выражается в% SO
3
(называемый% олеум) или как% H
2
ТАК
4
(сумма, произведенная, если H
2
O
были добавлены); общие концентрации 40% олеума (109% H
2
ТАК
4
) и 65% олеума (114,6% H
2
ТАК
4
). Чистый H
2
S
2
О
7
представляет собой твердое вещество с температурой плавления 36 ° C.

Чистая серная кислота имеет давление паров <0,001 мм рт. Ст. При 25 ° C и 1 мм рт. Ст. При 145,8 ° C [14], а 98% -ная серная кислота имеет давление паров <1 мм рт. Ст. При 40 ° C. [15]

Чистая серная кислота представляет собой вязкую прозрачную жидкость, похожую на масло, и этим объясняется старое название кислоты («купоросное масло»).

Коммерческая серная кислота продается с несколькими различными степенями чистоты. Технический сорт H
2
ТАК
4
нечистый и часто окрашенный, но подходит для внесения удобрений. Чистые сорта, такие как сорт USP , используются для изготовления фармацевтических препаратов и красителей . Также доступны аналитические сорта.

Девять гидратов известны, но четыре из них были подтверждены , чтобы быть тетрагидратом (H 2 SO 4 · 4H 2 O), hemihexahydrate (H 2 SO 4 · 6 12 H 2 O) и октагидрат (H 2 SO 4 · 8H 2 O).

Полярность и проводимость [ править ]

Безводный H
2
ТАК
4
представляет собой очень полярную жидкость, имеющую диэлектрическую проницаемость около 100. Она имеет высокую электрическую проводимость , вызванную диссоциацией в результате протонирования , процесса, известного как автопротолиз . [16]

2 ч
2
ТАК
4
H
3
ТАК+
4
+ HSO-
4

Константа равновесия для автопротолиза равна [16]

K ap (25 ° C) = [ H
3
ТАК+
4
] [ HSO-
4
знак равно 2,7 × 10 −4

Сравнимая константа равновесия для воды , К ш 10 -14 , фактор 10 10 (10 млрд) меньше.

Несмотря на вязкости кислоты, эффективные проводимости по H
3
ТАК+
4
и HSO-
4
ионы высоки из-за механизма внутримолекулярного переключения протонов (аналогично механизму Гроттуса в воде), что делает серную кислоту хорошим проводником электричества. Это также отличный растворитель для многих реакций.

Химические свойства [ править ]

Реакция с водой и дегидратацией свойство [ править ]

Капли концентрированной серной кислоты быстро разлагают кусок хлопкового полотенца путем обезвоживания.
Воспроизвести медиа
Эксперимент, демонстрирующий обезвоживающие свойства концентрированной серной кислоты. Когда концентрированная серная кислота вступает в контакт с сахарозой , происходит медленная карбонизация сахарозы. Реакция сопровождается выделением газообразных продуктов, которые способствуют образованию пенистого углеродного столба, который поднимается над стаканом.

Поскольку реакция гидратации серной кислоты очень экзотермична , разбавление всегда следует проводить, добавляя кислоту к воде, а не воду к кислоте. [17] Поскольку реакция находится в равновесии, которое способствует быстрому протонированию воды, добавление кислоты к воде гарантирует, что кислота является ограничивающим реагентом. Эту реакцию лучше всего рассматривать как образование ионов гидроксония :

ЧАС
2
ТАК
4
+ H
2
O
H
3
О+
+ HSO-
4
  K a1 ≈ 10 3 (сильная кислота)
HSO-
4
+ H
2
O
H
3
О+
+ ТАК2-
4
  К а2 =1,0 × 10 -2  [18]

HSO-
4
- бисульфат- анион и SO2-
4
представляет собой сульфат- анион. K a1 и K a2 - константы диссоциации кислоты .

Поскольку гидратация серной кислоты является термодинамически благоприятной и ее сродство к воде достаточно велико, серная кислота является отличным дегидратирующим агентом. Концентрированная серная кислота обладает очень сильным обезвоживающим свойством, удаляя воду ( H 2 O ) из других химических соединений, включая сахар и другие углеводы, и выделяя углерод , тепло и пар .

В лаборатории это часто подтверждается смешиванием столового сахара (сахарозы) с серной кислотой. Сахар меняет цвет с белого на темно-коричневый, а затем на черный по мере образования углерода. Также появится жесткий столб из черного пористого углерода. Уголь будет сильно пахнуть карамелью из-за выделяемого тепла. [19]

Точно так же смешивание крахмала с концентрированной серной кислотой даст элементарный углерод и воду, абсорбированные серной кислотой (которая становится слегка разбавленной). Эффект от этого можно увидеть, пролив концентрированную серную кислоту на бумагу, состоящую из целлюлозы ; целлюлоза реагирует, давая вид обгоревшего , углерод выглядит так же, как сажа при пожаре. Воздействие кислоты на хлопок , даже в разбавленном виде, хоть и менее драматично, но разрушает ткань.

Реакция с сульфатом меди (II) также может продемонстрировать способность серной кислоты к дегидратации. По мере удаления воды синий кристалл превращается в белый порошок.

Кислотно-основные свойства [ править ]

Как кислота, серная кислота реагирует с большинством оснований с образованием соответствующего сульфата. Например, синяя медная соль сульфата меди (II) , обычно используемая для гальваники и в качестве фунгицида , получается реакцией оксида меди (II) с серной кислотой:

CuO (т) + H
2
ТАК
4
(водн.) → CuSO
4
(водн.) + H
2
О
(л)

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

ЧАС
2
ТАК
4
+ CH
3
COONa
NaHSO
4
+ CH
3
COOH

Точно так же реакцию серной кислоты с нитратом калия можно использовать для получения азотной кислоты и осадка бисульфата калия . В сочетании с азотной кислотой серная кислота действует как кислота и дегидратирующий агент, образуя ион нитрония NO.+
2
, что важно в реакциях нитрования с участием электрофильного ароматического замещения . Этот тип реакции, когда протонирование происходит на атоме кислорода , важен во многих реакциях органической химии , таких как этерификация Фишера и дегидратация спиртов.

Твердотельная структура иона [D 3 SO 4 ] +, присутствующего в [D 3 SO 4 ] + [SbF 6 ] - , синтезируется с использованием D F вместо HF. (см. текст)

При взаимодействии с суперкислотами серная кислота может действовать как основание и протонироваться, образуя ион [H 3 SO 4 ] + . Соль [H 3 SO 4 ] + были приготовлены с использованием следующей реакции в жидкой HF :

((CH 3 ) 3 SiO) 2 SO 2 + 3 HF + SbF 5 → [H 3 SO 4 ] + [SbF 6 ] - + 2 (CH 3 ) 3 SiF

Вышеупомянутая реакция термодинамически благоприятна из-за высокой энтальпии связи Si – F в побочном продукте. Однако протонирование с использованием простого HF / SbF 5 не удалось , поскольку чистая серная кислота подвергается самоионизации с образованием ионов [H 3 O] + , что предотвращает превращение H 2 SO 4 в [H 3 SO 4 ] +. системой HF / SbF 5 : [20]

2 H 2 SO 4 ⇌ [H 3 O] + + [HS 2 O 7 ] -

Реакции с металлами [ править ]

Даже разбавленная серная кислота реагирует со многими металлами посредством одной реакции замещения, как и с другими типичными кислотами , с образованием газообразного водорода и солей (сульфата металла). Он атакует химически активные металлы (металлы на позициях выше меди в ряду реактивности ), такие как железо , алюминий , цинк , марганец , магний и никель .

Fe + H
2
ТАК
4
H
2
+ FeSO
4

Концентрированная серная кислота может служить окислителем , выделяя диоксид серы: [6]

Cu + 2 H 2 SO 4 → SO 2 + 2 H 2 O + SO2-
4
+ Cu 2+

Однако свинец и вольфрам устойчивы к серной кислоте.

Реакции с углеродом [ править ]

Горячая концентрированная серная кислота окисляет углерод [21] (как битуминозный уголь) и серу .

С + 2 Н 2 SO 4 → CO 2 + 2 SO 2 + 2 Н 2 О
S + 2 H 2 SO 4 → 3 SO 2 + 2 H 2 O

Реакция с хлоридом натрия [ править ]

Он вступает в реакцию с хлоридом натрия , и дает хлористый водород газ и бисульфат натрия :

NaCl + H 2 SO 4 → NaHSO 4 + HCl

Электрофильное ароматическое замещение [ править ]

Бензол подвергается электрофильному ароматическому замещению серной кислотой с образованием соответствующих сульфоновых кислот : [22]

Происшествие [ править ]

Рио Тинто с очень кислой водой

Чистая серная кислота не встречается на Земле в безводной форме из-за ее большого сродства с водой . Разбавленная серная кислота входит в состав кислотных дождей , который образуется при атмосферном окислении из диоксида серы в присутствии воды - то есть, окисление сернистой кислоты . При сжигании серосодержащего топлива, такого как уголь или нефть, основным побочным продуктом является диоксид серы (помимо основных продуктов - оксидов углерода и воды).

Серная кислота образуется естественным путем в результате окисления сульфидных минералов, таких как сульфид железа. Образующаяся вода может быть очень кислой и называется кислотным дренажем шахт (AMD) или дренажем из кислых горных пород (ARD). Эта кислая вода способна растворять металлы, присутствующие в сульфидных рудах, в результате чего получаются ярко окрашенные токсичные растворы. Окисление пирита (сульфида железа) молекулярным кислородом дает железо (II) или Fe2+
:

2 FeS
2
(s) + 7 O
2
+ 2 часа2O → 2 Fe2+
+ 4 СО2-
4
+ 4 часа+

Fe2+
может быть дополнительно окислен до Fe3+
:

4 Fe2+
+ O
2
+ 4 часа+
→ 4 Fe3+
+ 2 часа2О

Fe3+
полученный может быть осажден в виде гидроксида или водного оксида железа :

Fe3+
+ 3 часа2О Fe (ОН)
3
↓ + 3 H+

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

FeS
2
(s) + 14 Fe3+
+ 8 часов2O → 15 Fe2+
+ 2 СО2-
4
+ 16 часов+

Когда происходит окисление пирита железом (III), процесс может ускориться. Значения pH ниже нуля были измерены в ARD, полученном этим способом.

ARD также может производить серную кислоту с меньшей скоростью, так что кислотонейтрализующая способность (ANC) водоносного горизонта может нейтрализовать образовавшуюся кислоту. В таких случаях общая концентрация растворенных твердых веществ (TDS) в воде может быть увеличена за счет растворения минералов в результате реакции кислотной нейтрализации с минералами.

Серная кислота используется в качестве защиты некоторыми морскими видами, например, феофитовая водоросль Desmarestia munda (отряд Desmarestiales ) концентрирует серную кислоту в клеточных вакуолях. [23]

Стратосферный аэрозоль [ править ]

В стратосфере , втором слое атмосферы, который обычно находится на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли, серная кислота образуется в результате окисления вулканического диоксида серы гидроксильным радикалом : [24]

ТАК
2
+ HO HSO
3
HSO
3
+ O
2
ТАК
3
+ HO
2
ТАК
3
+ H2OH
2
ТАК
4

Поскольку серная кислота достигает перенасыщения в стратосфере, она может образовывать зародыши аэрозольных частиц и обеспечивать поверхность для роста аэрозолей за счет конденсации и коагуляции с другими водно-серными кислотными аэрозолями. Это приводит к слою стратосферного аэрозоля . [24]

Внеземная серная кислота [ править ]

Постоянные венерианские облака производят концентрированный кислотный дождь, так как облака в атмосфере Земли производят водяной дождь. [25] Луна Юпитера Европа, как полагают, имеет атмосферу, содержащую гидраты серной кислоты. [26]

Производство [ править ]

Серная кислота производится из серы , кислорода и воды с помощью обычного контактного процесса (DCDA) или процесса влажной серной кислоты (WSA).

Контактный процесс [ править ]

На первом этапе сера сжигается для получения диоксида серы.

S (s) + O
2
ТАК
2

Диоксид серы окисляется кислородом до триоксида серы в присутствии катализатора на основе оксида ванадия (V) . Эта реакция обратима, и образование триоксида серы является экзотермическим.

2 ТАК
2
+ O
2
⇌ 2 SO
3

Трехокись серы абсорбируется 97–98% H
2
ТАК
4
с образованием олеума ( H
2
S
2
О
7
), также известная как дымящая серная кислота. Затем олеум разбавляют водой с образованием концентрированной серной кислоты.

ЧАС
2
ТАК
4
+ ТАК
3
H
2
S
2
О
7
ЧАС
2
S
2
О
7
+ H
2
O
→ 2 H
2
ТАК
4

Прямое растворение SO
3
в воде не практикуется.

Мокрая серная кислота [ править ]

На первом этапе сера сжигается для получения диоксида серы:

S + O
2
ТАК
2

или, альтернативно, сероводород ( H
2
S
) газ сжигается до SO
2
газ:

2 ч
2
S
+ 3 O
2
→ 2 H
2
O
+ 2 SO
2
(-518 кДж / моль)

Затем диоксид серы окисляют до триоксида серы с использованием кислорода с оксидом ванадия (V) в качестве катализатора .

2 ТАК
2
+ O
2
⇌ 2 SO
3
(-99 кДж / моль) (реакция обратимая)

Триоксид серы гидратируется до серной кислоты H
2
ТАК
4
:

ТАК
3
+ H
2
O
H
2
ТАК
4
(г) (-101 кДж / моль)

Последним этапом является конденсация серной кислоты до жидкости 97–98% H.
2
ТАК
4
:

ЧАС
2
ТАК
4
(г) → H
2
ТАК
4
(л) (-69 кДж / моль)

Другие методы [ править ]

Менее известен метод метабисульфита, при котором метабисульфит помещается на дно химического стакана и добавляется соляная кислота с молярной концентрацией 12,6 . Образующийся газ барботируют через азотную кислоту , которая по мере протекания реакции выделяет коричневые / красные пары диоксида азота. О завершении реакции свидетельствует прекращение испарения. Этот метод не дает неразрывного тумана, что довольно удобно.

3SO 2 + 2HNO 3 + 2H 2 O → 3H 2 SO 4 + 2NO

В принципе, серную кислоту можно получить в лаборатории путем сжигания серы на воздухе с последующим растворением полученного диоксида серы в растворе перекиси водорода . [ необходима цитата ]

SO 2 + H 2 O 2 → H 2 SO 4

В качестве альтернативы растворение диоксида серы в водном растворе соли окисляющего металла, такой как хлорид меди (II) или железа (III):

2FeCl 3 + 2H 2 O + SO 2 → 2FeCl 2 + H 2 SO 4 + 2HCl
2CuCl 2 + 2H 2 O + SO 2 → 2CuCl + H 2 SO 4 + 2HCl

Два менее известных лабораторных метода производства серной кислоты, хотя и в разбавленной форме и требующие дополнительных усилий при очистке. Раствор сульфата меди (II) может быть подвергнут электролизу с медным катодом и платиновым / графитовым анодом для получения губчатой меди на катоде и выделения газообразного кислорода на аноде, раствор разбавленной серной кислоты указывает на завершение реакции, когда он переходит из от синего до прозрачного (еще один признак - образование водорода на катоде):

2CuSO 4 + 2H 2 O → 2Cu + 2H 2 SO 4 + O 2

Более дорогостоящим, опасным и неприятным, но все же новым является метод электробромирования, в котором в качестве раствора электролита используется смесь серы , воды и бромистоводородной кислоты . Сера выталкивается на дно контейнера под раствором кислоты, затем используются медный катод и платино-графитовый анод, при этом катод находится у поверхности, а анод помещается на дно электролита для подачи тока. Это может занять больше времени и привести к выделению токсичных паров брома / бромида серы, но реагирующая кислота пригодна для повторного использования, в целом только сера и вода превращаются в серную кислоту (без учета потерь кислоты в виде паров):

2HBr → H 2 + Br 2 (электролиз водного бромистого водорода)
Br 2 + Br - ↔ Br 3 - (начальное образование трибромида , в конечном итоге меняется на противоположное по мере истощения Br - )
2S + Br 2 → S 2 Br 2 (бром реагирует с серой с образованием дибромида дисеры )
S 2 Br 2 + 8H 2 O + 5Br 2 → 2H 2 SO 4 + 12HBr (окисление и гидратация дибромида дисеры)

До 1900 года большая часть серной кислоты производилась методом свинцовой камеры . [27] Еще в 1940 году до 50% серной кислоты, производимой в Соединенных Штатах, производилось на камерных технологических установках.

В начале-середине девятнадцатого века «купоросные» растения существовали, среди прочего, в Престонпансе в Шотландии, Шропшире и долине Лаган в графстве Антрим, Ирландия, где он использовался в качестве отбеливателя для льняной ткани. Раннее отбеливание белья производилось с использованием молочной кислоты из кислого молока, но это был медленный процесс, а использование купороса ускорило процесс отбеливания. [28]

Использует [ редактировать ]

Производство серной кислоты в 2000 г.

Серная кислота - очень важный товарный химикат, и действительно, производство серной кислоты в стране является хорошим показателем ее промышленной мощи. [8] 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%. [29] Большая часть этого количества (≈60%) расходуется на удобрения, особенно суперфосфаты, фосфат аммония и сульфаты аммония. Около 20% используется в химической промышленности для производства моющих средств, синтетических смол, красителей, фармацевтических препаратов, нефтяных катализаторов, инсектицидов и антифризов., а также в различных процессах, таких как кислотная обработка нефтяных скважин, восстановление алюминия, проклейка бумаги и очистка воды. Около 6% применений связаны с пигментами и включают краски, эмали , печатные краски, ткани с покрытием и бумагу, в то время как остальная часть используется во множестве областей применения, таких как производство взрывчатых веществ, целлофана , ацетатных и вискозных тканей, смазочных материалов и других материалов. черные металлы и аккумуляторы. [30]

Промышленное производство химикатов [ править ]

В основном серная кислота используется «мокрым способом» для производства фосфорной кислоты , используемой для производства фосфорных удобрений . В этом методе используется фосфоритная руда, и ежегодно перерабатывается более 100 миллионов тонн. Это сырье показано ниже как фторапатит , хотя точный состав может варьироваться. Его обрабатывают 93% серной кислотой для получения сульфата кальция , фтороводорода (HF) и фосфорной кислоты . HF удаляют в виде плавиковой кислоты . Общий процесс можно представить как:

Сульфат аммония , важное азотное удобрение, чаще всего производится как побочный продукт на коксовых заводах, снабжающих предприятия по производству чугуна и стали. Реакция аммиака, образующегося при термическом разложении угля, с отработанной серной кислотой позволяет аммиаку кристаллизоваться в виде соли (часто коричневой из-за загрязнения железом) и продаваться в агрохимической промышленности.

Еще одно важное применение серной кислоты - это производство сульфата алюминия , также известного как квасцы для бумагоделателей. Он может реагировать с небольшим количеством мыла на волокнах бумажной массы с образованием гелеобразных карбоксилатов алюминия , которые помогают коагулировать волокна пульпы в твердую поверхность бумаги. Он также используется для производства гидроксида алюминия , который используется на водоочистных станциях для фильтрации примесей, а также для улучшения вкуса воды . Сульфат алюминия получают путем реакции боксита с серной кислотой:

2 AlO (OH) + 3 Н
2
ТАК
4
Al
2
(ТАК
4
)
3
+ 4 часа
2
О

Серная кислота также важна при производстве растворов красителей .

Серно-йодный цикл [ править ]

Серу йода цикла представляет собой серию термо-химических процессов , возможно , пригодных для использования для получения водорода из воды . Он состоит из трех химических реакций, чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами - водород и кислород .

Соединения серы и йода восстанавливаются и повторно используются, поэтому процесс рассматривается как цикл. Этот процесс эндотермический и должен происходить при высоких температурах, поэтому необходимо подавать энергию в виде тепла.

Серно-йодный цикл был предложен как способ поставки водорода для водородной экономики . Это альтернатива электролизу и не требует углеводородов, как современные методы парового риформинга . Но обратите внимание, что вся доступная энергия в водороде, произведенном таким образом, обеспечивается теплом, используемым для его производства.

В настоящее время серо-йодный цикл исследуется как возможный метод получения водорода, но концентрированная коррозионная кислота при высоких температурах представляет в настоящее время непреодолимую угрозу безопасности, если бы процесс был построен в больших масштабах. [31] [32]

Промышленное чистящее средство [ править ]

Серная кислота используется в больших количествах с помощью железа и сталелитейной промышленности для удаления окисления, ржавчины и накипи из листового проката и заготовки до продажи в автомобильной и основных приборах промышленности. [ необходима цитата ] Отработанная кислота часто рециркулируется на заводе по регенерации отработанной кислоты (SAR). Эти установки сжигают отработанную кислоту [ требуется разъяснение ] с природным газом, нефтеперерабатывающим газом, мазутом или другими источниками топлива. В процессе горения образуется газообразный диоксид серы ( SO
2
) и триоксид серы ( SO
3
), которые затем используются для производства «новой» серной кислоты. Установки SAR являются обычным дополнением к металлургическим заводам, нефтеперерабатывающим заводам и другим отраслям, где серная кислота потребляется в больших количествах, поскольку эксплуатация установок SAR намного дешевле, чем периодические затраты на утилизацию отработанной кислоты и закупку новой кислоты.

Перекись водорода ( H
2
О
2
) может быть добавлен к серной кислоте для получения раствора пираньи , мощного, но очень токсичного очищающего раствора, с помощью которого можно очищать поверхности субстрата. Раствор Piranha обычно используется в микроэлектронной промышленности, а также в лабораторных условиях для очистки стеклянной посуды.

Катализатор [ править ]

Серная кислота используется для множества других целей в химической промышленности. Например, это обычный кислотный катализатор превращения циклогексаноноксима в капролактам , используемый для производства нейлона . Он используется для производства соляной кислоты из соли по методу Мангейма . Много H
2
ТАК
4
используются в нефтяной переработке, например , в качестве катализатора для реакции изобутана с изобутиленом с получением изооктано , соединения , которое поднимает октановое число из бензина (бензин). Серная кислота также часто используется в качестве дегидратирующего или окисляющего агента в промышленных реакциях, таких как дегидратация различных сахаров с образованием твердого углерода.

Электролит [ править ]

Кислотные очистители канализации обычно содержат серную кислоту в высокой концентрации, которая окрашивает кусок pH-бумаги в красный цвет и мгновенно обугливает его, демонстрируя как сильную кислотность, так и свойство обезвоживания.

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

На аноде :

Pb + SO
4
2−PbSO
4
+ 2 е -

На катоде :

PbO
2
+ 4 H + + SO
4
2− + 2 e -PbSO
4
+ 2 Н 2 О
Кислотный очиститель канализации можно использовать для растворения жира, волос и даже папиросной бумаги внутри водопроводных труб.

Общий:

Pb + PbO
2
+ 4 H + + 2 SO
4
2− ⇌ 2 PbSO
4
+ 2 Н 2 О

Бытовое использование [ править ]

Серная кислота в высоких концентрациях часто является основным ингредиентом кислотных очистителей канализации [11], которые используются для удаления жира , волос , папиросной бумаги и т. Д. Подобно их щелочным версиям , такие открыватели канализации могут растворять жиры и белки путем гидролиза . Кроме того, поскольку концентрированная серная кислота обладает сильным обезвоживающим свойством, она также может удалять папиросную бумагу в процессе обезвоживания. Поскольку кислота может бурно реагировать с водой, такие кислотные открыватели стока следует добавлять медленно в очищаемую трубу.

История [ править ]

Молекула серной кислоты Джона Дальтона 1808 года показывает центральный атом серы, связанный с тремя атомами кислорода, или триоксид серы , ангидрид серной кислоты.

Изучение купороса , категории стеклообразных минералов, из которых может быть получена кислота, началось в древние времена . У шумеров был список типов купороса, которые они классифицировали по цвету. Некоторые из самых ранних дискуссий о происхождении и свойствах купороса относятся к работам греческого врача Диоскорида (I век н.э.) и римского натуралиста Плиния Старшего (23–79 гг. Н.э.). Гален также рассказал о его медицинском применении. Металлургическое использование купоросных веществ было описано в эллинистических алхимических трудах Зосима из Панополиса , в трактате Phisica et Mystica и Лейденском папирусе X. [33]

Средневековые исламские химики, такие как Джабир ибн Хайян (умер ок. 806 - ок. 816 г. н.э., известный на латыни как Гебер), Абу Бакр аль-Рази (865 - 925 г. н.э., известный на латыни как Разес), Ибн Сина (980 - 1037 гг. , известный на латыни как Авиценна), и Мухаммад ибн Ибрахим аль-Ватват ( 1234–1318 гг. н.э.) включили купорос в свои списки классификации минералов. [34]

Средневековые европейские алхимики называли серную кислоту «купоросным маслом», потому что она была приготовлена ​​путем обжаривания «зеленого купороса» ( сульфата железа (II) ) в железной реторте . Первые смутные намеки на него появляются в работах Винсент Бове , в Композитум де Compositis приписываемого Санкт Альберт Великий , и в псевдо-Джабир «s Summa perfectionis (все тринадцатого века нашей эры). [35]

В семнадцатом веке немецко-голландский химик Иоганн Глаубер получил серную кислоту путем сжигания серы вместе с селитрой ( нитрат калия , KNO
3
), в присутствии пара. При разложении селитры окисляет серу до SO.
3
, который соединяется с водой с образованием серной кислоты. В 1736 году лондонский фармацевт Джошуа Уорд использовал этот метод, чтобы начать первое крупномасштабное производство серной кислоты.

В 1746 году в Бирмингеме Джон Робак адаптировал этот метод для производства серной кислоты в камерах со свинцовым покрытием, которые были более прочными, менее дорогими и могли быть больше, чем использовавшиеся ранее стеклянные емкости. Этот процесс позволил эффективно индустриализировать производство серной кислоты. После нескольких усовершенствований этот метод, названный процессом свинцовой камеры или «камерным процессом», оставался стандартом для производства серной кислоты в течение почти двух столетий. [3]

Серная кислота, созданная методом Джона Робака, приблизилась к концентрации 65%. Более поздние усовершенствования процесса свинцовой камеры французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком и британским химиком Джоном Гловером повысили концентрацию до 78%. Однако производство некоторых красителей и другие химические процессы требуют более концентрированного продукта. На протяжении 18 века это можно было получить только путем сухой перегонки минералов по методике, аналогичной первоначальным алхимическим процессам. Пирит (дисульфид железа, FeS
2
) нагревали на воздухе с получением сульфата железа (II) FeSO
4
, который окислился при дальнейшем нагревании на воздухе с образованием сульфата железа (III) , Fe 2 (SO 4 ) 3 , который при нагревании до 480 ° C разложился до оксида железа (III) и триоксида серы, которые могли проходить через вода для получения серной кислоты в любой концентрации. Однако стоимость этого процесса не позволила широко использовать концентрированную серную кислоту. [3]

В 1831 году британский торговец уксусом Перегрин Филлипс запатентовал контактный процесс , который был гораздо более экономичным способом производства триоксида серы и концентрированной серной кислоты. Сегодня почти вся серная кислота в мире производится этим методом. [36]

Безопасность [ править ]

Лабораторные опасности [ править ]

Капли 98% -ной серной кислоты мгновенно обугливают кусок папиросной бумаги. Углерод остается после реакции дегидратации, окрашивая бумагу в черный цвет.
Поверхностный химический ожог от двух брызг 98% серной кислоты (кожа предплечья)

Серная кислота способна вызвать очень тяжелые ожоги, особенно в высоких концентрациях . Как и другие коррозионные кислоты и щелочи , он легко разлагает белки и липиды путем гидролиза амидов и сложных эфиров при контакте с живыми тканями , такими как кожа и плоть . Кроме того, он обладает сильным дегидратирующим свойством на углеводах , высвобождая дополнительное тепло и вызывают вторичные термические ожоги . [6] [7]Соответственно, он быстро атакует роговицу и может вызвать необратимую слепоту при попадании на глаза . При проглатывании он необратимо повреждает внутренние органы и даже может быть смертельным. [5] Следовательно, всегда следует использовать защитное снаряжение при обращении с ним. Кроме того, его сильная окислительная способность делает его очень коррозионным по отношению ко многим металлам и может увеличивать его разрушение на других материалах. [6] По этим причинам серная кислота может наносить более серьезный ущерб, чем другие сопоставимые сильные кислоты , такие как соляная кислота и азотная кислота..

Серную кислоту необходимо осторожно хранить в емкостях из инертных материалов (например, из стекла). Растворы, равные или более сильные, чем 1,5 М, помечены как «КОРРОЗИОННЫЕ», а растворы с концентрацией больше 0,5 М, но меньше 1,5 М - «РАЗДРАЖАЮЩИЕ». Однако даже обычная лабораторная «разбавленная» марка (приблизительно 1 M, 10%) обугливает бумагу, если оставить ее в контакте в течение достаточного времени.

Стандартная процедура оказания первой помощи при попадании кислоты на кожу, как и в случае других коррозионных агентов , - орошение большим количеством воды. Промывание продолжается не менее десяти-пятнадцати минут, чтобы охладить ткань, окружающую кислотный ожог, и предотвратить вторичное повреждение. Загрязненную одежду немедленно снимают, а подлежащую кожу тщательно промывают.

Опасности разбавления [ править ]

Приготовление разбавленной кислоты может быть опасным из-за тепла, выделяемого в процессе разбавления. Чтобы избежать разбрызгивания, концентрированную кислоту обычно добавляют в воду, а не наоборот. Вода имеет более высокую теплоемкость, чем кислота, поэтому сосуд с холодной водой будет поглощать тепло при добавлении кислоты.

Кроме того, поскольку кислота более плотная, чем вода, она опускается на дно. Тепло выделяется на границе раздела между кислотой и водой, которая находится на дне сосуда. Кислота не кипит из-за более высокой температуры кипения. Теплая вода возле границы раздела поднимается из-за конвекции , которая охлаждает поверхность раздела и предотвращает кипение кислоты или воды.

Напротив, добавление воды к концентрированной серной кислоте приводит к образованию тонкого слоя воды поверх кислоты. Тепло, выделяемое в этом тонком слое воды, может закипать, что приведет к рассеиванию аэрозоля серной кислоты или, что еще хуже, к взрыву .

Приготовление растворов с концентрацией более 6 М (35%) наиболее опасно, поскольку выделяемого тепла может быть достаточно для кипячения разбавленной кислоты: необходимы эффективное механическое перемешивание и внешнее охлаждение (например, ледяная баня).

Скорость реакции удваивается примерно на каждые 10 градусов Цельсия повышения температуры . [37] Следовательно, по мере разбавления реакция будет становиться более бурной, если смеси не дать время остыть. Добавление кислоты в теплую воду вызовет бурную реакцию.

В лабораторных условиях серную кислоту можно разбавить, вылив концентрированную кислоту на колотый лед, сделанный из деионизированной воды. Лед тает в эндотермическом процессе, растворяя кислоту. Количество тепла, необходимое для плавления льда в этом процессе, превышает количество тепла, выделяемого при растворении кислоты, поэтому раствор остается холодным. После того, как весь лед растает, его можно разбавить водой.

Промышленные опасности [ править ]

Серная кислота негорючая.

Основные профессиональные риски, связанные с этой кислотой, - это контакт с кожей, ведущий к ожогам (см. Выше) и вдыхание аэрозолей. Воздействие аэрозолей в высоких концентрациях приводит к немедленному и серьезному раздражению глаз, дыхательных путей и слизистых оболочек: оно быстро прекращается после воздействия, хотя существует риск последующего отека легких, если повреждение тканей было более серьезным. При более низких концентрациях наиболее частым симптомом хронического воздействия аэрозолей серной кислоты является эрозия зубов, обнаруженная практически во всех исследованиях: по состоянию на 1997 г. признаки возможного хронического повреждения дыхательных путей неубедительны. может увеличить вероятность рака легких до 64 процентов. [38]В Соединенных Штатах допустимый предел воздействия (PEL) для серной кислоты установлен на уровне 1 мг / м 3 : ограничения в других странах аналогичны. Сообщалось о приеме внутрь серной кислоты, приводящем к дефициту витамина B12 с подострой комбинированной дегенерацией. В таких случаях чаще всего поражается спинной мозг, но зрительные нервы могут демонстрировать демиелинизацию , потерю аксонов и глиоз .

Правовые ограничения [ править ]

Международная торговля серной кислотой контролируется Конвенцией Организации Объединенных Наций о борьбе с незаконным оборотом наркотических средств и психотропных веществ 1988 года , в которой серная кислота включена в Таблицу II конвенции как химическое вещество, часто используемое при незаконном изготовлении наркотических средств или психотропных веществ. [39]

См. Также [ править ]

  • Царская водка
  • Диэтиловый эфир - также известный как «сладкое масло купороса».
  • Раствор пираньи
  • Оксокислота серы
  • Отравление серной кислотой

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Хейнс, Уильям М. (2014). CRC Справочник по химии и физике (95 изд.). CRC Press. С. 4–92. ISBN 9781482208689. Проверено 18 ноября 2018 .
  2. ^ a b c d Карманный справочник NIOSH по химической опасности. «# 0577» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  3. ^ a b c d Zumdahl, Стивен С. (2009). Химические принципы 6-е изд . Компания Houghton Mifflin. п. A23. ISBN 978-0-618-94690-7.
  4. ^ a b c «Серная кислота» . Немедленно опасная для жизни или здоровья концентрация (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  5. ^ a b c «Паспорт безопасности серной кислоты» (PDF) . arkema-inc.com . Архивировано из оригинального (PDF) 17 июня 2012 года. Прозрачная или мутная маслянистая жидкость без запаха, от бесцветной до слегка желтой.
  6. ^ a b c d "Серная кислота - использование" . Dynamicscience.com.au . Архивировано из оригинала 9 мая 2013 года .
  7. ^ a b "Рекомендации BASF по оказанию неотложной медицинской помощи - серная кислота (H2SO4)" (PDF) . Химическая компания BASF. 2012. Архивировано из оригинального (PDF) 14 июня 2019 года . Проверено 18 декабря 2014 .
  8. ^ a b Шенье, Филип Дж. (1987). Обзор промышленной химии . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. С.  45–57 . ISBN 978-0-471-01077-7.
  9. ^ Герман Мюллер "Серная кислота и триоксид серы" в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, Weinheim. 2000 DOI : 10.1002 / 14356007.a25_635
  10. ^ "Серная кислота" .
  11. ^ a b «Очиститель канализации на основе серной кислоты» (PDF) . herchem.com. Архивировано из оригинального (PDF) 29 октября 2013 года.
  12. ^ a b «Серная кислота» . Колумбийская энциклопедия (6-е изд.). 2009 . Проверено 16 марта 2010 года .
  13. ^ a b c «Серная кислота». Британская энциклопедия . 26 (11-е изд.). 1910–1911 гг. С. 65–69.
  14. ^ "Серная кислота" (PDF) . Определение нераковых Хронической Ссылочных уровней воздействия Batch 2B декабря 2001 года . 2001. Архивировано из оригинального (PDF) 22 мая 2003 года . Проверено 1 октября 2012 года .
  15. ^ "Серная кислота 98%" (PDF) . rhodia.com. 2009. Архивировано из оригинального (PDF) 7 января 2011 года . Проверено 2 июля 2014 .
  16. ^ a b c Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  17. ^ Консорциум местных органов образования по обеспечению научным оборудованием - ПАСПОРТЫ БЕЗОПАСНОСТИ СТУДЕНТОВ 22 Серная (VI) кислота
  18. ^ "Константы ионизации неорганических кислот" . .chemistry.msu.edu . Проверено 30 мая 2011 года .
  19. ^ серная кислота на кубиках сахара. Химический эксперимент 8. Старая версия . YouTube. Проверено 18 июля 2011 г.
  20. ^ Housecroft, Екатерина Е .; Шарп, Алан Г. (2008). «Глава 16: Группа 16 элементов». Неорганическая химия, 3-е издание . Пирсон. п. 523. ISBN 978-0-13-175553-6.
  21. ^ Кинни, Корлисс Роберт; Грей, В. Е. (1959). Реакции каменного угля с серной кислотой (PDF) . Государственный университет Пенсильвании. Архивировано из оригинального (PDF) 28 апреля 2017 года.
  22. ^ Кэри, Ф. А. "Реакции аренов. Электрофильное ароматическое замещение" . Он-лайн учебный центр по органической химии . Университет Калгари . Архивировано 6 июля 2008 года . Проверено 27 января 2008 года .CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  23. ^ Pelletreau, K .; Мюллер-Паркер, Г. (2002). «Серная кислота в феофитовой водоросли Desmarestia munda сдерживает питание морского ежа Strongylocentrotus droebachiensis». Морская биология . 141 (1): 1–9. DOI : 10.1007 / s00227-002-0809-6 . S2CID 83697676 . 
  24. ^ a b Kremser, S .; Томсон, LW (2016). «Стратосферный аэрозоль. Наблюдения, процессы и влияние на климат» (PDF) . Обзоры геофизики . 54 (2): 278–335. Bibcode : 2016RvGeo..54..278K . DOI : 10.1002 / 2015RG000511 .
  25. ^ Краснопольский, Владимир А. (2006). «Химический состав атмосферы и облаков Венеры: некоторые нерешенные проблемы». Планетарная и космическая наука . 54 (13–14): 1352–1359. Bibcode : 2006P & SS ... 54.1352K . DOI : 10.1016 / j.pss.2006.04.019 .
  26. ^ Орландо, TM; МакКорд, ТБ; Горюет, Джорджия (2005). «Химическая природа поверхностного материала Европы и связь с подземным океаном». Икар . 177 (2): 528–533. Bibcode : 2005Icar..177..528O . DOI : 10.1016 / j.icarus.2005.05.009 .
  27. ^ Джонс, Эдвард М. (1950). «Камерное производство серной кислоты». Промышленная и инженерная химия . 42 (11): 2208–2210. DOI : 10.1021 / ie50491a016 .
  28. ^ (Вред), Беннинга, Х. (1990). История производства молочной кислоты: глава в истории биотехнологии . Дордрехт [Нидерланды]: Kluwer Academic Publishers. п. 4. ISBN 9780792306252. OCLC  20852966 .
  29. ^ Давенпорт, Уильям Джордж и Кинг, Мэтью Дж. (2006). Производство серной кислоты: анализ, контроль и оптимизация . Эльзевир. стр. 8, 13. ISBN 978-0-08-044428-4. Проверено 23 декабря 2011 года .
  30. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 653. ISBN 978-0-08-037941-8.
  31. ^ Нго, Кристиан; Натовиц, Джозеф (2016). Наше энергетическое будущее: ресурсы, альтернативы и окружающая среда . Джон Вили и сыновья. С. 418–419. ISBN 9781119213369.
  32. ^ https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review05/pd27_pickard.pdf
  33. ^ Карпенко, Владимир; Норрис, Джон А. (2002). «Купорос в истории химии» . Chemické listy . 96 (12): 997–1005.
  34. ^ Карпенко & Norris 2002 , стр. 999-1000.
  35. Перейти ↑ Karpenko & Norris 2002 , pp. 1002-1004.
  36. Филип Дж. Шенье (1 апреля 2002 г.). Обзор промышленной химии . Springer. С. 28–. ISBN 978-0-306-47246-6. Проверено 23 декабря 2011 года .
  37. ^ Полинг, LC (1988) Общая химия , Dover Publications
  38. ^ Бомонт, JJ; Леветон, Дж; Нокс, К; Блум, Т; МакКвистон, Т; Янг, М; Goldsmith, R; Стинланд, Северная Каролина; Браун, Д.П .; Гальперин В.Е. (1987). «Смертность от рака легких у рабочих, подвергшихся воздействию тумана серной кислоты и других кислотных туманов». J Natl Cancer Inst . 79 (5): 911–21. DOI : 10.1093 / JNCI / 79.5.911 . PMID 3479642 . 
  39. Приложение к Форме D («Красный список») , 11-е издание, январь 2007 г. (стр. 4). Международный комитет по контролю над наркотиками . Вена, Австрия .

Внешние ссылки [ править ]

  • Международная карта химической безопасности 0362
  • Серная кислота в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
  • Карманный справочник NIOSH по химической опасности
  • CDC - Серная кислота - Тема безопасности и гигиены труда NIOSH
  • Паспорт безопасности внешнего материала
  • Калькуляторы: поверхностное натяжение , плотность, молярность и моляльность водного раствора серной кислоты.
  • Анализ серной кислоты - бесплатное ПО для титрования
  • Технологическая схема производства серной кислоты свинцово-камерным способом