Се́рная кислота́ H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях — 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: H₂O < 1, то это водный раствор серной кислоты, если > 1, — раствор SO₃ в серной кислоте.
Физические и физико-химические свойства[]
Серная кислота в реальной жизни
Молекулярная масса 98,082 г/моль; бесцветная маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, при 18℃ pKa₁ −2,8, К₂ 1,2 10², pKa₂ 1,92; 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 % H₂O с температурой кипения 338,8℃). 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 SO₃ в cерной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H₂SO₄·SO₃ и H₂SO₄·2SO₃. Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции:
- H₂SO₄ + SO₃ → H₂S₂O₇.
Температура кипения водных растворов cерной кислоты повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H₂SO₄.
| Содержание % по массе | Плотность при 20℃, г/см³ | Температура кристаллизации, ℃ | 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 cерной 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:
- lgp(Па) = A — B/T + 2,126,
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 cерной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.
С повышением температуры усиливается диссоциация H₂SO₄ ↔ H₂O + SO₃ — Q, уравнение температурной зависимости константы равновесия lnKp = 14,74965 − 6,71464ln(298/T) — 8,10161·10⁴T² — 9643,04/T — 9,4577·10⁻³T + 2,19062·10⁻⁶T². При нормальном давлении степень диссоциации: 10⁻⁵ (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К). Плотность 100%-ной cерной кислоты можно определить по уравнению: d = 1,8517 − 1,1·10⁻³t + 2·10⁻⁶t² г/см³. 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: λ = 0,518 + 0,0016t — (0,25 + t/1293)·С/100, где С-концентрация серной кислоты, в %. Максимальнаую 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; окисляет HI и частично НВr 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 H₂. Из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H₂SO₄ взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, с выделением H₂. Окислительные свойства для разбавленной H₂SO₄ нехарактерны. Серная кислота дает 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 используется в качестве эмульгатора (пищевая добавка E513).
- В промышленном органическом синтезе в реакциях:
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 — чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. ПДК 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 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.
Получение серной кислоты[]
Полная статья: производство серной кислоты.
Стандарты[]
- Кислота серная техническая ГОСТ 2184—77
- Реактивы. Кислота серная. Технические условия ГОСТ 4204—77
Литература[]
- Справочник сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971;
ar:حمض كبريتيك
bg:Сярна киселина
bs:Sumporna kiselina
ca:Àcid sulfúric
cs:Kyselina sírová
da:Svovlsyre
de:Schwefelsäure
en:Sulfuric acid
es:Ácido sulfúrico
et:Väävelhape
fi:Rikkihappo
fr:Acide sulfurique
gl:Ácido sulfúrico
he:חומצה גופרתית
hu:Kénsav
id:Asam sulfat
is:Brennisteinssýra
it:Acido solforico
ja:硫酸
ko:황산
la:Acidum sulphuricum
lt:Sieros rūgštis
lv:Sērskābe
ms:Asid sulfurik
nds:Swevelsüür
nl:Zwavelzuur
nn:Svovelsyre
no:Svovelsyre
pl:Kwas siarkowy(VI)
pt:Ácido sulfúrico
simple:Sulfuric acid
sk:Kyselina sírová
sl:Žveplova kislina
sr:Сумпорна киселина
sv:Svavelsyra
th:กรดกำมะถัน
uk:Сульфатна кислота
vi:Axít sulfuric
zh:硫酸