Сернистая кислота с металлами. Химические элементы

Безводная серная кислота – тяжелая бесцветная маслянистая жидкость, растворяющаяся в воде в любых соотношениях. Она гигроскопичная, нелетучая, без запаха, не проводит электрический ток. При температуре 10,3 °C затвердевает, образуя кристаллы, похожие на лёд. Температура кипения составляет 296,2 °С, при дальнейшем повышении температуры она разлагается. Плотность 1,83 г/мл (200 °С). Это молекулярное вещество, относящееся к сильным двухосновным кислотам. Растворы SO 3 в серной кислоте называют олеумом, они образуют два соединения H 2 SO 4 SO 3 и H 2 SO 4 2SO 3 . Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции: Н 2 SO 4 + SO3=H2S2O7.

Химические свойства серной кислоты во многом зависят от её
концентрации. В лабораториях и промышленности применяют разбавленную и концентрированную серную кислоту, хотя это деление условно (четкую границу между ними провести нельзя).

Взаимодействие с металлами.

Разбавленная серная кислота взаимодействует с некоторыми металлами, например с железом, цинком, магнием, с выделением водорода:

Fe + H 2 SО 4 = FeSO 4 + H 2

Некоторые малоактивные металлы, такие как медь, серебро, золото, с разбавленной серной кислотой не реагируют.
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Она окисляет многие металлы. Продуктами восстановления кислоты
обычно является оксид серы (IV), сероводород и сера (H 2 S и S образуется в реакциях кислоты с активными металлами - магнием, кальцием, натрием, калием и др.).

Примеры реакций:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
Mg + 2H 2 SO 4 = MgSO 4 + SO 2 + 2H 2 O или
4Mg + 5H 2 SO 4 = 4MgSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
Серная кислота высокой концентрации (практически безводная) не взаимодействует с железом в результате пассивации металла. Явление пассивации связано с образованием на поверхности металла прочной сплошной пленки, состоящей из оксидов или других любых соединений, которая препятствует контакту металла с кислотой. Благодаря пассивации можно перевозить и хранить концентрированную серную кислоту в стальной таре. Концентрированная серная кислота пассивирует также алюминий, никель, хром, титан.
Взаимодействие с неметаллами.
Концентрированная серная кислота может окислять неметаллы, например:

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O

Окислительные свойства концентрированной серной кислоты могут также проявляться с некоторыми сложными веществами – восстановителями, например:

2KBr + 2H 2 SO 4 = Br 2 + SO 2 + K 2 SO 4 + 2H 2 O

Взаимодействие с основными оксидами и основаниями.
Серная кислота проявляет все типичные свойства кислот. Так, она реагирует с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей. Как двухосновная кислота H 2 SO 4 образует два типа солей: средние соли – сульфаты и кислые соли – гидросульфаты.
Примеры реакций:

Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O
сульфат алюминия

2KOH + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + 2H 2 O
сульфат калия
KOH + H 2 SO 4 = KHSO 4 + H 2 O
гидросульфат калия

Гидросульфаты образуются, когда кислота берётся в избытке. Многие соли серной кислоты выделяются из растворов виде кристаллогидратов, например:Al 2 (SO 4) 3 ∙18H 2 O;Na 2 SO 4 ∙ 10H 2 O

Взаимодействие с солями.
С некоторыми солями кислота вступает в реакции обмена, например:

CaCO 3 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + CO 2 + H 2 O
BaCl 2 + H 2 SO 4 = ВаSO 4 + 2HCl

Последняя реакция является качественной на серную кислоту и ее соли: об их присутствии в растворе судят по образованию белого осадка BaSO 4 , который практически не растворяется в концентрированной азотной кислоте.
Взаимодействие с водой.
При растворении в воде серная кислота активно взаимодействует с ней образуя гидраты:

NH 2 O + H 2 SO 4 = H 2 SO 4 ∙ nH 2 O

где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Благодаря способности связывать воду серная кислота является хорошим осушителем.

Схема применения серной кислоты

Рис. Основные направления использования серной кислоты

Основные способы получения серной кислоты – контактный, с использованием твердых катализаторов (контактов), и нитрозный - с оксидами азота.

ОВР в статье специально выделены цветом. Обратите на них особое внимание. Эти уравнения могут попасться в ЕГЭ.

Разбавленная серная ведет себя, как и остальные кислоты, окислительные свои возможности прячет:

И еще, что надо помнить про разбавленную серную кислоту : она не реагирует со свинцом . Кусок свинца, брошенный в разбавленную H2SO4 покрывается слоем нерастворимого (см. таблицу растворимости) сульфата свинца и реакция моментально прекращается.

Окислительные свойства серной кислоты

– тяжелая маслянистая жидкость, не летучая, не имеет вкуса и запаха

За счет серы в степени окисления +6(высшей) серная кислота приобретает сильные окислительные свойства.

Правило для задания 24 (по-старому А24) при приготовлении растворов серной кислоты никогда нельзя в нее лить воду . Концентрированую серную кислоту нужно тонкой струйкой вливать в воду, постоянно помешивая.

Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами

Эти реакции строго стандартизированны и идут по схеме:

H2SO4(конц.) + металл → сульфат металла + H2O + продукт восстановленной серы.

Есть два нюанса:

1) Алюминий, железо и хром с H2SO4 (конц) в нормальных условиях не реагируют, из-за пассивации. Нужно нагреть.

2) С платиной и золотом H2SO4 (конц) не реагирует вообще.

Сера в концентрированной серной кислоте – окислитель

значит, сама будет восстанавливаться;
то, до какой степени окисления будет восстанавливаться сера, зависит от металла.

Рассмотрим диаграмму степеней окисления серы :

До -2 серу могут восстановить только очень активные металлы — в ряду напряжений до алюминия включительно .

Реакции будут идти вот так:

8Li + 5H 2 SO 4( конц .) → 4Li 2 SO 4 + 4H 2 O + H 2 S

4Mg + 5H 2 SO 4( конц .) → 4MgSO 4 + 4H 2 O + H 2 S

8Al + 15H 2 SO 4( конц .) (t)→ 4Al 2 (SO 4 ) 3 + 12H 2 O + 3H 2 S

при взаимодействии H2SO4 (конц) с металлами в ряду напряжений после алюминия, но до железа , то есть с металлами со средней активностью сера восстанавливается до 0 :

3Mn + 4H 2 SO 4( конц .) → 3MnSO 4 + 4H 2 O + S↓

2Cr + 4H 2 SO 4( конц .) (t)→ Cr 2 (SO 4 ) 3 + 4H 2 O + S↓

3Zn + 4H 2 SO 4( конц .) → 3ZnSO 4 + 4H 2 O + S↓

все остальные металлы, начиная с железа в ряду напряжений (включая те, что после водорода, кроме золота и платины, конечно), могут восстановить серу только до +4. Так как это малоактивные металлы:

2 Fe + 6 H 2 SO 4(конц.) ( t )→ Fe 2 ( SO 4 ) 3 + 6 H 2 O + 3 SO 2

(обратите внимание, что железо окисляется до +3, до максимально возможной, высшей степени окисления, так как оно имеет дело с сильным окислителем)

Cu + 2H 2 SO 4( конц .) → CuSO 4 + 2H 2 O + SO 2

2Ag + 2H 2 SO 4( конц .) → Ag 2 SO 4 + 2H 2 O + SO 2

Конечно, все относительно. Глубина восстановления будет зависеть от многих факторов: концентрации кислоты (90%, 80%, 60%), температуры и т.д. Поэтому совсем уж точно предсказать продукты нельзя. Приведенная выше таблица тоже имеет свой процент приблизительности, но пользоваться ей можно. Еще необходимо помнить, что в ЕГЭ, когда продукт восстановленной серы не указан, и металл не отличается особой активностью, то, скорее всего, составители имеют в виду SO 2 . Нужно смотреть по ситуации и искать зацепки в условиях.

SO 2 – это вообще частый продукт ОВР с участием конц. серной кислоты.

H2SO4 (конц) окисляет некоторые неметаллы (которые проявляют восстановительные свойства), как правило, до максимальной — высшей степени окисления (образуется оксид этого неметалла). Сера при этом тоже восстанавливается до SO 2:

C + 2H 2 SO 4( конц .) → CO 2 + 2H 2 O + 2SO 2

2P + 5H 2 SO 4( конц .) → P 2 O 5 + 5H 2 O + 5SO 2

Свежеобразованный оксид фосфора (V ) реагирует с водой, получается ортофосфорная кислота. Поэтому реакцию записывают сразу:

2P + 5H 2 SO 4( конц ) → 2H 3 PO 4 + 2H 2 O + 5SO 2

То же самое с бором, он превращается в ортоборную кислоту:

2B + 3H 2 SO 4( конц ) → 2H 3 BO 3 + 3SO 2

Очень интересны взаимодействие серы со степенью окисления +6 (в серной кислоте) с «другой» серой (находящейся в другом соединении). В рамках ЕГЭ рассматривается взаимодействиеH2SO4 (конц) с серой (простым веществом) и сероводородом .

Начнем с взаимодействия серы (простого вещества) с концентрированной серной кислотой . В простом веществе степень окисления 0, в кислоте +6. В этой ОВР сера +6 будет окислять серу 0. Посмотрим на диаграмму степеней окисления серы:

Сера 0 будет окисляться, а сера +6 будет восстанавливаться, то есть понижать степень окисления. Будет выделяться сернистый газ:

2 H 2 SO 4(конц.) + S → 3 SO 2 + 2 H 2 O

Но в случае с сероводородом:

Образуется и сера (простое вещество), и сернистый газ:

H 2 SO 4( конц .) + H 2 S → S↓ + SO 2 + 2H 2 O

Этот принцип часто может помочь в определении продукта ОВР, где окислитель и восстановитель – один и тот же элемент, в разных степенях окисления. Окислитель и восстановитель «идут навстречу друг другу» по диаграмме степеней окисления.

H2SO4 (конц) , так или иначе, взаимодействует с галогенидами . Только вот тут надо понимать, что фтор и хлор – «сами с усами» и с фторидами и хлоридами ОВР не протекает , проходит обычный ионно-обменный процесс, в ходе которого образуется газообразный галогеноводород:

CaCl 2 + H 2 SO 4( конц .) → CaSO 4 + 2HCl

CaF 2 + H 2 SO 4( конц .) → CaSO 4 + 2HF

А вот галогены в составе бромидов и иодидов (как и в составе соответствующих галогеноводородов) окисляются ей до свободных галогенов. Только вот сера восстанавливается по-разному: иодид является более cильным восстановителем, чем бромид. Поэтому иодид восстанавливает серу до сероводорода, а бромид до сернистого газа:

2H 2 SO 4( конц .) + 2NaBr → Na 2 SO 4 + 2H 2 O + SO 2 + Br 2

H 2 SO 4( конц .) + 2HBr → 2H 2 O + SO 2 + Br 2

5H 2 SO 4( конц .) + 8NaI → 4Na 2 SO 4 + 4H 2 O + H 2 S + 4I 2 ↓

H 2 SO 4( конц .) + 8HI → 4H 2 O + H 2 S + 4I 2 ↓

Хлороводород и фтороводород (как и их соли) устойчивы к окисляющему действию H2SO4 (конц).

И наконец, последнее: для концентрированной серной кислоты это уникально, больше никто так не может. Она обладает водоотнимающим свойством .

Это позволяет использовать концентрированную серную кислоту самым разным образом:

Во-первых, осушение веществ. Концентрированная серная кислота забирает воду от вещества и оно «становится сухим».

Во-вторых, катализатор в реакциях, в которых отщепляется вода (например, дегидратация и этерификация):

H 3 C–COOH + HO–CH 3 (H 2 SO 4 (конц.) )→ H 3 C–C(O)–O–CH 3 + H 2 O

H 3 C–CH 2 –OH (H 2 SO 4 (конц.) )→ H 2 C =CH 2 + H 2 O

Серная кислота - сильная двухосновная кислота, при н.у. маслянистая жидкость без цвета и запаха.

Обладает выраженным дегидратационным (водоотнимающим) действием. При попадании на кожу или слизистые оболочки приводит к тяжелым ожогам.

Замечу, что существует олеум - раствор SO 3 в безводной серной кислоте, дымящее жидкое или твердое вещество. Олеум применяется при изготовлении красителей, органическом синтезе и в производстве серной кислот.

Получение

Известны несколько способов получения серной кислоты. Применяется промышленный (контактный) способ, основанный на сжигании пирита, окислении образовавшегося SO 2 до SO 3 и последующим взаимодействием с водой.

FeS 2 + O 2 → (t) Fe 2 O 3 + SO 2

SO 2 + O 2 ⇄ (кат. - V 2 O 5) SO 3

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4

Нитрозный способ получения основан на взаимодействии сернистого газа с диоксидом азота IV в присутствии воды. Он состоит из нескольких этапов:

В окислительной башне смешивают оксиды азота (II) и (IV) с воздухом:

1. NO + O 2 → NO 2

Смесь газов подается в башни, орошаемые 75-ной% серной кислотой, здесь смесь оксидов азота поглощается с образованием нитрозилсерной кислоты:

2. NO + NO 2 + 2H 2 SO 4 = 2NO(HSO 4) + H 2 O

В ходе гидролиза нитрозилсерной кислоты получают азотистую кислоту и серную:

3. NO(HSO 4) + H 2 O = H 2 SO 4 + HNO 2

В упрощенном виде нитрозный способ можно записать так:

NO 2 + SO 2 + H 2 O = H 2 SO 4 + NO

Химические свойства

Серная кислота - одна из сильнейших кислот, представляющая собой маслянистую жидкость. Химические свойства серной кислоты позволяют широко применять её в промышленности.

Общее описание

Серная кислота (H 2 SO 4) обладает характерными свойствами кислот и является сильным окислителем. Это наиболее активная неорганическая кислота с температурой плавления 10°C. Кислота закипает при 296°C с выделением воды и оксида серы SO 3 . Способна поглощать пары воды, поэтому её используют для осушения газов.

Рис. 1. Серная кислота.

Серную кислоту получают промышленным путём из диоксида серы (SO 2), который образуется при горении серы или серного колчедана. Два основных способа образования кислоты:

контактный (концентрация 94 %) - окисление диоксида серы до трёхокиси серы (SO 3) с последующим гидролизом:
2SO 2 + O 2 → 2SO3; SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 ;
нитрозный (концентрация 75 %) - окисление диоксидом азота диоксида серы при взаимодействии воды:
SO 2 + NO 2 + H 2 O → H 2 SO 4 + NO.

Раствор SO 3 в серной кислоте называется олеумом. Его также используют для получения серной кислоты.

Рис. 2. Процесс получения серной кислоты.

Реакция с водой способствует выделению большого количества тепла. Поэтому к воде примешивают кислоту, а не наоборот. Вода легче кислоты, она остаётся на поверхности. Если добавить воду в кислоту, вода мгновенно закипит, что приведёт к разбрызгиванию кислоты.

Свойства

Серная кислота образует два вида солей:

кислые - гидросульфаты (NaHSO 4 , KHSO 4);
средние - сульфаты (BaSO 4 , CaSO 4).

Химические свойства концентрированной серной кислоты представлены в таблице.

*Реакция*	*Что образуется*	*Пример*
С металлами	Оксид серы; Сероводород	С активными: 2H 2 SO 4 + Mg → MgSO 4 + SO 2 + 2H 2 O С металлами средней активности: 4H 2 SO 4 + 2Cr → Cr 2 (SO 4) 3 + 4H 2 O + S; С малоактивными: 2H 2 SO 4 + Cu → CuSO 4 + SO 2 + 2Н 2 О
С неметаллами	Кислота; Оксид серы	2P + 5H 2 SO 4 → 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O
С оксидами	Оксид серы	Металлов: H 2 SO 4 + CuO → CuSO 4 + H 2 O; Неметаллов: H 2 SO 4 + CO → CO 2 + SO 2 + H 2 O
С основаниями		H 2 SO 4 + 2NaOH → Na 2 SO 4 + 2H 2 O
	Углекислый газ; Кислота	Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O Качественная реакция: H 2 SO 4 + BaCl 2 → BaSO 4 (белый осадок) + 2HCl
Окисление сложных веществ	Свободные галогены; Оксид серы;	H 2 SO 4 + 2HBr → Br 2 + SO 2 + 2H 2 O; H 2 SO 4 + 2HI → I 2 + 2H 2 O + SO 2
Обугливание сахаров (целлюлозы, крахмала, глюкозы)	Оксид серы; Углекислый газ;	C 6 H 12 O 6 + 12H 2 SO 4 → 18H 2 O + 12SO 2 + 6CO 2

Рис. 3. Реакция с сахаром.

Разбавленная кислота не окисляет малоактивные металлы, стоящие в электрохимическом ряду после водорода. При взаимодействии с активными металлами (литием, калием, натрием, магнием) выделяется водород и образуется соль. Концентрированная кислота проявляет окислительные свойства с тяжёлыми, щелочными и щелочноземельными металлами при нагревании. Отсутствует реакция с золотом и платиной.

Серная кислота (разведённая и концентрированная) на холоде не взаимодействует с железом, хромом, алюминием, титаном, никелем. Благодаря пассивации металлов (образования защитной оксидной плёнки) серную кислоту можно перевозить в металлических цистернах. Оксид железа разрушается при нагревании.

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали о свойствах серной кислоты. Это мощный окислитель, вступающий в реакции с металлами, неметаллами, органическими соединениями, солями, основаниями, оксидами. При взаимодействии с водой выделяется тепло. Получают серную кислоту из оксида серы. Концентрированная кислота без нагревания не взаимодействует с некоторыми металлами, что позволяет перевозить кислоту в металлической таре.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 150.

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 .

Возможно, будет полезно почитать: