Сульфатна кислота

Сульфатна кислота
Інші назви	Купоросное масло
Ідентифікатори
Номер CAS	7664-93-9
Властивості
Молекулярна формула	H2SO4
Молярна маса	98,08 г/моль
Зовнішній вигляд	Зовнішній Вигляд
Густина	1,8356 г/см³
Тпл	10,38 °C
Ткип	279,6 °C
Небезпеки
Класифікація ЄС	C N; T
S-фрази	Шаблон:(S1/2) S26 Шаблон:S30 Шаблон:S45
	Якщо не зазначено інше, дані приведені для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
	Інструкція з використання шаблону
	Примітки картки

Сульфатна кислота (сірчана кислота, IUPAC — дигідрогенсульфат, застаріла назва — купоросне масло) — сполука сірки з формулою H₂S O₄.Безбарвна масляниста, дуже в'язка і гігроскопічна рідина.Сірчана кислота одна з найсильніших неорганічних кислот і є дуже їдкою та небезпечною. Ця кислота утворює два ряди солей: сульфати і гідрогенсульфати, в яких у порівнянні з сульфатною кислотою замінюються один або два аніони гідрогену на катіони металів.Сірчана кислота є однією з найважливіших технічних речовин у світі і лідирує за кількостю виробництва.Вона в основному використовується для виробництва добрив і інших неорганічних кислот. В основному використовуються водні розчини цієї кислоти.

Зміст

1 Історія
2 Знаходження в природі
- 2.1 Земля
- 2.2 Знаходження поза межами землі
3 Виробництво
4 Фізичні властивості
5 Хімічні властивості
6 Застосування
- 6.1 Електроліт
- 6.2 Каталізатор
7 Безпека
8 Примітки

Історія [ред.]

Джабір ібн Хайян

Сульфатна кислота (або стара назва — купоросне масло) була відома з давніх часів. Перші згадки про неї можна знайти в текстах алхіміка Джабіра ібн Хайяна 8-го століття.Можливі методи виробництва описані в працях Альберта Великого (1200–1280) і Василя Валентина (1600).В основі цього методу лежить утворення кислоти з хальканинту, та галунів.Застаріла назва походить від застарілої назви мінералів з яких вона отримувалася — купороси. Перші наукові дослідження, за допомогою сірчаної кислоти провів Йоганн Рудольф Ґляубер. Він провів реакцію між сірчаною кислотою і сіллю та отримав соляну кислоту і сіль яка була названа на його честь — глауберова сіль^[1] . Методи, у яких були використані сульфати, були дуже складними і дорогими. Для отримання великих кількостей цієї речовини, в 18-му столітті, розробили процес, в якому було використовувалося спалення сірки і селітри у скляній тарі. Так як скляні посудини були дуже крихкими, то перша реакція була проведена в 1746 році Джоном Робаком, у свинцевих контейнерах. Сірчана кислота створених процесом Джона Робака мала концентрацію тільки 35-40%. Пізніше поліпшення методу, французьким хіміком Жозефом Луї Гей-Люссаком і англійськім Джоном Гловером, дало вихід речовини 78% концентрації. Тим не менше, виробництво деяких барвників та інших хімічних речовин вимагають більш концентрований продукт. Протягом 18-го століття, сірчана кислота отримувалася сухою перегонкою мінералів, процес схожий на оригінальні алхімічні процеси. Пірит (дисульфід заліза, FeS₂) нагрівали в повітрі для отримання заліза(II)сульфат, FeSO₄, який окислюється при подальшому нагріванні до заліза(III)сульфат Fe₂(SO₄)₃, який, при нагріванні до 480 ° С, розкладається до заліза(III)оксид і триоксида сірки, який може бути використаний для отримання сірчаної кислоти в будь-якої концентрації. У 1831 році британський купець Перегрін Філліпс запатентував контактний процес, який був набагато більш економічний. Сьогодні, майже вся сірчана кислота у світі виробляється з використанням цього методу.

Знаходження в природі [ред.]

Земля [ред.]

Ліс пошкоджений кислотним дощем

Вільна сірчана кислота зустрічається в природі дуже рідко. В атмосфері вона утворюється з діоксиду сірки, який утворюється при згоранні сірковмісних речовин або вулканічних вивержень. Діоксид сірки окислюється гідроксильними радикалами та киснем з утворенням триоксиду сірки, який вступаючи в реакцію з атмосферною вологою утворює кислоту. У кислотних дощах вона виступає в розбавленому виді. Невелику кількість вільної сірчаної кислоти також можна знайти в деяких вулканічних джерелах, які називаються сольфатари. Найбільшу кількість сірчаної кислоти у світі містить озеро в кратері вулкана Іджен в Індонезії. На відміну від вільної кислоти, її солі, зокрема, сульфати, зустрічається в природі набагато частіше. Існує багато різних мінералів сульфатів. Серед них найвідомішими й найважливішими є гіпс (CaSO₄ · 2 H₂O), барит (BaSO₄), Халькантит (CuSO₄ · 5 H₂O) і глауберова сіль (Na₂SO₄ · 10 H₂O).

Знаходження поза межами землі [ред.]

Темні хмари сірчаної кислоти в атмосфері Венери, сфотографовані космічним апаратом Галілео.

Сірчана кислота знаходиться за межами Землі в верхніх шарах атмосфери Венери. Вона утворюється в результаті фотохімічних реакцій діоксиду сірки і води, які утворюють краплі 80-85% кислоти. У більш глибоких шарах, кислота розпадається через високі температури знову на діоксид сірки, і воду, які піднімаючись догори знову можуть утворювати сірчану кислоту.^[2] Інфрачервоні спектри які були отримані апаратом Галілео показують різні ступені поглинань на супутнику Юпітера, які були віднесені до одного або кількох видів гідратів сульфатної кислоти.^[3]

Виробництво [ред.]

Виробництво сірчаної кислоти по країнам 1970–2003 роки

Сировиною для виробництва сірчаної кислоти є елементарна сірка яку отримують в величезних кільскостях на нафто- та газовопереробних заводах, з сірководню, за допомогою процесу, який відомий як процес Клауса. Потім сірку оксилюють до діоксиду сірки:

$\mathrm{S + O_2 \longrightarrow SO_2}$

Реакція сірки з киснем

Ще одним джерелом діоксиду сірки є виплавлення руд, що містять сірку. Прикладами є мідні, цинкові і свинцові сульфіди. Діоксид сірки утворюється при випаленні з киснем повітря.

$\mathrm{2\ ZnS + 3\ O_2 \longrightarrow 2\ ZnO + 2\ SO_2}$

Реакція під час випалу сульфіду цинку

У 1999 році в Європі було випалено близько 3 млн тонн піриту для виробництва сульфатної кислоти. В Азії ця цифра більша, оскільки і запаси його більші.^[4] Для бідних ресурсами країнах, які не мають ні сірки, ні сульфідних руд, існує процес Мюллера-Кюне. В цьому процесі діоксид сірки утворюється при випаленні гіпсу і вугілля в печі. Цей процес можна зробити прибутковішим, якщо в піч додавати пісок і глину для утворення цементу як побічного продукту. Для подальшого виробництва потребується сірчаний ангідрид. Прямої реакції діоксиду сірки і кисню в триоксид сірки не існує, так як рівновага лежить на стороні триоксида сірки. Тому для проведення цієї реакції потрібні каталізатори.

$\mathrm{2 \ SO_2 + O_2 \ \rightleftharpoons \ 2 \ SO_3}$

Окиснення діоксиду сірки до триоксиду

Триоксид сірки не розбавляється у воді відразу ж. Спочатку його вводять у концентровану сірчану кислоту, цей розчин називають — олеумом. Потім олеум розчиняють у воді до утворення сірчаної кислоти.

$\mathrm{SO_3 + H_2SO_4 \longrightarrow H_2S_2O_7}$

Розчинення сірчаного ангідриту в концентрованій сірчаній кислоті з утворення дисульфатної кислоти

$\mathrm{H_2S_2O_7 + H_2O \longrightarrow 2\ H_2SO_4}$

Розчинення дисульфатної кислоти у воді

В останні роки виробництво сірчаної кислоти зросло в основному в Китаї, у той час як в європейських країнах, виробництво скоротилося.

Фізичні властивості [ред.]

Майже вся 99% сірчана кислота втрачає SO₃ при кипінні з утворенням 98,3% кислоти. 98% кислота є стабільнішою при зберіганні, і зазвичай також називається концентрованою. Інші концентрації використовуються для різних цілей. Дані про різні концентрації:

Масова частка H₂SO₄	Щільність (кг/л)	Концентрація (моль/л)	Назва
10%	1,07	~1	Розведена сульфатна кислота
29-32%	1,25-1,28	4,2-5	акумуляторна кислота (використовується в свинцево-кислотних акумуляторних батареях)
62-70%	1,52-1,60	9,6-11,5	Фотопаратна кислота Добривна кислота
78-80%	1,70-1,73	13,5-14	Вежова кислота Гловерова кислота
95-98%	1,83	~18	Концентрована сульфатна кислота

Хімічно чиста сульфатна кислота являє собою важку безбарвну маслянисту рідину. Продається звичайно її 96,5% — ий водний розчин густиною 1,84 г/см³ або так званий «олеум», тобто розчин SO₃ в H₂SO₄. У воді H₂SO₄ розчиняється дуже добре (змішується з водою в необмежених кількостях). При цьому виділяється тепло, і розчин дуже сильно нагрівається (навіть до кипіння води). Тому при додаванні води до концентрованої сульфатної кислоти остання розбризкується внаслідок швидкого перетворення води в пару. Через це при розведенні концентрованої H₂SO₄ треба кислоту вливати у воду (а не навпаки!) тонким струменем при старанному розмішуванні розчину скляною паличкою. Концентрована сульфатна кислота як і чиста вода погано проводить струм внаслідок малої дисоціаціїї, питома електропровідність 1,044 · 10⁻² S/см

Хімічні властивості [ред.]

Дисоціація у водному розчині йде в декілька етапів:

$\mathrm{H_2SO_4 + H_2O \longrightarrow HSO_4^- + H_3O^+}$

Перший етап дисоціації;K₁ = 2.4 x 10⁶ (сильна кислота)

Це значення кислотності взяте як основне при визначені суперкислот.

$\mathrm{HSO_4^- + H_2O \longrightarrow SO_4^{2-} + H_3O^+}$

Друга стадія дисоціаціїї;K₁ = 1.0 x 10⁻²

Обвуглення паперу сірчаною кислотою

Сульфатна кислота руйнує також багато органічних речовин, зокрема вуглеводи — дерево, папір, бавовняні тканини, цукор тощо. Руйнування цих речовин обумовлюється тим, що концентрована сульфатна кислота віднімає від них водень і кисень у вигляді води, а вуглець залишається у вигляді пористого вугілля. При дії розведеної сульфатної кислоти на метали, які у електрохімічному ряді активності металів розташовані ліворуч водню, виділяється водень. Концентрована сірчана кислота має сильний окислювальний ефект і здатна реагувати, при нагріванні, навіть з благородними металами, такими як мідь, ртуть і срібло, хоча при цьому вона не взаємодіє з залізом. Тому для перевезення концентрованої сульфатної кислоти використовуються залізні цистерни.

$\mathrm{Cu + 2\ H_2SO_4 \longrightarrow CuSO_4 + SO_2 + 2\ H_2O}$

Реакція міді з концентрованою сульфатною кислотою

Застосування [ред.]

Сірчана кислота є дуже важливим товаром хімічної промисловості і є індикатором її промислової потужності.^[5] Світове виробництво в 2004 році склало близько 180 млн тон, при наступному географічному розподілі: Азія 35%, Північна Америка 24%, Африка 11%, Західна Європа 10%, Східна Європа і Росія 10%, Австралія і Океанія 7%, Південна Америка 7%.^[6] Більша частина виробленої кислоти (~ 60%) витрачається на виробництво добрив, суперфосфату фосфату амонію,сульфатів, сульфату амонію. Близько 20% використовується в хімічній промисловості для виробництва миючих засобів, синтетичних смол, барвників, фармацевтичних препаратів, інсектицидів, антифризу, а також для різних технічних процесів. Близько 6% використовують для виробництва пігментів, фарб, емалей, типографських фарб. Використовується також як осушувач газів.

Електроліт [ред.]

Сірчана кислота діє як електроліт в свинцево-кислотних акумуляторах:

На аноді:

Pb + 3 SO2−4 ⇌ PbSO₄ + 2 e⁻

На катоді:

PbO₂ + 4 H⁺ + SO2−4 + 2 e⁻ ⇌ PbSO₄ + 2 H₂O

Загалом:

Pb + PbO₂ + 4 H⁺ + 2 SO2−4 ⇌ 2 PbSO₄ + 2 H₂O

Каталізатор [ред.]

Сірчана кислота використовується, також, для інших цілей в хімічній промисловості. Наприклад, вона є кислотним каталізатором для перетворення циклогексанону оксиму в капролактам, який використовується для виготовлення нейлону. Вона використовується для виготовлення соляної кислоти з солі. Сульфатна кислота використовується в нафтопереробній промисловості, в якості каталізатора реакції ізобутану з ізобутилену, для утворення ізооктану, з'єднання, що підвищує октанове число бензину.

Безпека [ред.]

Сірчана кислота дуже їдка. Окрім звичайних властивостей сильної кислоти, вона має корозійні властивості, які виявляються у високо екзотермічній реакції з водою (тобто її зневодненні власності). Опіки від сірчаної кислоти потенційно небезпечніші, ніж від інших сильних кислот (соляної, азотної кислот), так як вона не тільки викликає опік, а й вторинний термічний опік, який створює додаткові пошкодження тканин за рахунок тепла, яке виділяється в результаті реакції з водою. Якщо занурити шматки м'язів тварин в концентровану сірчану кислоту, тканини розчиняться і весь розчин стане прозорим або чорними, в результаті виділення вуглецю. Ця реакція іноді використовується для демонстрації корозійних властивостей кислоти. Крім того, сірчана кислота у високих концентраціях є сильним окислювачем, і повинна зберігатися дуже ретельно.

Примітки [ред.]

↑ Walter Jansen: Zum Gedenken: Johann Rudolph Glauber, in: Chemikon, 2004, 11, 3, S. 155; doi:10.1002/ckon.200490022.
↑ V. A. Krasnopolsky, V. A. Parshev: Chemical composition of the atmosphere of Venus, in: Nature, 1981, 292, S. 610-613; doi:10.1038/292610a0.
↑ Orlando T. M. The chemical nature of Europa surface material and the relation to a subsurface ocean // Icarus (journal). — Т. 177. — (2005) (2) С. 528–533. DOI:10.1016/j.icarus.2005.05.009.
↑ E. R. Riegel und J. A. Kent: Riegel's Handbook of Industrial Chemistry. Springer 2003. ISBN 0-306-47411-5, S. 503.
↑ Chenier, Philip J. (1987). Survey of Industrial Chemistry. New York: John Wiley & Sons. с. 45–57. ISBN 0471010774.
↑ Davenport, William George and King, Matthew J. (2006). Sulfuric acid manufacture: analysis, control and optimization. Elsevier. с. 8, 13. ISBN 978-0-08-044428-4. Процитовано 23 December 2011.