Сулфатна киселина: формула и химични свойства

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 17:41

Една от първите минерални киселини, станали известни на човека, е сярната или сулфатната. Не само тя самата, но и много от нейните соли са били използвани в строителството, медицината, хранително-вкусовата промишленост и за технически цели. Досега нищо не се е променило в това отношение. Редица характеристики, които притежава сулфатната киселина, я правят просто незаменима в химичния синтез. Освен това неговите соли се използват в почти всички сектори на бита и индустрията. Затова ще разгледаме подробно какво представлява и какви са характеристиките на проявените свойства.

Разнообразие от имена

Нека започнем с факта, че това вещество има много имена. Сред тях има такива, които се формират по рационална номенклатура, и такива, които са се развили исторически. Така че тази връзка е обозначена като:

• сулфатна киселина;
• витриол;
• сярна киселина;
• oleum.

Въпреки че терминът "олеум" не е съвсем подходящ за това вещество, тъй като е смес от сярна киселина и по-висок серен оксид -SO_3.

Сулфатна киселина: формула и молекулярна структура

От гледна точка на химическата абревиатура, формулата на тази киселина може да бъде написана, както следва: H₂SO_{4. Очевидно молекулата се състои от два водородни катиона и анион на киселинния остатък - сулфатен йон, който има заряд 2+.}

В този случай следните връзки действат вътре в молекулата:

• ковалентен полярен между сяра и кислород;
• ковалентен силно полярен между водород и киселинни остатъци SO_4.

Сярата, имаща 6 несдвоени електрона, образува две двойни връзки с два кислородни атома. С още няколко - единични, а тези, от своя страна, единични с водород. В резултат на това структурата на молекулата й позволява да бъде достатъчно силна. В същото време водородният катион е много подвижен и лесно напуска, тъй като сярата и кислородът са много по-електроотрицателни. Като привличат електронната плътност върху себе си, те осигуряват водород с частично положителен заряд, който става пълен, когато се отдели. Така се образуват киселинни разтвори, в които има H+.

Ако говорим за степените на окисление на елементите в съединението, тогава сулфатната киселина, чиято формула е H₂SO_{4, лесно ви позволява да ги изчислите: водород +1, кислород -2, сяра +6.}

Както във всяка молекула, общият заряд е нула.

История на откриването

Сулфатната киселина е позната на хората от древността. Дори алхимиците знаеха как да го получат чрез калциниране на различни витриоли. СОще през 9-ти век хората получават и използват това вещество. По-късно в Европа Алберт Магнус научил как да извлича киселина от разлагането на железния сулфат.

Нито един от методите обаче не беше печеливш. Тогава стана известна така наречената камерна версия на синтеза. За това сярата и нитратите се изгарят, а освободените пари се абсорбират от вода. В резултат на това се образува сулфатна киселина.

Дори по-късно британците успяха да намерят най-евтиния метод за получаване на това вещество. За това е използван пирит - FeS_{2, железни пирити. Изпичането и последващото взаимодействие с кислорода все още представляват един от най-важните промишлени методи за синтез на сярна киселина. Такива суровини са по-достъпни, по-евтини и с по-високо качество за големи обеми на производство.}

Физически свойства

Има няколко параметъра, включително външни, които отличават сулфатната киселина от другите. Неговите физически свойства могат да бъдат описани в няколко точки:

1. Течност при стандартни условия.
2. В концентрирано състояние е тежък, мазен, за което получи името "витриол".
3. Плътност на материята - 1,84 g/cm3.
4. Без цвят или мирис.
5. Има изразен "меден" вкус.
6. Разтваря се много добре във вода, почти неограничено.
7. Хигроскопичен, способен да улавя както свободна, така и свързана вода от тъканите.
8. Непроменливо.
9. Точка на кипене - 296oC.
10. Стапя се при 10, 3oC.

Една от най-важните характеристики на това съединение е способността да се хидратира с отделяне на голямо количество топлина. Ето защо дори от училищната скамейка децата се учат, че в никакъв случай не е възможно да се добавя вода към киселина, а само обратното. В края на краищата, водата е по-лека по плътност, така че ще се натрупва на повърхността. Ако се добави рязко към киселина, тогава в резултат на реакцията на разтваряне ще се освободи толкова голямо количество енергия, че водата ще заври и ще започне да се пръска заедно с частици от опасно вещество. Това може да причини тежки химически изгаряния на кожата на ръцете.

Затова киселината трябва да се излее във вода на тънка струя, тогава сместа ще стане много гореща, но няма да настъпи кипене, което означава, че течността също ще се пръсне.

Химически свойства

От гледна точка на химията тази киселина е много силна, особено ако е концентриран разтвор. Той е двуосновен, поради което се дисоциира на етапи, с образуването на хидросулфатни и сулфатни аниони.

Като цяло взаимодействието му с различни съединения съответства на всички основни реакции, характерни за този клас вещества. Можем да дадем примери за няколко уравнения, в които участва сулфатната киселина. Химичните свойства се проявяват при взаимодействието му с:

• соли;
• метални оксиди и хидроксиди;
• амфотерни оксиди и хидроксиди;
• метали, стоящи в поредица от напрежения до водород.

Bв резултат на такива взаимодействия в почти всички случаи се образуват средни соли на дадена киселина (сулфати) или киселинни соли (хидросулфати).

Специална особеност е и това с метали по обичайната схема Me + H₂SO₄=MeSO₄ + H_{2↑ реагира само разтвор на дадено вещество, тоест разредена киселина. Ако вземем концентриран или силно наситен (олеум), тогава продуктите на взаимодействие ще бъдат напълно различни.}

Специални свойства на сярната киселина

Те включват само взаимодействието на концентрирани разтвори с метали. И така, има определена схема, която отразява целия принцип на такива реакции:

1. Ако металът е активен, резултатът е образуването на сероводород, сол и вода. Тоест сярата се намалява до -2.
2. Ако металът е със средна активност, тогава резултатът е сяра, сол и вода. Тоест редуцирането на сулфатния йон до свободна сяра.
3. Метали с ниска реактивност (след водород) - серен диоксид, сол и вода. Сяра в степен на окисление +4.

Също така, специалните свойства на сулфатната киселина са способността да окислява някои неметали до най-високото им окислително състояние и да реагира със сложни съединения и да ги окислява до прости вещества.

Методи за получаване в индустрията

Сулфатният процес за производство на сярна киселина се състои от два основни типа:

• контакт;
• кула.

И двата са най-често срещаните начини за влизанеиндустрия във всички страни по света. Първият вариант се основава на използването на железен пирит или серен пирит като суровина - FeS_{2. Има общо три етапа:}

1. Печене на суровини с образуване на серен диоксид като продукт на горене.
2. Пропускане на този газ през кислород през ванадиев катализатор за образуване на серен анхидрид - SO_3.
3. В абсорбционната кула анхидридът се разтваря в разтвор на сулфатна киселина с образуването на разтвор с висока концентрация - олеум. Много тежка мазна гъста течност.

Вторият вариант е практически същият, но като катализатор се използват азотни оксиди. От гледна точка на такива параметри като качество на продукта, цена и консумация на енергия, чистота на суровините, производителност, първият метод е по-ефективен и приемлив, така че се използва по-често.

Лабораторен синтез

Ако е необходимо да се получи сярна киселина в малки количества за лабораторни изследвания, тогава методът на взаимодействие на сероводород със сулфати на нискоактивни метали е най-подходящ.

В тези случаи се получава образуването на сулфиди на черни метали и като страничен продукт се образува сярна киселина. За малки изследвания тази опция е подходяща, но такава киселина няма да се различава по чистота.

Също така в лабораторията можете да проведете качествена реакция към сулфатни разтвори. Най-често срещаният реагент е бариев хлорид, тъй като йонът Ba²⁺, заедно ссулфатен анион се утаява в бяла утайка - баритно мляко: H₂SO₄ + BaCL₂=2HCL + BaSO_4↓

Най-често срещаните соли

Сулфатната киселина и сулфатите, които образува, са важни съединения в много индустрии и домакинства, включително храни. Най-често срещаните соли на сярната киселина са:

1. Гипс (алабастър, селенит). Химическото наименование е воден калциев сулфат кристален хидрат. Формула: CaSO_{4. Използва се в строителството, медицината, целулоза и хартията, производството на бижута.}
2. Барит (тежък лонжерон). бариев сулфат. В разтвор това е млечна утайка. В твърда форма - прозрачни кристали. Използва се в оптични инструменти, рентгенови лъчи, изолационно покритие.
3. Mirabilite (Глауберова сол). Химическото име е натриев сулфат декахидрат. Формула: Na₂SO₄10H_{2O. Използва се в медицината като слабително.}

Има много примери за соли, които имат практическо значение. Въпреки това, споменатите по-горе са най-често срещаните.

Сулфатна луга

Това вещество е разтвор, който се образува в резултат на топлинната обработка на дърво, тоест целулоза. Основната цел на това съединение е да се получи сулфатен сапун на негова основа чрез утаяване. Химичният състав на сулфатната течност е както следва:

• lignin;
• хидрокси киселини;
• монозахариди;
• феноли;
• смола;
• летливи и мастни киселини;
• сулфиди, хлориди, карбонати и натриеви сулфати.

Има два основни вида на това вещество: бял и черен сулфатен ликьор. Бялото отива в целулозно-хартиената промишленост, докато черното се използва за направата на сулфатен сапун в индустрията.

Основни приложения

Годишното производство на сярна киселина е 160 милиона тона годишно. Това е много значима цифра, която показва значението и разпространението на това съединение. Има няколко индустрии и места, където е необходимо използването на сулфатна киселина:

1. В акумулатори като електролит, особено в оловни.
2. В заводи, където се произвеждат сулфатни торове. По-голямата част от тази киселина се използва специално за производството на минерални торове за растения. Ето защо инсталациите за производство на сярна киселина и производство на торове най-често се изграждат един до друг.
3. В хранително-вкусовата промишленост като емулгатор, обозначен с код E513.
4. В множество органични синтези като обезводняващ агент, катализатор. Така се получават експлозиви, смоли, почистващи и почистващи препарати, найлони, полипропилен и етилен, багрила, химически влакна, естери и други съединения.
5. Използва се във филтри за пречистване на вода и приготвяне на дестилирана вода.
6. Използва се при добив и обработка на редки елементи от руда.

Също така много дива козакиселината отива в лабораторни изследвания, където се получава по местни методи.