Žveplova kislina

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Žveplova kislina
Slika kemijske strukture Slika molekularnega modela
Slika molekularnega modela
Žveplova kislina 96 odstotkov ekstra čista.jpg
So pogosti
Sistematično
ime
žveplova kislina
Tradicionalna imena žveplova kislina; vitriol olje, oleum
Chem. formula H 2 SO 4
Podgana. formula H 2 SO 4
Fizične lastnosti
Država tekočina
Molarna masa 98,078 ± 0,006 g/ mol
Gostota 1,8356 g / cm³
Dinamična viskoznost 21 mPa · s[2]
Toplotne lastnosti
Temperatura
taljenje 10,38 °C
vrenje 337 °C
Specifična toplota fuzije 10,73 J/kg
Tlak pare 0,001 ± 0,001 mm Hg[3]
Kemijske lastnosti
Konstanta disociacije kisline -3
Topnost
• v vodi zmeša
Optične lastnosti
Lomni količnik 1.397
Struktura
Dipolni trenutek 2,72 D
Razvrstitev
Reg. Številka CAS 7664-93-9
Pubchem
Reg. Številka EINECS 231-639-5
NASMEŠKI
InChI
Codex Alimentarius E513
RTECS WS5600000
ChEBI 26836
UN številka 1830
ChemSpider
Varnost
Omejevanje koncentracije 1 mg / m³
LD 50 100 mg / kg
Toksičnost Registrirani pripravki žveplove kisline spadajo v 2. razred nevarnosti [1] za človeka in imajo splošno strupeno delovanje .
GHS piktogrami Ikona korozije CGS Ikona lobanje in križnih kosti CGS Piktogram CGS Plamen nad krogom Ikona okolja GHS
NFPA 704
Podatki temeljijo na standardnih pogojih (25 °C, 100 kPa), razen če ni navedeno drugače.
Logotip Wikimedia Commons Predstavnostne datoteke na Wikimedia Commons

Žveplova kislina H 2 S O 4 je anorganska snov , močna dvobazična kislina, ki ustreza najvišjemu oksidacijskemu stanju žvepla (+6). V normalnih pogojih je koncentrirana žveplova kislina težka, oljnata tekočina, brez barve in vonja , z močno kislim "bakrenim" okusom. V tehnologiji se žveplova kislina imenuje njena mešanica z vodo in žveplovim anhidridom SO 3 . Če je molsko razmerje SO 3 : H 2 O <1, potem je to vodna raztopina žveplove kisline, če> 1 - raztopina SO 3 v žveplovi kislini ( oleum ). Strupeno v velikih odmerkih [4] .

ime

V 18. - 19. stoletju so v tovarnah vitriola izdelovali smodnik iz pirita (pirita) . Žveplovo kislino so takrat imenovali »vitriolovo olje« [5] [6] , od tod izvira tudi ime njenih soli (oziroma kristalnih hidratov) – vitriol .

Proizvodnja žveplove kisline

Industrijska (kontaktna) metoda

V industriji se žveplova kislina proizvaja z oksidacijo žveplovega dioksida (žveplov dioksid, ki nastane pri zgorevanju žvepla ali pirita) v trioksid (žveplov anhidrid), čemur sledi interakcija SO 3 z vodo. Žveplova kislina, pridobljena s to metodo, se imenuje tudi kontaktna kislina (koncentracija 92-94%).

Dušikov (stolpni) način

Prej so žveplovo kislino pridobivali izključno po dušikovi metodi v posebnih stolpih, kislino pa so imenovali stolpna kislina (koncentracija 75 %). Bistvo te metode je oksidacija žveplovega dioksida z dušikovim dioksidom v prisotnosti vode. Na ta način se je v času velikega smoga zgodila reakcija v zraku Londona .

Fizikalne in fizikalno-kemijske lastnosti

Zelo močna kislina , pri 18 °C pK a (1) = -2,8, pK a (2) = 1,92 (K₂ 1,2 10 -2); dolžine vezi v molekuli S = O 0,143 nm, S — OH 0,154 nm, kot HOSOH 104 °, OSO 119 °; zavre in tvori azeotropno zmes (98,3 % H 2 SO 4 in 1,7 % H 2 O z vreliščem 338,8 o C). Žveplova kislina, ki ustreza 100 % vsebnosti H 2 SO 4 , ima sestavo (%): H 2 SO 4 99,5, HSO 4 - - 0,18, H 3 SO 4 + - 0,14, H 3 O + - 0,09, H 2 S 2 O 7 , - 0,04, HS 2 O 7 ⁻ - 0,05. Meša se z vodo in SO 3 v vseh razmerjih. V vodnih raztopinah žveplova kislina skoraj popolnoma disociira na H 3 O + , HSO 3 + in 2НSO₄ - . Tvori hidrate H 2 SO 4 · n H 2 O, kjer je n = 1, 2, 3, 4 in 6,5.

Oleum

Raztopini žveplovega anhidrida SO 3 v žveplovi kislini imenujemo oleum , tvorita dve spojini H 2 SO 4 · SO 3 in H 2 SO 4 · 2 SO 3 .

Oleum vsebuje tudi pirožveplove kisline, pridobljene z reakcijami:

sulfit

Vrelišče vodnih raztopin žveplove kisline narašča s povečanjem njene koncentracije in doseže maksimum pri vsebnosti 98,3 % H 2 SO 4 .

Lastnosti vodnih raztopin žveplove kisline in oleuma
Vsebnost % po masi Gostota pri 20 ℃, g / cm³ Tališče , ℃ Vrelišče , ℃
H 2 SO 4 SO 3 (brezplačno)
10 - 1,0661 −5,5 102.0
dvajset - 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
sto - 1,8305 10.4 296.2
104.5 dvajset 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 sto 1,9203 16.8 44.7

Vrelišče oleuma se z naraščajočo vsebnostjo SO 3 znižuje. S povečanjem koncentracije vodnih raztopin žveplove kisline se skupni parni tlak nad raztopinami zmanjša in pri vsebnosti 98,3 % H 2 SO 4 doseže minimum. S povečanjem koncentracije SO 3 v oleumu se skupni parni tlak nad njim poveča. Parni tlak nad vodnimi raztopinami žveplove kisline in oleja lahko izračunamo z enačbo:

vrednosti koeficientov A in B so odvisne od koncentracije žveplove kisline. Para nad vodnimi raztopinami žveplove kisline je sestavljena iz zmesi vodne pare, H 2 SO 4 in SO 3 , medtem ko se sestava hlapov razlikuje od sestave tekočine pri vseh koncentracijah žveplove kisline, razen pri ustrezni azeotropni zmesi .

Ko se temperatura dvigne, se disociacija poveča:

Enačba za temperaturno odvisnost ravnotežne konstante :

Pri normalnem tlaku je stopnja disociacije: 10⁻⁵ (373 K), 2,5 (473 K), 27,1 (573 K), 69,1 (673 K).

Gostota 100% žveplove kisline se lahko določi z enačbo:

S povečanjem koncentracije raztopin žveplove kisline se njihova toplotna zmogljivost zmanjša in doseže minimum za 100 % žveplovo kislino, toplotna zmogljivost oleuma se poveča z naraščanjem vsebnosti SO 3 .

S povečanjem koncentracije in znižanjem temperature se toplotna prevodnost λ zmanjša:

kjer je C koncentracija žveplove kisline, v %.

Oleum H 2 SO 4 · SO 3 ima največjo viskoznost, z naraščanjem temperature η pada. Električna upornost žveplove kisline je minimalna pri koncentraciji SO 3 in 92 % H 2 SO 4 ter največja pri koncentraciji 84 in 99,8 % H 2 SO 4 [ vir ni določen 3580 dni ] . Za oleum je najmanjši ρ pri koncentraciji 10 % SO 3 . Ko se temperatura dvigne, se ρ žveplove kisline poveča. Dielektrična konstanta 100 % žveplove kisline 101 (298,15 K), 122 (281,15 K); krioskopska konstanta 6,12, ebulioskopska konstanta 5,33; difuzijski koeficient hlapov žveplove kisline v zraku se spreminja s temperaturo; D = 1,67 · 10⁻⁵ T 3/2 cm² / s.

Kemijske lastnosti

Žveplova kislina v koncentrirani obliki pri segrevanju je dokaj močan oksidant .

Oksidira HI in delno HBr v proste halogene .

Ogljik do CO 2 , žveplo do SO 2 .

Oksidira številne kovine (izjeme: Au , Pt , Ir , Rh , Ta ). V tem primeru se koncentrirana žveplova kislina reducira na SO 2 , na primer [7] :

Na mrazu se v koncentrirani žveplovi kislini pasivizirajo Fe , Al , Cr , Co , Ni , Ba in reakcije ne potekajo.

Najmočnejši redukci reducirajo koncentrirano žveplovo kislino na S in H 2 S. Koncentrirana žveplova kislina absorbira vodno paro, zato se uporablja za sušenje plinov, tekočin in trdnih snovi, na primer v eksikatorjih . Koncentrirano H 2 SO 4 pa vodik delno reducira, zato ga ni mogoče uporabiti za sušenje. Z ločitvijo vode od organskih spojin in puščanjem črnega ogljika ( premog ) koncentrirana žveplova kislina vodi do zogleljenja lesa, sladkorja in drugih snovi [7] .

Razredčen H 2 SO 4 deluje z vsemi kovinami v elektrokemični seriji napetosti levo od vodika s svojim sproščanjem, na primer [7] :

Oksidacijske lastnosti niso značilne za razredčeno H 2 SO 4 . Žveplova kislina tvori dve vrsti soli : srednje sulfate in kisle hidrosulfate ter estre. Znane peroksomonožveplove (ali karo kisline ) H 2 SO 5 in peroksodižveplove H 2 S 2 O 8 kisline.

Žveplova kislina reagira tudi z bazičnimi oksidi, da nastane sulfat in voda:

V kovinskopredelovalnih obratih se raztopina žveplove kisline uporablja za odstranjevanje plasti kovinskega oksida s površine kovinskih izdelkov, ki so med proizvodnim procesom izpostavljeni močnemu segrevanju. Torej se železov oksid odstrani s površine pločevine z delovanjem segrete raztopine žveplove kisline:

Koncentriran H 2 SO 4 pretvori nekatere organske snovi v druge ogljikove spojine:

Kvalitativna reakcija na žveplovo kislino in njene topne soli je njihova interakcija s topnimi barijevimi solmi, pri kateri nastane bela oborina barijevega sulfata , netopna v vodi in kislinah, na primer [8] :

Aplikacija

Žveplova kislina se prevaža po železnici v specializiranih cisternah
Cisterne za prevoz žveplove kisline, naložene na železniške perone , postaja Volkovskaya , St. Petersburg

Žveplova kislina se uporablja:

  • pri predelavi rud, zlasti pri pridobivanju redkih elementov, vključno z uranom , iridijem , cirkonijem , osmijem itd.;
  • pri proizvodnji mineralnih gnojil;
  • kot elektrolit v svinčenih baterijah;
  • za pridobivanje različnih mineralnih kislin in soli;
  • pri proizvodnji kemičnih vlaken, barvil, dima in eksplozivov;
  • v naftni, kovinskopredelovalni, tekstilni, usnjarski in drugih industrijah;
  • v živilski industriji - registriran kot aditiv za živila E513 ( emulgator );
  • v industrijski organski sintezi v reakcijah:

Svetovna proizvodnja žveplove kisline je približno 200 milijonov ton na leto [9] . Največji porabnik žveplove kisline je proizvodnja mineralnih gnojil. P₂O₅ fosforjevih gnojil porabi 2,2-3,4-krat več po masi žveplove kisline, za (NH₄) ₂SO₄ žveplovo kislino pa 75 % mase porabljenega (NH4) ₂SO₄. Zato si prizadevajo graditi tovarne žveplove kisline v povezavi z obrati za proizvodnjo mineralnih gnojil.

Toksičen učinek

Nevarnost T.svg
Nevarnost C.svg
Nevarnost O.svg
Nevarnost N.svg

Žveplova kislina in oleum sta zelo jedki snovi . Vplivajo na vsa tkiva v telesu. Pri vdihavanju hlapov teh snovi povzročajo težave z dihanjem, kašelj , pogosto – laringitis , traheitis , bronhitis itd. Stik z visokimi koncentracijami kisline na očeh lahko privede do konjunktivitisa in popolne izgube vida . [10] Največja dovoljena koncentracija (MPC) hlapov žveplove kisline v zraku delovnega območja je 1 mg / m³, v atmosferskem zraku 0,3 mg / m³ (največ enkrat) in 0,1 mg / m³ (dnevno povprečje) . Osupljiva koncentracija hlapov žveplove kisline 0,008 mg / l ( izpostavljenost 60 min), smrtonosna 0,18 mg / l (60 min).

Серная кислота — токсичное вещество . В соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 серная кислота является токсичным высокоопасным веществом [11] по воздействию на организм , 2-го класса опасности .

Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей .

В РФ оборот серной кислоты концентрации 45 % и более — законодательно ограничен [12] .

Исторические сведения

Серная кислота известна с древности, встречаясь в природе в свободном виде, например, в виде озёр вблизи вулканов. Возможно, первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса «зеленого камня», встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну .

В IX веке персидский алхимик Ар-Рази , прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO 4 •7H 2 O и CuSO 4 •5H 2 O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус , живший в XIII веке.

Схема получения серной кислоты из железного купороса — термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси [13]

Молекула серной кислоты по Дальтону

В трудах алхимика Валентина (XIII в) описывается способ получения серной кислоты путём поглощения водой газа ( серный ангидрид ), выделяющегося при сжигании смеси порошков серы и селитры . Впоследствии этот способ лег в основу т. н. «камерного» способа, осуществляемого в небольших камерах, облицованных свинцом, который не растворяется в серной кислоте. В СССР такой способ просуществовал вплоть до 1955 г.

Алхимикам XV века в известен был также способ получения серной кислоты из пирита — серного колчедана, более дешёвого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах . Впоследствии, в связи с развитием катализа этот метод вытеснил камерный способ синтеза серной кислоты. В настоящее время серную кислоту получают каталитическим окислением (на V 2 O 5 ) оксида серы (IV) в оксид серы (VI), и последующим растворением оксида серы (VI) в 70 % серной кислоте с образованием олеума.

В России производство серной кислоты впервые было организовано в 1805 году под Москвой в Звенигородском уезде. В 1913 году Россия по производству серной кислоты занимала 13 место в мире. [14]

Дополнительные сведения

Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы . Получившаяся взвесь, из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата. Например, в результате извержения вулкана Ксудач ( Полуостров Камчатка , 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже [15] . Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году , отправивший в атмосферу 3⋅10 7 тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994 [16] .

Стандарты

  • Кислота серная техническая ГОСТ 2184—77
  • Кислота серная аккумуляторная. Технические условия ГОСТ 667—73
  • Кислота серная особой чистоты. Технические условия ГОСТ 14262—78
  • Реактивы. Кислота серная. Технические условия ГОСТ 4204—77

Примечания

  1. Кислота серная техническая ГОСТ 2184—77
  2. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology ISBN 978-0-471-23896-6
  3. http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0577.html
  4. name= https://docs.cntd.ru_Серная кислота
  5. Ушакова Н. Н., Фигурновский Н. А. Василий Михайлович Севергин: (1765—1826) / Ред. И. И. Шафрановский. М.: Наука, 1981. C. 59.
  6. См. также Каменное масло
  7. 1 2 3 Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. § 91. Химические свойства серной кислоты // Неорганическая химия: Учебник для 7—8 классов средней школы. — 18-е изд. — М. : Просвещение , 1987. — С. 209—211. — 240 с. — 1 630 000 экз.
  8. Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. § 92. Качественная реакция на серную кислоту и её соли // Неорганическая химия: Учебник для 7—8 классов средней школы. — 18-е изд. — М. : Просвещение , 1987. — С. 212. — 240 с. — 1 630 000 экз.
  9. Sulfuric acid (англ.) // «The Essential Chemical Industry — online»
  10. SULFURIC ACID | CAMEO Chemicals | NOAA . cameochemicals.noaa.gov. Дата обращения: 22 мая 2020.
  11. name= https://docs.cntd.ru_ГОСТ (недоступная ссылка) 12.1.007-76. ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования
  12. Постановление Правительства Российской Федерации от 3 июня 2010 года № 398 (недоступная ссылка) . Дата обращения: 30 мая 2016. Архивировано 30 июня 2016 года.
  13. Эпштейн, 1979 , с. 40.
  14. Эпштейн, 1979 , с. 41.
  15. см. статью «Вулканы и климат» Архивная копия от 28 сентября 2007 на Wayback Machine (рус.)
  16. Русский архипелаг — Виновато ли человечество в глобальном изменении климата? Архивная копия от 1 декабря 2007 на Wayback Machine (рус.)

Литература

  • Справочник сернокислотчика, под ред. К. М. Малина, 2 изд., М., 1971
  • Эпштейн Д. А. Общая химическая технология. — М. : Химия, 1979. — 312 с.

Ссылки