Серная кислота. 
Химия. В 2 ч. Часть 1. Общая и неорганическая химия

I. Общая характеристика.

Ниже приведены формулы серной кислоты: эмпирическая (1), структурная (2) и электронная (3):

Л/_г = 98; М= 98 г/моль (0,098 кг/моль).

В молекулах серной кислоты реализуется химическая связь: между атомами Н и О — полярная ковалентная, реализуется по обменному механизму; сигма-связь, s—р общие электронные пары смещены к атому кислорода; в сульфат-ионе между атомами серы и кислорода связь ковалентная полярная, реализуется по обменному механизму, из шести связей две пии четыре сигма-связи, у атома серы происходит з/^-гибридизация, поэтому сигма-связи являются q—р, а пространственная конфигурация этого иона — тетраэдр; общие электронные пары смещены к атому кислорода.

II. Физические свойства.

Безводная серная кислота — тяжелая маслянистая жидкость с температурой плавления 10,4 °С, гигроскопична, т. е. жадно поглощает воду. Смешивается с водой в любых отношениях, при этом выделяется большое количество теплоты; р = 1,84 для 98,3%-й кислоты. Эта кислота перегоняется без разложения (является азеотропной смесью). Хорошо растворяет в себе триоксид серы, образуя олеум (раствор триоксида серы в серной кислоте).

III. Химические свойства.

1. Диссоциирует в водных растворах (сильный электролит):

• 2. Изменяет окраску индикаторов (как, почему?).
• 3. Реагирует с основными и амфотерными оксидами (напишите по одному уравнению в трех формах).
• 4. Взаимодействует с основаниями и амфотерными гидроксидами. Закончите следующие схемы процессов'.

5. Реагирует с солями (закончите схемы реакций):

6. Взаимодействует с металлами (составьте уравнения реакций):

7. Концентрированная кислота реагирует с неметаллами:

IV. Получение.

В лабораторных условиях серную кислоту не получают, так как используют промышленные препараты или товарную кислоту.

В промышленности эту кислоту получают несколькими способами, среди которых наиболее важным является контактный способ. Химизм получения четырехстадиен.

Стадия 1. Получение диоксида серы. Осуществляют при помощи следующих процессов (схемы уравняйте)'.

Технологически эта стадия реализуется в специальных печах или аппаратах, особенностью которых является недопущение попадания диоксида серы во внешнюю среду, с одной стороны, для того, чтобы не было потерь, а с другой — для предотвращения загрязнения окружающей среды.

Стадия 2. Спецочистка диоксида серы. При очистке сернистого газа не происходит химических процессов; при помощи различных аппаратов сернистый газ освобождается от пылевых частиц и воды, так как каталитическое окисление диоксида серы в триоксид требует высокой чистоты сырья.

Стадия 3. Каталитическое окисление диоксида серы в триоксид. Реакция протекает в специальных реакторах при температуре около 450 °C, катализатор — платина или полупятиоксид ванадия:

Стадия 4. Сорбция (поглощение) серного ангидрида. В производственных условиях триоксид серы поглощают концентрированной серной кислотой, при этом образуется олеум, который разбавляют водой до получения товарной кислоты (р = 1,84, содержание 95—98%). Водой поглощать триоксид серы нельзя, так как образуется туманообразная кислота, которую практически невозможно сконденсировать.

Принципиальная технологическая схема производства серной кислоты приведена на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Схема производства серной кислоты контактным способом:

I — охладительная башня; 2 — электрофильтр; 3 — осушительная башня; 4 — теплообменник; 5— контактный аппарат; 6 — холодильник; 7— поглотительная башня В производстве серной кислоты используют следующие научные принципы химического производства:

• 1. Принцип противотока (при сорбции триоксида серы серной кислотой и в других аппаратах).
• 2. Принцип теплообмена (газы, идущие на окисление, обогреваются в теплообменниках, через которые для охлаждения пропускают пары триоксида серы после реакции и т. д.).
• 3. Принцип комплексного использования сырья и отходов (образовавшиеся при обжиге серосодержащего сырья оксиды используют для получения металлов и т. д.).
• 4. Принцип наибольшего соприкосновения регулирующих веществ (сырье измельчают, теплообменники имеют большое число мелких труб и т. д.).
• 5. Принцип использования катализаторов.
• 6. Принцип оптимальных температур и др.

V. Применение.

Серная кислота — важнейший продукт основной химической промышленности. По разнообразию областей использования серной кислоты она занимает первое место, и ее образно называют «хлебом химической промышленности». Серную кислоту применяют для получения различных кислот (соляной, фосфорной, азотной, органических кислот), фосфорных и азотных удобрений (простого и двойного суперфосфата, сульфата аммония и др.), при очистке нефтепродуктов, в органическом синтезе при производстве красителей, взрывчатых веществ и в других областях химического производства. Серная кислота находит применение при металлообработке для очистки поверхности металлов, в энергетике при работе аккумуляторов, в сельском хозяйстве и т. д.

• 1. Поясните, почему сульфат-ион имеет форму тетраэдра.
• 2. Поясните, что такое олеум и как его получают.
• 3. Поясните, почему серную кислоту относят и к окислительным, и к неокислительным кислотам (ответ проиллюстрируйте соответствующими уравнениями реакций).
• 4. Поясните, почему серную кислоту можно использовать для защиты железа и алюминия от коррозии.
• 5. Поясните, можно или нет поглощать триоксид серы водой (ответ обоснуйте).
• 6. Приведите три обоснованных примера использования серной кислоты в деятельности человека.
• 7. Приведите два обоснованных примера, иллюстрирующих экологическую роль серной кислоты.