с какими металлами реагирует разбавленная серная кислота
Серная кислота
Обладает выраженным дегидратационным (водоотнимающим) действием. При попадании на кожу или слизистые оболочки приводит к тяжелым ожогам.
Получение
Известны несколько способов получения серной кислоты. Применяется промышленный (контактный) способ, основанный на сжигании пирита, окислении образовавшегося SO2 до SO3 и последующим взаимодействием с водой.
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:
Смесь газов подается в башни, орошаемые 75-ной% серной кислотой, здесь смесь оксидов азота поглощается с образованием нитрозилсерной кислоты:
В ходе гидролиза нитрозилсерной кислоты получают азотистую кислоту и серную:
В упрощенном виде нитрозный способ можно записать так:
Химические свойства
В водном растворе диссоциирует ступенчато.
С солями реакция идет, если в результате выпадает осадок, образуется газ или слабый электролит (вода). Серная кислота, как и многие другие кислоты, способна растворять осадки.
Подчеркну, что реакции разбавленной серной кислоты с железом и хромом не сопровождаются переходом этих элементов в максимальную степень окисления. Они окисляются до +2.
Cu + H2SO4(разб.) ⇸ (реакция не идет, медь не может вытеснить водород из кислоты)
Холодная концентрированная серная кислота пассивирует Al, Cr, Fe, Ni, Be, Co. При нагревании или амальгамировании данных металлов реакция идет.
Обратите особое внимание, что при реакции железа, хрома с концентрированной серной кислотой достигается степень окисления +3. В подобных реакциях с разбавленной серной кислотой (написаны выше) достигается степень окисления +2.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Серная кислота
Серная кислота
Строение молекулы и физические свойства
Серная кислота H2SO4 – это сильная кислота, двухосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость, хорошо растворимая в воде.
Растворение серной кислоты в воде сопровождается выделением значительного количества кислоты. Поэтому по правилам безопасности в лаборатории при смешивании серной кислоты и воды мы добавляем серную кислоту в воду небольшими порциями при постоянном перемешивании.
Валентность серы в серной кислоте равна VI.
Способы получения
1. Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита FeS2.
Основные стадии получения серной кислоты :
Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):
| Аппарат | Назначение и уравнения реакций |
| Печь для обжига | 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащенный кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800 о С |
| Циклон | Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз. |
| Электрофильтр | Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра). |
| Сушильная башня | Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота. |
| Теплообменник | Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. |
| Контактный аппарат | 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3): Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню. |
| Поглотительная башня | Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне. Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3. Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю. |
Общие научные принципы химического производства:
Химические свойства
1. Серная кислота практически полностью диссоциирует в разбавленном в растворе по первой ступени:
По второй ступени серная кислота диссоциирует частично, ведет себя, как кислота средней силы:
HSO4 – ⇄ H + + SO4 2–
2. Серная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и амфотерными гидроксидами.
Еще пример : при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом калия образуются сульфаты или гидросульфаты:
Серная кислота взаимодействует с амфотерным гидроксидом алюминия:
3. Серная кислота вытесняет более слабые из солей в растворе (карбонаты, сульфиды и др.). Также серная кислота вытесняет летучие кислоты из их солей (кроме солей HBr и HI).
Или с силикатом натрия:
Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:
4. Т акже серная кислота вступает в обменные реакции с солями.
5. Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.
Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:
Железо Fe, алюминий Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании реакция возможна.
При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:
При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:
При взаимодействии с щелочными металлами и цинком концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:
6. Качественная реакция на сульфат-ионы – взаимодействие с растворимыми солями бария. При этом образуется белый кристаллический осадок сульфата бария:
Видеоопыт взаимодействия хлорида бария и сульфата натрия в растворе (качественная реакция на сульфат-ион) можно посмотреть здесь.
7. Окислительные свойства концентрированной серной кислоты проявляются и при взаимодействии с неметаллами.
Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:
Урок №14. Серный ангидрид и серная кислота
Повторите темы уроков 9 класса:
Оксид серы (VI)
Оксид серы (VI) – это кислотный оксид. При обычных условиях – бесцветная ядовитая жидкость, «дымит» на воздухе, поглощая пары воды.
Способы получения
Оксид серы (VI) получают в реакциях окисления:
SO 2 + NO 2 = SO 3 + NO
Разложением сульфата железа (III):
Химические свойства оксида серы (VI)
1. Оксид серы (VI) активно поглощает влагу и реагирует с водой с образованием серной кислоты:
2. Серный ангидрид – типичным кислотный оксид, взаимодействует с щелочами и основными оксидами.
SO 3 + 2NaOH ( избыток) = Na 2 SO 4 + H 2 O
SO 3 + NaOH ( избыток) = NaHSO 4
SO 3 + MgO = t = MgSO 4
3. Серный ангидрид – очень сильный окислитель:
SO 3 + 2KI = I 2 + K 2 SO 3
3SO 3 + H 2 S = 4SO 2 + H 2 O
5SO 3 + 2P = P 2 O 5 + 5SO 2
4. Растворяется в концентрированной серной кислоте, образуя олеум – раствор SO 3 в H 2 SO 4
РЕАКЦИИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Химические свойства разбавленной серной кислоты
1) Диссоциация протекает ступенчато:
(первая ступень, образуется гидросульфат – ион)
(вторая ступень, образуется сульфат – ион)
2) Взаимодействие с металлами:
Разбавленная серная кислота растворяет только металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода:
Zn 0 + H 2 +1 SO 4 (разб) → Zn +2 SO 4 + H 2 0 ↑
Zn 0 + 2H + → Zn 2+ + H 2 0 ↑
3) Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами:
CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O
CuO + 2H + → Cu 2+ + H 2 O
4) Взаимодействие с основаниями:
H 2 SO 4 + 2NaOH → Na 2 SO 4 + 2H 2 O
Если кислота в избытке, то образуется кислая соль:
H 2 SO 4 + NaOH → NaНSO 4 + H 2 O
H 2 SO 4 + Cu(OH) 2 → CuSO 4 + 2H 2 O
2H + + Cu(OH) 2 → Cu 2+ + 2H 2 O
5) Обменные реакции с солями:
Серная кислота – сильная нелетучая кислота, вытесняет из солей другие менее сильные кислоты:
MgCO 3 + H 2 SO 4 → MgSO 4 + H 2 O + CO 2 ↑
MgCO 3 + 2H + → Mg 2+ + H 2 O + CO 2 ↑
Н 2 SO 4 + 2NaHCO 3 = Na 2 SO 4 + CO 2 ↑ + H 2 O
H 2 SO 4 + Na 2 SiO 3 = Na 2 SO 4 + H 2 SiO 3 ↓
Качественная реакция на сульфат-ион
BaCl 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2HCl
Ba 2+ + SO 4 2- → BaSO 4 ↓
Образование белого осадка BaSO 4 (нерастворимого в кислотах) используется для идентификации серной кислоты и растворимых сульфатов.
6) Реагирует с аммиаком
Химические свойства концентрированной серной кислоты
1. С водой образуются гидраты:
H 2 SO 4 + nH 2 O = H 2 SO 4 ·nH 2 O + Q
Органические вещества обугливаются!
2H 2 SO 4 + C = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
2. Серная кислота окисляет неметаллы
неМе + H 2 SO 4 (конц.) = H 2 O + SO 2 + Кислотный гидроксид
, где степень окисления неметалла – высшая
C + 2H 2 SO 4 = 2H 2 O + CO 2 + 2SO 2
S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O
2P + 5H 2 SO 4 = 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O
3. Взаимодействие серной кислоты с металлами
H 2 SO 4 (конц.) + Me = t = соль + H 2 O + Х
Железо Fe, алюминий Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании образуется газа SO 2 :
6H 2 SO 4 (конц.) + 2Fe = t = Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
6H 2 SO 4(конц.) + 2Al = t = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:
2H 2 SO 4 (конц.) + Cu = CuSO 4 + SO 2 ↑ + 2H 2 O
2H 2 SO 4 (конц.) + Hg = HgSO 4 + SO 2 ↑ + 2H 2 O
2H 2 SO 4 (конц.) + 2Ag = Ag 2 SO 4 + SO 2 ↑ + 2H 2 O
При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:
3Mg + 4H 2 SO 4 = 3MgSO 4 + S + 4H 2 O
При взаимодействии со щелочными металлами и цинком концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:
5H 2 SO 4 (конц.) + 4Zn = 4ZnSO 4 + H 2 S↑ + 4H 2 O
4. Взаимодействие с восстановителями
Концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород при комнатной температуре:
3H 2 SO 4 (конц.) + 2KBr = Br 2 ↓ + SO 2 ↑ + 2KHSO 4 + 2H 2 O
5H 2 SO 4 (конц.) + 8KI = 4I 2 ↓ + H 2 S↑ + K 2 SO 4 + 4H 2 O
H 2 SO 4 (конц.) + 3H 2 S = 4S↓ + 4H 2 O
СОЛИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
1) Разложение сульфатов
Термически устойчивые сульфаты – сульфаты щелочных металлов (в том числе лития), они плавятся не разлагаясь
Остальные сульфаты при нагревании разлагаются на оксид серы(IV), оксид металла и кислород:
2CuSO 4 = t = 2CuO + SO 2 + O 2 (SO 3 )
2Al 2 (SO 4 ) 3 = t = 2Al 2 O 3 + 6SO 2 + 3O 2
2ZnSO 4 = t = 2ZnO + SO 2 + O 2
2Cr 2 (SO 4 ) 3 = t = 2Cr 2 O 3 + 6SO 2 + 3O 2
4FeSO 4 = t = 2Fe 2 O 3 + 4SO 2 + O 2
Так как оксиды тяжёлых и благородных металлов разлагаются сами, разложение их сульфатов следует записывать до металла:
Ag 2 SO 4 = t = 2Ag + SO 2 + O 2
HgSO 4 = t = Hg + SO 2 + O 2
2) Сульфаты проявляют окислительные свойства и могут взаимодействовать с восстановителями, восстанавливаясь до сульфидов.
CaSO 4 + 4C = CaS + 4CO
3) Многие средние сульфаты образуют устойчивые кристаллогидраты
Na 2 SO 4 ∙ 10H 2 O − глауберова соль
CaSO 4 ∙ 2H 2 O − гипс
CuSO 4 ∙ 5H 2 O − медный купорос
FeSO 4 ∙ 7H 2 O − железный купорос
ZnSO 4 ∙ 7H 2 O − цинковый купорос
Na 2 CO 3 ∙ 10H 2 O − кристаллическая сода
С какими металлами реагирует разбавленная серная кислота
ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ
Образующиеся в этом процессе ионы водорода H + выполняют роль окислителя, окисляя металлы, расположенные в ряду активности левее водорода. Взаимодействие протекает по схеме:
Me + HCl 
соль + H 2 ↑
Соляная кислота является слабым окислителем, поэтому металлы с переменной валентностью окисляются ей до низших положительных степеней окисления:
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl 3 + 3 H 2 ↑
Соляная кислота пассивирует свинец ( Pb ). Пассивация свинца обусловлена образованием на его поверхности трудно растворимого в воде хлорида свинца ( II ), который защищает металл от дальнейшего воздействия кислоты:
В промышленности получают серную кислоту очень высокой концентрации (до 98%). Следует учитывать различие окислительных свойств разбавленного раствора и концентрированной серной кислоты по отношению к металлам.
Разбавленная серная кислота
В разбавленном водном растворе серной кислоты большинство ее молекул диссоциируют:
Образующиеся ионы Н + выполняют функцию окислителя.
Как и соляная кислота, разбавленный раствор серной кислоты взаимодействует только с металлами активными и средней активности (расположенными в ряду активности до водорода).
Химическая реакция протекает по схеме:
Металлы с переменной валентностью окисляются разбавленным раствором серной кислоты до низших положительных степеней окисления:
Концентрированная серная кислота
В концентрированном растворе серной кислоты (выше 68%) большинство молекул находятся в недиссоциированном состоянии, поэтому функцию окислителя выполняет сера, находящаяся в высшей степени окисления ( S +6 ). Концентрированная H 2 SO 4 окисляет все металлы, стандартный электродный потенциал которых меньше потенциала окислителя – сульфат-иона SO 4 2- (0,36 В). В связи с этим, с концентрированной серной кислотой реагируют и некоторые малоактивные металлы.
Процесс взаимодействия металлов с концентрированной серной кислотой в большинстве случаев протекает по схеме:
Me + H 2 SO 4 (конц.) соль + вода + продукт восстановления H 2 SO 4
Продуктами восстановления серной кислоты могут быть следующие соединения серы:
Взаимодействие металлов различной активности с концентрированной серной кислотой можно представить схемой:
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем, поэтому при взаимодействии с ней металлов, обладающих переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней окисления, чем в случае с разбавленным раствором кислоты:
С какими металлами реагирует разбавленная серная кислота
Металлы переменной валентности соляной и разбавленной серной кислотами окисляются до низших степеней окисления. Железо имеет наиболее распространенные степени окисления +2 и +3. При реакции с этими кислотами железо окисляется до степени окисления +2.
Свинец является более активным элементом, чем водород, но в процессе реакции на его поверхности образуется плотная нерастворимая пленка хлорида или сульфата свинца(II) и реакция практически не протекает.
Малоактивные металлы восстанавливают серную кислоту преимущественно до SO2. φ 0 (Ag/Ag + ) = +0,8В – неактивный металл.
Металлы переменной валентности окисляются концентрированной серной кислотой, как правило, до высшей степени окисления.
Благородные металлы (Au, Pt и некоторые другие) с концентрированной серной кислотой не взаимодействуют ни при каких условиях. Некоторые металлы (Al, Fe, Cr, Ni и др.) не взаимодействуют с концентрированной серной кислотой при обычных условиях (пассивируются), но взаимодействуют при нагревании. Это свойство железа позволяет хранить и перевозить концентрированную серную кислоту в емкостях из обычной стали.
Свинец с концентрированной серной кислотой взаимодействует с образованием растворимой кислой соли.