Взаимодействие сернистой кислоты с металлами

Обновлено: 20.01.2025

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ

Чаще всего в химической практике используются такие сильные кислоты как серная H ₂ SO ₄ , соляная HCl и азотная HNO ₃ . Далее рассмотрим отношение различных металлов к перечисленным кислотам.

Соляная кислота ( HCl )

Соляная кислота – это техническое название хлороводородной кислоты. Получают ее путем растворения в воде газообразного хлороводорода – HCl . Ввиду невысокой его растворимости в воде, концентрация соляной кислоты при обычных условиях не превышает 38%. Поэтому независимо от концентрации соляной кислоты процесс диссоциации ее молекул в водном растворе протекает активно:

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 ↑

При этом соль представляет собой хлорид металла ( NiCl ₂ , CaCl ₂ , AlCl ₃ ), в котором число хлорид-ионов соответствует степени окисления металла.

Соляная кислота является слабым окислителем, поэтому металлы с переменной валентностью окисляются ей до низших положительных степеней окисления:

Fe 0 → Fe 2+

Co 0 → Co 2+

Ni 0 → Ni 2+

Cr 0 → Cr 2+

Mn 0 → Mn 2+ и др .

2 Al + 6 HCl → 2 AlCl ₃ + 3 H ₂ ↑

2│ Al 0 – 3 e - → Al 3+ - окисление

3│2 H + + 2 e - → H ₂ – восстановление

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:

Pb + 2 HCl → PbCl ₂ ↓ + H ₂ ↑

Серная кислота ( H ₂ SO ₄ )

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:

1│2Al 0 – 6e - → 2Al 3+ - окисление

Металлы с переменной валентностью окисляются разбавленным раствором серной кислоты до низших положительных степеней окисления:

Mn 0 → Mn 2+ и др .

Свинец ( Pb ) не растворяется в серной кислоте (если ее концентрация ниже 80%) , так как образующаяся соль PbSO ₄ нерастворима и создает на поверхности металла защитную пленку.

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:

Практика показала, что при взаимодействии металла с концентрированной серной кислотой выделяется смесь продуктов восстановления, состоящая из H ₂ S , S и SO _2. Однако, один из этих продуктов образуется в преобладающем количестве. Природа основного продукта определяется активностью металла: чем выше активность, тем глубже процесс восстановления серы в серной кислоте.

Взаимодействие металлов различной активности с концентрированной серной кислотой можно представить схемой:

Алюминий ( Al ) и железо ( Fe ) не реагируют с холодной концентрированной H ₂ SO ₄ , покрываясь плотными оксидными пленками, однако при нагревании реакция протекает.

Ag , Au , Ru , Os , Rh , Ir , Pt не реагируют с серной кислотой.

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:

Fe 0 → Fe 3+ ,

Cr 0 → Cr 3+ ,

Mn 0 → Mn 4+ ,

Sn 0 → Sn 4+

Свинец ( Pb ) окисляется до двухвалентного состояния с образованием растворимого гидросульфата свинца Pb ( HSO ₄ )₂ .

Серная кислота

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 :

Сжигание или обжиг серосодержащего сырья в кислороде с получением сернистого газа.
Очистка полученного газа от примесей.
Окисление сернистого газа в серный ангидрид.
Взаимодействие серного ангидрида с водой.

Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):

В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO₃):

температура: оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным выходом SO₃ является температура 400-500 о С. Для того чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор – оксид ванадия (V) V₂O₅.
давление: прямая реакция протекает с уменьшением объемов газов. Для смещения равновесия вправо процесс проводят при повышенном давлении.

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.

Общие научные принципы химического производства:

Непрерывность.
Противоток
Катализ
Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ.
Теплообмен
Рациональное использование сырья

Химические свойства

Серная кислота – это сильная двухосновная кислота .

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.

Например , серная кислота взаимодействует с оксидом магния:

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).

Например , серная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:

Или с силикатом натрия:

Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:

Аналогично – концентрированная серная кислота вытесняет хлороводород из твердых хлоридов, например , хлорида натрия:

4. Т акже серная кислота вступает в обменные реакции с солями.

Например , серная кислота взаимодействует с хлоридом бария:

5. Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например , серная кислота реагирует с железом. При этом образуется сульфат железа (II):

Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем . При этом она обычно восстанавливается до сернистого газа SO₂. С активными металлами может восстанавливаться до серы S, или сероводорода Н₂S.

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:

BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄ ↓ + 2NaCl

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.

Например , концентрированная серная кислота окисляет фосфор, углерод, серу. При этом серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV):

Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:

Соединения серной кислоты и её применения

Серная кислота является сильной кислотой, двухосновной, устойчивой и нелетучей.

В стандартных условиях серная кислота представляет собой тяжелую маслянистую жидкость. Вещество отличается хорошей растворимостью в воде.

Молекула серной кислоты включает в себя:

четыре атома кислорода;
два атома водорода;
один атом серы.

Жидкость токсична, не имеет запаха. Кислота в чистом состоянии бесцветная, обладает специфическим «медным» привкусом, плотность составляет 1,84 г / см 3 . Из-за примесей вещество приобретает желтоватую или буро-желтую окраску. В зависимости от концентрации различают:

разбавленную H 2 S O 4 в виде водного раствора с процентным содержанием H 2 S O 4 не более 70%;
концентрированную H 2 S O 4 в виде водного раствора с концентрацией H 2 S O 4 более 70%.

Молекула серной кислоты обладает формой, близкой к тетраэдрической (атом серы располагается в центре, атомы кислорода — в вершинах тетраэдра):

Физические и химические свойства

Серная кислота обладает следующими физическими свойствами:

плотная маслянистая жидкость, не имеет цвета и запаха;
плотность равна 1,83 г / см 3 ;
температура плавления составляет 10,3°C;
температура кипения составляет 296,2°C;
вещество в высокой степени гигроскопично, способно смешиваться с водой в любых соотношениях;
процесс растворения концентрированной серной кислоты в воде приводит к выделению большого количества теплоты.

При проведении опытов кислоту всегда приливают в воду, по технике безопасности запрещено делать наоборот.

Серную кислоту относят к типу сильных двухосновных кислот. Данная характеристика определяет химические свойства вещества.

Серная кислота почти полностью диссоциирует в разбавленном растворе по первой ступени:

H 2 S O 4 ⇄ H + + H S O 4 2 -

По второй ступени соединение диссоциирует частично, аналогично кислоте средней силы:

H S O 4 - ⇄ H + + S O 4 2 -

Серная кислота вступает в реакцию с такими веществами, как:

основные оксиды;
основания;
амфотерные оксиды;
амфотерные гидроксиды.

Взаимодействие серной кислоты и оксида магния:

H 2 S O 4 + M g O → M g S O 4 + H 2 O

Взаимодействие серной кислоты и гидроксида калия приводит к образованию сульфатов или гидросульфатов:

H 2 S O 4 + К О Н → K H S О 4 + H 2 O H 2 S O 4 + 2 К О Н → К 2 S О 4 + 2 H 2 O

Уравнение взаимодействия серной кислоты и амфотерного гидроксида алюминия:

3 H 2 S O 4 + 2 A l ( O H ) 3 → A l 2 ( S O 4 ) 3 + 6 H 2 O

Серная кислота вытесняет более слабые кислоты из растворов их солей, к примеру, угольную кислоту — из растворов карбонатов, сероводород — из растворов сульфидов. Соединение способно вытеснять летучие кислоты из их солей, за исключением HBr и HI, которые окисляются серной кислотой.

Взаимодействие серной кислоты и гидрокарбоната натрия:

H 2 S O 4 + 2 N a H C O 3 → N a 2 S O 4 + C O 2 + H 2 O

Взаимодействие серной кислоты и силиката натрия:

H 2 S O 4 + N a 2 S i O 3 → N a 2 S O 4 + H 2 S i O 3

В процессе реакции концентрированной серной кислоты с твердым нитратом натрия происходит вытеснение азотной кислоты менее летучей серной кислотой:

N a N O 3 ( т в . ) + H 2 S O 4 → N a H S O 4 + H N O 3

Процесс вытеснения хлороводорода из твердых хлоридов концентрированной серной кислотой:

N a C l ( т в . ) + H 2 S O 4 → N a H S O 4 + H C l

Серная кислота может вступать в обменные реакции с солями.

Взаимодействие серной кислоты и хлорида бария:

H 2 S O 4 + B a C l 2 → B a S O 4 + 2 H C l

Серная кислота в разбавленном виде может вступать в химическую реакцию с металлами, расположенными в ряду активности металлов до водорода. Данный процесс сопровождается образованием соли и водорода.

Реакция серной кислоты и железа с образованием сульфата железа (II):

H 2 S O 4 ( р а з б . ) + F e → F e S O 4 + H 2

Взаимодействие серной кислоты с аммиаком с образованием солей аммония:

H 2 S O 4 + N H 3 → N H 4 H S O 4

Концентрированная серная кислота представляет собой сильный окислитель. В результате ее взаимодействия с малоактивными металлами происходит восстановление серной кислоты до сернистого газа S O 2 . При взаимодействии с активными металлами вещество способно восстанавливаться до серы S, или сероводорода Н 2 S .

Железо Fe, алюминий Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислоты при низкой температуре. Если вещество нагреть, реакция становится возможной.

6 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + 2 F e → F e 2 ( S O 4 ) 3 + 3 S O 2 + 6 H 2 O 6 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + 2 A l → A l 2 ( S O 4 ) 3 + 3 S O 2 + 6 H 2 O

Восстановление концентрированной серной кислоты до сернистого газа происходит в процессе ее реакции с малоактивными металлами:

2 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + C u → C u S O 4 + S O 2 ↑ + 2 H 2 O 2 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + H g → H g S O 4 + S O 2 ↑ + 2 H 2 O 2 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + 2 A g → A g 2 S O 4 + S O 2 ↑ + 2 H 2 O

Взаимодействие концентрированной серной кислоты со щелочноземельными металлами и магнием приводит к ее восстановлению до серы:

3 M g + 4 H 2 S O 4 → 3 M g S O 4 + S + 4 H 2 O

Взаимодействие концентрированной серной кислоты со щелочными металлами и цинком сопровождается ее восстановлением до сероводорода:

5 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + 4 Z n → 4 Z n S O 4 + H 2 S ↑ + 4 H 2 O

Качественной реакцией на сульфат-ионы является взаимодействие с растворимыми солями бария. В результате реакции сульфат бария выпадает в виде белого кристаллического осадка:

B a C l 2 + N a 2 S O 4 → B a S O 2 ↓ + 2 N a C l

Проявление окислительных свойств концентрированной серной кислоты можно наблюдать в процессе реакции вещества с неметаллами.

Концентрированная серная кислота окисляет фосфор, углерод и серу, при этом сама восстанавливается до оксида серы (IV):

5 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + 2 P → 2 H 3 P O 4 + 5 S O 2 ↑ + 2 H 2 O 2 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + С → С О 2 ↑ + 2 S O 2 ↑ + 2 H 2 O 2 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + S → 3 S O 2 ↑ + 2 H 2 O

При комнатной температуре концентрированная серная кислота приобретает способность окислять соли галогеноводородных кислот и сероводород:

3 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + 2 K B r → B r 2 ↓ + S O 2 ↑ + 2 K H S O 4 + 2 H 2 O 5 H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + 8 K I → 4 I 2 ↓ + H 2 S ↑ + K 2 S O 4 + 4 H 2 O H 2 S O 4 ( к о н ц . ) + 3 H 2 S → 4 S ↓ + 4 H 2 O

Получение и применение серной кислоты

В промышленных масштабах серную кислоту получают из таких веществ, как:

сера;
сульфиды;
металлы;
сероводород.

Одним из методов получения серной кислоты является синтез из пирита F e S 2 . Этапы получения серной кислоты:

сжигание или обжиг сырья, содержащего серу, в кислородной среде с образованием сернистого газа;
удаление из полученного газа примесей;
окисление сернистого газа в серный ангидрид;
реакция серного ангидрида и воды.

Получение серной кислоты из минерала пирита на катализаторе оксиде ванадия (V):

4 F e S 2 + 11 O 2 → 2 F e 2 O 3 + 8 S O 2 2 S O 2 + O 2 → 2 S O 3

Синтез серной кислоты по нитрозному методу:

S O 2 + N O 2 → S O 3 + N O

2 N O + O 2 → 2 N O 2

В процессе химической реакции S O 2 и воды происходит выделение большого количества теплоты. В результате серная кислота закипает, образуется трудноулавливаемый аэрозоль в виде сернокислого тумана:

S O 3 + H 2 O → H 2 S O 4 + Δ Q

По этой причине S O 3 смешивают с концентрированной серной кислотой, получая олеум, представляющий собой раствор оксида серы (VI) в серной кислоте, который далее потребителем разбавляется водой до получения нужной концентрации серной кислоты.

Благодаря своим свойствам серная кислота получила широкое распространение в промышленной сфере. Соединение используют в следующих областях:

добыча редких элементов, в том числе очистка урановых, иридиевых, циркониевых и осмиевых руд;
выпуск минеральных удобрений, химических волокон, красок и пиротехнических изделий;
неорганический синтез солей и кислот;
производство текстиля и кожи;
нефтехимия и обработка металлов;
пищевая промышленность (добавка-эмульгатор E513);
автомобилестроение (электролит в аккумуляторах);
очистка воды (реагент для восстановления ионнообменных смол в фильтрах).

Важным технологическим процессом является органический синтез, с помощью которого получают эфиры и спирты, синтетические моющие средства, химические волокна. Предприятия, специализирующиеся на металлообработке, с помощью серной кислоты удаляют с поверхности деталей окислы, образующиеся в результате сильного нагрева. Ключевым сегментом потребления серной кислоты является производство минеральных удобрений, включая фосфорные. По этой причине производство серной кислоты часто размещают рядом с предприятиями, использующими ее в качестве сырья в технологическом процессе.

Серная кислота - сильная двухосновная кислота, при н.у. маслянистая жидкость без цвета и запаха.

Обладает выраженным дегидратационным (водоотнимающим) действием. При попадании на кожу или слизистые оболочки приводит к тяжелым ожогам.

Замечу, что существует олеум - раствор SO₃ в безводной серной кислоте, дымящее жидкое или твердое вещество. Олеум применяется при изготовлении красителей, органическом синтезе и в производстве серной кислот.

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.

Сильная кислота. Реагирует с основными оксидами, основаниями, образуя соли - сульфаты.

KOH + H₂SO₄ = KHSO₄ + H₂O (гидросульфат калия, соотношение 1:1 - кислая соль)

2KOH + H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2H₂O (сульфат калия, соотношение 2:1 - средняя соль)

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.

Серная кислота окисляет неметаллы - серу и углерод - соответственно до угольной кислоты (нестойкой) и сернистого газа.

Реакции разбавленной серной кислоты с металлами не составляют никаких трудностей: она реагирует как самая обычная кислота, например HCl. Все металлы, стоящие до водорода, вытесняют из серной кислоты водород, а стоящие после - не реагируют с ней.

Подчеркну, что реакции разбавленной серной кислоты с железом и хромом не сопровождаются переходом этих элементов в максимальную степень окисления. Они окисляются до +2.

Cu + H₂SO_4(разб.) ⇸ (реакция не идет, медь не может вытеснить водород из кислоты)

Концентрированная серная кислота ведет себя совершенно по-иному. Водород никогда не выделяется, вместо него с активными металлами выделяется H₂S, с металлами средней активности - S, с малоактивными металлами - SO₂.

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.

Иногда в тексте задания даны подсказки. Например, если написано, что выделился газ с неприятным запахом тухлых яиц - речь идет об H₂S, если же написано, что выделилось простое вещество - речь о сере (S).

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.

Читайте также: