Сірчана кислота. Формула, властивості, одержання і застосування
Сірчана кислота має історичну назву: купоросне масло. Вивчення кислоти почалося з давніх часів, у своїх працях її описували: грецький лікар Діоскорид, римський натураліст Пліній Старший, ісламські алхіміки Гебер, Рази і Ібн Сіна, інші. У Шумерах існував перелік купоросов, які класифікувалися за кольором речовини. У наш час слово «купорос» об'єднує кристалогідрати сульфатів двовалентних металів.
У 17 столітті, германо-голландський хімік Іоган Глаубер отримав сірчану кислоту шляхом спалювання сірки з калієвої селітрою (KNO3) у присутності водяної пари. У 1736 Джошуа Уорд (фармацевт з Лондона) цей метод використовував у виробництві. Цей час можна вважати точкою відліку, коли у вже великих масштабах стала випускатися сірчана кислота. Формула її (H2SO4), як прийнято вважати, була встановлена шведським хіміком Берцелиусом (1779-1848) німого пізніше.
Берцеліус за допомогою буквених символів (позначають хімічні елементи) і нижніх цифрових індексів (вказують на кількість в молекулі атомів даного виду) встановив, що в одній молекулі міститься 1 атом сірки (S), 2 атома водню (H) і 4 атома кисню (O ). З цього часу став відомий якісний і кількісний склад молекули, тобто мовою хімії описана сірчана кислота.
Структурна формула, що показує в графічному вигляді взаємне розташування в молекулі атомів і хімічних зв'язків між ними (їх прийнято позначати лініями), інформує, що в центрі молекули знаходиться атом сірки, який пов'язаний подвійними зв'язками з двома атомами кисню. З іншими двома атомами кисню, до кожного з яких прикріплений атом водню, цей же атом сірки з'єднаний одинарними зв'язками.
Властивості
Сірчана кислота - злегка жовтувата або безбарвна, в'язка рідина, розчинна у воді при будь-яких концентраціях. Вона є сильною мінеральної кислотою. Кислота відрізняється високою агресивністю по відношенню до металів (концентрована не взаємодіє з залізом без нагрівання, а пасивує його), гірським породам, тканинам тварин або іншим матеріалам. Характеризується високою гігроскопічністю і яскраво вираженими властивостями сильного окислювача. При температурі 10,4 оС кислота твердне. При нагріванні до 300 оС майже 99% кислота втрачає сірчаний ангідрид (SO3).
Властивості її змінюються в залежності від концентрації її водного розчину. Існують загальноприйняті назви розчинів кислоти. Розбавленою кислота вважається до 10%. Акумуляторна - від 29 до 32%. При концентрації менше 75% (як встановлено в ГОСТ 2184) її називають баштовою. Якщо концентрація 98%, то це буде вже сірчана кислота концентрована. Формула (Хімічна або структурна) у всіх випадках залишається незмінною.
При розчиненні в сірчаної кислоти концентрованої сірчаного ангідриду утворюється олеум або димить сірчана кислота, формула її може бути записана так: H2S2O7. Чистий кислота (H2S2O7) є твердою речовиною з температурою плавлення 36 оС. Реакції гідратації сірчаної кислоти характеризуються виділенням тепла у великій кількості.
Розбавлена кислота вступає в реакцію з металами, реагуючи з якими, проявляє властивості сильного окислювача. При цьому відновлюється сірчана кислота, формула освічених речовин, що містять відновлений (до +4, 0 або -2) атом сірки, може бути: SO2, S або H2S.
Реагує з неметалами, наприклад, вуглецем або сіркою:
2 H2SO4 + C - 2 SO2 + CO2 + 2 H2O
2 H2SO4 + S - 3 SO2 + 2 H2O
Вступає в реакцію з хлоридом натрію:
H2SO4 + NaCl - NaHSO4 + HCl
Для неї характерна реакція електрофільного заміщення атома водню, приєднаного до бензольного кільця ароматичного сполуки, на групу -SO3H.
Отримання
У 1831 році був запатентований контактний метод отримання H2SO4, що є в даний час основним. Сьогодні велика частина сірчаної кислоти виробляється з використанням цього методу. В якості сировини застосовується сульфідна руда (частіше залізний колчедан FeS2), який обпалюють у спеціальних печах, при цьому утворюється випалювальних газ. Так як температура газу дорівнює 900 оС, то його охолоджують сірчаною кислотою з концентрацією 70%. Потім газ в циклоні і електрофільтрі очищають від пилу, в промивних вежах кислотою з концентрацією 40 і 10% від каталітичних отрут (As2O5 і фтору), на мокрих електрофільтрах від аерозолю кислоти. Далі випалювальних газ, що містить 9% сірчистого ангідриду (SO2), осушують і подають в контактний апарат. Пройшовши через 3 шари ванадієвого каталізатора, SO2 окислюється в SO3. Для розчинення утвореного сірчаного ангідриду застосовується концентрована сірчана кислота. Формула розчину сірчаного ангідриду (SO3) в безводному сірчаної кислоти являє собою H2S2O7. У такому вигляді олеум в сталевих цистернах транспортується до споживача, де його розбавляють до потрібної концентрації.
Застосування
Завдяки різним хімічним властивостями, H2SO4 має широкий спектр застосування. У виробництві самої кислоти, як електроліт в свинцево-кислотних акумуляторах, для виготовлення різних чистячих засобів, також є важливим реагентом у хімічній промисловості. Вона використовується також у виробництві: спиртів, пластмас, барвників, гуми, ефіру, клеїв, вибухових речовин, мила і миючих засобів, фармацевтичної продукції, целюлози і паперу, нафтопродуктів.