Сульфатная кислота: формула и химические свойства

Одна из самых первых минеральных кислот, которая стала известна человеку, - это серная, или сульфатная. Не только сама она, но и многие ее соли использовались в строительстве, медицине, пищевой промышленности, в технических целях. До сих пор в этом отношении ничего не изменилось. Ряд характеристик, которыми обладает сульфатная кислота, делают ее просто незаменимой в химических синтезах. Кроме этого, практически во всех отраслях быта и промышленности находят применение ее соли. Поэтому подробно рассмотрим, что она собой представляет и в чем заключаются особенности проявляемых свойств.

Разнообразие названий

Начнем с того, что названий у этого вещества немало. Среди них есть и те, что образуются по рациональной номенклатуре, и те, которые исторически сложились. Итак, это соединение обозначают как:

• сульфатная кислота;
• купоросное масло;
• серная кислота;
• олеум.

Хотя термин "олеум" не совсем подходит для данного вещества, поскольку является смесью серной кислоты и высшего оксида серы - SO₃.

Сульфатная кислота: формула и строение молекулы

С точки зрения химической аббревиатуры записать формулу данной кислоты можно так: H₂SO₄. Очевидно, что молекула состоит из двух катионов водорода и аниона кислотного остатка - сульфат-иона, имеющего заряд 2+.

При этом внутри молекулы действуют следующие связи:

• ковалентная полярная между серой и кислородами;
• ковалентная сильно полярная между водородом и кислотным остатком SO₄.

Сера, имея 6 неспаренных электронов, образует две двойные связи с двумя атомами кислорода. Еще с парой - одинарные, а те, в свою очередь, - одинарные с водородами. В результате строение молекулы позволяет быть ей достаточно прочной. В то же время катион водорода очень подвижен и легко уходит, ведь сера и кислород гораздо больше по электроотрицательности. Стягивая электронную плотность на себя, они предоставляют водороду частично положительный заряд, который при отсоединении становится полным. Так формируются кислые растворы, в которых находится Н⁺.

Если говорить о степенях окисления элементов в соединении, то сульфатная кислота, формула которой H₂SO₄, легко позволяет рассчитать их: у водорода +1, у кислорода -2, у серы +6.

Как и в любой молекуле, суммарный заряд равен нулю.

История открытия

Сульфатная кислота известна людям с самой древности. Еще алхимики умели получать ее методами прокаливания разных купоросов. С самого IX века люди получали и использовали это вещество. Позже в Европе Альберт Магнус научился извлекать кислоту в процессе разложения железного купороса.

Однако ни один из способов выгодным не был. Затем стал известен так называемый камерный вариант синтеза. Для этого сжигали серу и селитру, а выделяющиеся пары поглощали водой. В результате формировалась сульфатная кислота.

Еще позже англичане сумели найти самый дешевый метод получения данного вещества. Для этого использовался пирит - FeS₂, железный колчедан. Его обжиг и последующее взаимодействие с кислородом до сих пор составляют один из самых главных промышленных способов синтеза серной кислоты. Такое сырье более доступное, дешевое и качественное для больших объемов производства.

Физические свойства

Есть несколько параметров, в том числе и наружные, по которым отличается от других сульфатная кислота. Физические свойства ее можно описать в нескольких пунктах:

1. При стандартных условиях - жидкость.
2. В концентрированном состоянии является тяжелой, маслянистой, за что и получила название "купоросное масло".
3. Плотность вещества - 1,84 г/см³.
4. Не имеет цвета и запаха.
5. Обладает выраженным "медным" вкусом.
6. Растворяется в воде очень хорошо, практически неограниченно.
7. Гигроскопична, способна улавливать как свободную, так и связанную воду из тканей.
8. Нелетучая.
9. Температура кипения - 296^оС.
10. Плавление при 10,3^оС.

Одна из важнейших особенностей данного соединения заключается в способности гидратироваться с выделением большого количества теплоты. Именно поэтому еще со школьной скамьи детям внушается, что добавлять воду к кислоте ни в коем случае нельзя, а только наоборот. Ведь по плотности вода легче, поэтому будет скапливаться на поверхности. Если резко добавить ее к кислоте, то в результате реакции растворения выделится настолько большое количество энергии, что вода вскипит и начнет разбрызгиваться вместе с частицами опасного вещества. Это может вызвать сильные химические ожоги кожи рук.

Поэтому следует тоненькой струйкой вливать кислоту в воду, тогда смесь сильно нагреется, но вскипания не произойдет, а значит, разбрызгивания жидкости тоже.

Химические свойства

С точки зрения химии данная кислота является очень сильной, особенно если это концентрированный раствор. Она двухосновная, поэтому диссоциирует ступенчато, с образованием гидросульфат- и сульфат-аниона.

В целом ее взаимодействие с различными соединениями соответствует всем основным реакциям, характерным для этого класса веществ. Можно привести примеры нескольких уравнений, в которых принимает участие сульфатная кислота. Химические свойства проявляются в ее взаимодействии с:

• солями;
• оксидами и гидроксидами металлов;
• амфотерными оксидами и гидроксидами;
• металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода.

В результате подобных взаимодействий практически во всех случаях образуются средние соли данной кислоты (сульфаты) либо кислые (гидросульфаты).

Особенной чертой также является то, что с металлами по обычной схеме Me + H₂SO₄ = MeSO₄ + H₂↑ реагирует лишь раствор данного вещества, то есть разбавленная кислота. Если же взять концентрированный или сильно насыщенный (олеум), то продукты взаимодействия будут совсем иными.

Особые свойства серной кислоты

К таковым относится как раз взаимодействие концентрированных растворов с металлами. Так, существует определенная схема, отражающая весь принцип таких реакций:

1. Если металл активный, то в результате происходит образование сероводорода, соли и воды. То есть сера восстанавливается до -2.
2. Если металл средней активности, то в результате - сера, соль и вода. То есть восстановление сульфат-иона до свободной серы.
3. Металлы низкой химической активности (после водорода) - сернистый газ, соль и вода. Сера в степени окисления +4.

Также особыми свойствами сульфатной кислоты являются способности окислять некоторые неметаллы до их высшей степени окисления и вступать в реакции со сложными соединениями и окислять их до простых веществ.

Способы получения в промышленности

Сульфатный процесс получения серной кислоты складывается из двух основных типов:

• контактный;
• башенный.

Оба являются самыми распространенными способами в промышленности во всех странах мира. Первый вариант основан на использовании в качестве сырья железного колчедана или серного пирита - FeS₂. Всего выделяют три этапа:

1. Обжиг сырья с образованием в качестве продукта горения сернистого газа.
2. Пропускание этого газа через кислород над ванадиевым катализатором с образованием серного ангидрида - SO₃.
3. В поглотительной башне осуществляется растворение ангидрида в растворе сульфатной кислоты с формированием раствора высокой концентрации - олеума. Очень тяжелая маслянистая густая жидкость.

Второй вариант - это практически то же самое, но в качестве катализатора используются оксиды азота. С точки зрения таких параметров, как качество продукции, стоимость и энергозатраты, чистота сырья, производительность, первый способ более эффективен и приемлем, поэтому чаще используется именно он.

Синтез в лаборатории

Если необходимо получить серную кислоту в небольших количествах для лабораторных исследований, то лучше всего подходит способ взаимодействия сероводорода с сульфатами малоактивных металлов.

В этих случаях происходит образование черных сульфидов металлов, и как побочный продукт образуется серная кислота. Для небольших исследований такой вариант подходит, однако чистотой такая кислота отличаться не будет.

Также в лаборатории можно провести качественную реакцию на сульфатные растворы. Самым распространенным реактивом является хлорид бария, так как ион Ва²⁺ вместе с сульфат-анионом выпадает в белый осадок - баритовое молоко: H₂SO₄ + BaCL₂ = 2HCL + BaSO₄↓

Самые распространенные соли

Сульфатная кислота и сульфаты, которые она образует, являются важными соединениями во многих отраслях промышленности и быта, в том числе и пищевой. Самыми распространенными солями серной кислоты являются следующие:

1. Гипс (алебастр, селенит). Химическое название - водный кристаллогидрат сульфата кальция. Формула: CaSO₄. Используется в строительстве, медицине, целлюлозно-бумажной промышленности, изготовлении ювелирных изделий.
2. Барит (тяжелый шпат). Сульфат бария. В растворе представляет собой молочный осадок. В твердом виде - прозрачные кристаллы. Используется в оптических приборах, рентгеновских излучениях, для изготовления изолирующего покрытия.
3. Мирабилит (глауберова соль). Химическое название - кристаллогидрат сульфата натрия десятиводный. Формула: Na₂SO₄*10H₂O. Применяется в медицине как слабительное средство.

Можно привести в качестве примеров много солей, которые имеют практическую значимость. Однако упомянутые выше - самые распространенные.

Сульфатный щелок

Данное вещество представляет собой раствор, который образуется вследствие термической обработки древесины, то есть целлюлозы. Главное назначение этого соединения - получение на его основе сульфатного мыла методом отстаивания. Химический состав сульфатного щелока следующий:

• лигнин;
• гидроксикислоты;
• моносахариды;
• фенолы;
• смолы;
• летучие и жирные кислоты;
• сульфиды, хлориды, карбонаты и сульфаты натрия.

Существуют два основных вида данного вещества: белый и черный сульфатный щелок. Белый уходит на целлюлозно-бумажное производство, а черный используется для получения сульфатного мыла в промышленности.

Основные области применения

Ежегодное производство серной кислоты составляет 160 млн. тонн в год. Это очень значительная цифра, которая говорит о важности и распространенности данного соединения. Можно выделить несколько отраслей и мест, где необходимо использование сульфатной кислоты:

1. В аккумуляторах в качестве электролита, особенно в свинцовых.
2. На заводах, где производятся сульфатные удобрения. Основная масса данной кислоты идет именно на изготовление минеральных подкормок для растений. Поэтому заводы по производству серной кислоты и изготовлению удобрений чаще всего строят рядом.
3. В пищевой промышленности в качестве эмульгатора, обозначаемого кодом Е513.
4. В многочисленных органических синтезах в качестве водоотнимающего средства, катализатора. Так получают взрывчатые вещества, смолы, чистящие и моющие средства, капроны, полипропилен и этилен, красители, химические волокна, сложные эфиры и прочие соединения.
5. Используют в фильтрах для очистки воды и изготовления дистиллированной воды.
6. Применяют при добыче и обработке редких элементов из руды.

Также много серной кислоты уходит на лабораторные исследования, где ее получают местными способами.