Сярна киселина (H2SO4) се нарича химично съединение, което спада към групата на оксокиселините и съответстващ му анхидрид е серният триоксид (SO3). Тя е доста по-тежка от водата (моларна маса 98 g/mol), притежава силно разяждащо въздействие и намира широко приложение в химическата промишленост.
Строеж
Киселината има молекулен строеж. Структурата на една молекула сярна киселина изглежда като неправилен тетраедър. Серният атом е централен и с него са свързани четирите кислородни атома. Двата са с двойни връзки, а другите два с единични, като те от своя страна са свързани с по един водороден атом.
Тъй като електронната плътност между кислородния атом и водородния е силно изтеглена към първия от двата атома, то водородните атоми в сярната киселина са силно подвижни и се отделят с лекота. Това я прави силна двуосновна киселина.
Физични свойства
При стайна температура проба от сярна киселина изглежда като прозрачна масловидна течност. Температурата ѝ на топене е 10,4ºС, а кипи близо до 339°С. При кипене се наблюдава разлагане, при което се образува азеотропна смес от 98,3% сярна киселина и 1,7% вода.
Сярната киселина е добър проводник на електричен ток, защото е способна на автодисоциация:
2H2SO4 ⇌ H3SO4+ + HSO4–
Във вода е отлично разтворима, като процесът е екзотермичен. Смесването трябва да става в камина, при силно повишено внимание и с подходящи предпазни мерки. Необходимо е киселината да се налива във водата с разбъркване, а не обратното. Тъй като тя е по-тежката, затова потъва и отдава топлината на обграждащите я водни слоеве. Ако водата се налее в съда със сярна киселина, заради екзотермичния характер на разтварянето, ще последва енергично и опасно изпръскване.
Химични свойства
1.) Дисоциация. Във воден разтвор сярната киселина се дисоциира изцяло на три вида йони:
2H2SO4 ⇌ SO42- + 3H+ + HSO4–
2.) Афинитет към водата. Киселината е силно хигроскопична и притежава водоотнемащи свойства. Например при контакт с хартия и други видове целулоза, тя ги овъглява и разрушава посредством дехидратация. Подобен ефект би имала и на всяка органична и жива тъкан. Работата със сярна киселина трябва да става изключително внимателно, независимо дали е разредена или особено ако е концентрирана.
3.) Взаимодействие с метали. Разредената сярна киселина взаимодейства с всички метали добри редуктори, но не реагира с металите вдясно от водорода в реда на относителната активност. В резултат на реакциите се получава молекулен водород, изместен от метала в протичащия окислително-редукционен процес.
{2H+ + SO42−} + 2Na → {SO42− + 2Na+} + H2↑
Желязото реагира с киселината, ако тя е разредена с масова част до 60%.
Fe + {2H+ + SO42−} → {Fe2+ + SO42−} + H2↑
Концентрираната сярна киселина е силно реактивоспособна и взаимодейства с почти всички метали, с изключение на злато, платина, олово и волфрам. Желязото, алуминият и хромът се пасивират от безводната концентрирана сярна киселина.
Cu + 2H2SO4 → SO2 + 2H2O + {SO42− + Cu2+}
Кипяща сярна киселина с масова част над 80% реагира с чисто сребро.
Ag + 2H2SO4 → SO2 + 2H2O + {SO42− + 2Ag+}
4.) Взаимодействие с метални оксиди.
{2H+ + SO42−} + K2O → {2K++ SO42−} + H2O
5.) Реакции с хидроксиди. Взаимодействието е известно под названието неутрализация, в резултат на него се получават сол и вода.
{2H+ + SO42−} + {2Na+ + 2OH−} → {2Na+ + SO42−} + 2H2O
6.) Взаимодействие със соли. Реакцията протича между водни разтвори на електролити, когато се образува утайка, газ, вода или се измества слаба киселина от нейната сол.
{2H+ + SO42−} + {Na+ + CH3COO−} → NaHSO4 + CH3COOH
{2H+ + SO42−} + {Ba2+ + 2NO3−} → BaSO4↓ + {2H+ + 2NO3−}
Получаване на сярна киселина
Сярна киселина се произвежда обикновено под формата на воден разтвор с масова част 96%. За неговото получаване като изходна суровина се използва пирит (Fe2S) или сулфидни руди (PbS, ZnS, Cu2S). Те се пържат в кислородна среда, при което се получава серен диоксид (SO2).
За промишлено производство на киселината са разработени два метода.
Оловно – камерен метод
При камерния метод се използва смес от серен диоксид, азотен диоксид и малко азотен оксид, които се абсорбират от вода. Процесът протича в оловни камери, а за катализатор служи азотният оксид. Получената сярна киселина е с масова част 78%.
SO2 + NO2 + H2O → H2SO4 + NO
NO + O2 (от въздуха) → NO2
Контактен метод
При контактния метод, серният диоксид се окислява на повърхността на катализатор като платината, при температура 400°С. В резултат на окислението се получава серен триоксид, който се разтваря в концентрирана сярна киселина. Получената смес се нарича олеум. При разреждането на олеума с вода се получава киселина с желаната концентрация.
2SO2 + O2 → 2SO3
SO3 + H2SO4 → H2SO4.nSO3
Възможно е и директното разтваряне на серния триоксид във вода.
Приложение
Сярната киселина се използва за производството на суперфосфати. Освен това намира приложение в екстракциония метод за получаване на фосфорна киселина. В промишлеността се употребява в големи количества за третиране на метали и изчистването им от ръжда и други окиси. Тя може да бъде електролит в акумулаторите с олово.
Сярна киселина се използва и като катализатор в различните органични производства като например в синтезирането на найлон, рафинирането на петрол и пр. Тя намира употреба при багренето на тъкани и дори в бита. Производството на сярна киселина се счита в някои случаи като показател за степента на индустриализация на дадена страна.