Сярна киселина (масло от витриол)

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 ⇌ SO₄^2- + 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.