Фізичні властивості Хімічно чиста сульфатна кислота являє собою важку безбарвну маслянисту рідину. Продається звичайно її 96,5% — ний водний розчин густиною 1,84 г/см3 або так званий «олеум», тобто розчин SO3 в H2SO4. У воді H2SO4 розчиняється дуже добре (змішується з водою в необмежених кількостях). При цьому виділяється тепло, і розчин дуже сильно нагрівається (навіть до кипіння води). Тому при додаванні води до концентрованої сульфатної кислоти остання розбризкується внаслідок швидкого перетворення води в пару. Через це при розведенні концентрованої H2SO4 треба кислоту вливати у воду (а не навпаки!) тонким струменем при старанному розмішуванні розчину скляною паличкою. Виділення тепла обумовлюється утворенням гідратів H2SO4 • H2O, H2SO4 • 2H2O і ін.
Концентрована H2SO4 активно вбирає вологу, завдяки чому її часто застосовують для висушування газів, які хімічно не взаємодіють з нею. Концентрована сульфатна кислота руйнує рослинні і тваринні організми, і працювати з нею слід дуже обережно. Якщо кислота попаде на шкіру, її треба негайно змити великою кількістю води і промити уражене місце розведеним розчином амоніаку. Сульфатна кислота руйнує також багато органічних речовин, зокрема вуглеводи — дерево, папір, бавовняні тканини, цукор тощо. Руйнування цих речовин обумовлюється тим, що концентрована сульфатна кислота віднімає від них водень і кисень у вигляді води, а вуглець залишається у вигляді пористого вугілля. Обвуглювання цукру, наприклад, можна схематично зобразити таким рівнянням:
C12H22O11 + (nH2SO4) -> 12C +11H2O (nH2SO4)
Хімічні властивості
Сульфатна кислота — у водних розчинах дисоціює майже повністю та відноситься до сильних кислот:
Н2SО4 == 2Н+ + SО42-
Солі сульфатної кислоти мають назву сульфати. Наприклад: Mg SО4 — Магній сульфат.
При дії розведеної сульфатної кислоти на метали, які у електрохімічному ряді активності металів розташовані ліворуч водню, виділяється водень.
Mg + Н2SО4 =Н2+ Mg SО4
ZnO + H2SO4 =ZnSO4 + H2O
ZnO + 2H+ +SO42- = Zn 2+ +SO42- + H2O
ZnO + 2H+ = Zn2+ + H2O
2NaOH + H2SO4= Na2SO4 + 2H2O
2Na++ 2OH- +2H+ +SO42- =2Na++ SO42- + 2H2O
H++OH- = H2O
Якісна реакція на сульфат-йон -утворення білого сірчистого осаду з солями Барію.
К2SО4 +Ва(NO3)2=BaSO4+2KNO3
Застосування
Застосування сульфатної кислоти дуже широке і різноманітне. Головним споживачем її є виробництво мінеральних добрив — суперфосфату і сульфату амонію, а також нафтова промисловість для очистки газу, мінеральних масел та інших нафтопродуктів. У хімічній промисловості цю кислоту застосовують при виробництві барвників, штучного волокна, залізного купоросу FeSO4•7H2O, мідного купоросу CuSO4 • 5H2O і інших продуктів.
Сульфатна кислота є важливим продуктом хімічної промисловості. Вона у великих кількостях застосовується у виробництві мінеральних добрив, волокон, пластмас, барвників, вибухових речовин, у металургії в процесі добування міді, нікелю, урану та інших металів. Використовується також як осушувач газів.
Серед сульфатів велике практичне значення мають мідний і залізний купороси СuS04 • 5Н20 і FeS04 • 7Н20. Вони використовуються в сільському господарстві для боротьби із шкідниками рослин, у виробництві фарб, для просочення деревини як антисептичний засіб.
Купороси — технічна назва кристалогідратів сульфатів деяких важких металів (міді, заліза, цинку, нікелю), тобто це солі, кристали яких містять кристалізаційну воду.
Гіпс СаS04 • 2Н20 і сульфат кальцію СаS04 використовують у будівництві, медицині та інших галузях.
Сульфат натрію Na2S04 застосовують у виробництві скла. Він входить до складу природною мінералу Nа2S04 • 10Н2О глауберової солі, яка використовується в медицині як проносний засіб.
Сульфати калію К2S04 і амонію (NН4)2S04 використовують як добрива.
Сульфат барію ВаS04 застосовують у виробництві паперу, гуми та білої мінеральної фарби, а також у медицині для рентгеноскопії шлунку («Барієва каша»)
Найбільш сучасний спосіб добування сульфатної кислоти у промисловості — це контактний. Як сировина використовується пірит FeS2 (залізний, або сірчаний, колчедан.
Перша стадія процесу — випалювання колчедану і добування діоксиду сульфуру:
4FeS2 + 11О2 = 2Fe203 + 8S02↑; ΔH= −13476 кДж.
Цей процес відбувається у колчеданних печах, з яких виходить випалювальний газ. Він містить, окрім діоксиду сульфуру S02, ще кисень, азот, водяну пару та інші домшки. Його очищають, висушують і подають на другу стадію виробництва у контактний апарат.
Друга стадія — окиснення діоксиду сульфуру і добування триоксиду сульфуру:
2S02 + 02 ⇔2SО3 ΔH = −197,9 кДж.
Окиснення відбувається в контактному апараті за наявності каталізатора і високої температури.
Але ви можете запитати, навіщо тут висока температура, якщо реакція екзотермічна. Адже ми знаємо, що згідно з принципом Ле Шательє зміщенню рівноваги у бік утворення S03 сприятимуть низька температура і високий тиск.
Це справедливо, але річ у тім, що високий тиск застосувати майже неможливо, бо S02 одразу перейде у рідкий стан. І низькі температури використати не можна, бо швидкість реакції буде надто малою. Тому й застосовують каталізатор V205, щоб пришвидшити процес, а каталізатор сам стає активним лише при 450 °C. Ось чому, незважаючи на екзотермічність реакції, використовують ще додаткове нагрівання. Теплоту, яка виділяється під час реакції, відводять і використовують для нагрівання випалювального газу, який встигає охолонути, проходячи складну систему очисних споруд перед надходженням у контактний апарат (див. схему виробництва сульфатної кислоти на вклейці).
Отже, процес окиснення S02 в S03 здійснюється склад но, бо ця реакція оборотна й екзотермічна. Умови її здійснення визначаються в основному згідно з принципом Ле Шательє.
Третя стадія виробництва — поглинання триоксиду сульфуру утворення сульфатної кислоти H2S04.
Добутий у контактному апараті триоксид сульфуру S03 надходить у поглинальну башту — абсорбер, де поглинається концентрованою сульфатною кислотою (масова частка H2S04 96—98%). В абсорбері S03 взаємодіє з водою, що міститься у концентрованому розчині сульфатної кислоти, утворюючи безводну, 100%-ву сульфатну кислоту, яка надається моногідратом:
S03 + Н20 = H2S04; ΔH = −130,6 кДж
Чистою водою поглинати триоксид сульфуру S03 не можна, оскільки утворюється дуже стійкий «туман» з дрібних крапель сульфатної кислоти, який погано конденсується.
Кінцевий продукт виробництва — олеум (розчин S03 у моногідраті). Його розбавляють водою до сульфатної кислоти потрібної концентрації.
