Kwas siarczanowy: formuła i właściwości chemiczne

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 17:54

Jednym z pierwszych kwasów mineralnych, które stały się znane człowiekowi, jest siarkowy lub siarczan. Nie tylko ona sama, ale także wiele jej soli było wykorzystywanych w budownictwie, medycynie, przemyśle spożywczym i do celów technicznych. Jak dotąd nic się w tym zakresie nie zmieniło. Szereg cech, które posiada kwas siarczanowy, czyni go po prostu niezbędnym w syntezach chemicznych. Ponadto jej sole są wykorzystywane w prawie wszystkich dziedzinach życia codziennego i przemysłu. Dlatego zastanowimy się szczegółowo, co to jest i jakie są cechy przejawianych właściwości.

Różnorodność nazw

Zacznijmy od tego, że ta substancja ma wiele nazw. Wśród nich są takie, które powstają zgodnie z racjonalną nomenklaturą, oraz te, które rozwinęły się historycznie. Tak więc to połączenie jest oznaczone jako:

• kwas siarczanowy;
• vitriol;
• kwas siarkowy;
• oleum.

Chociaż termin „oleum” nie jest całkiem odpowiedni dla tej substancji, ponieważ jest to mieszanina kwasu siarkowego i wyższego tlenku siarki -SO_3.

Kwas siarczanowy: wzór i struktura molekularna

Z punktu widzenia skrótu chemicznego wzór tego kwasu można zapisać w następujący sposób: H₂SO_{4. Oczywiście cząsteczka składa się z dwóch kationów wodorowych i anionu reszty kwasowej - jonu siarczanowego, który ma ładunek 2+.}

W tym przypadku następujące wiązania działają wewnątrz cząsteczki:

• biegunowy kowalencyjny między siarką a tlenem;
• kowalencyjne silnie polarne między wodorem a resztą kwasową SO_4.

Siarka, mająca 6 niesparowanych elektronów, tworzy dwa podwójne wiązania z dwoma atomami tlenu. Z jeszcze parą - single, a te z kolei single z wodorami. W rezultacie struktura cząsteczki pozwala jej być wystarczająco silną. Jednocześnie kation wodorowy jest bardzo mobilny i łatwo opuszcza, ponieważ siarka i tlen są znacznie bardziej elektroujemne. Przyciągając do siebie gęstość elektronową, dostarczają wodoru częściowo dodatniemu ładunkowi, który po odłączeniu staje się pełny. W ten sposób powstają kwaśne roztwory, w których występuje H+.

Jeśli mówimy o stopniach utlenienia pierwiastków w związku, to kwas siarczanowy, którego wzór to H₂SO_{4, łatwo pozwala na ich obliczenie: wodór +1, tlen -2, siarka +6.}

Jak w każdej cząsteczce, całkowity ładunek wynosi zero.

Historia odkryć

Kwas siarczanowy jest znany ludziom od starożytności. Nawet alchemicy wiedzieli, jak to uzyskać, kalcynując różne witriole. ZJuż w IX wieku ludzie otrzymywali i stosowali tę substancję. Później w Europie Albert Magnus nauczył się ekstrahować kwas z rozkładu siarczanu żelaza.

Jednak żadna z metod nie była opłacalna. Wtedy poznano tak zwaną komorową wersję syntezy. W tym celu spalono siarkę i azotany, a uwolnione opary zostały wchłonięte przez wodę. W rezultacie powstał kwas siarczanowy.

Jeszcze później Brytyjczykom udało się znaleźć najtańszą metodę pozyskiwania tej substancji. Użyto do tego pirytu - FeS_{2, pirytów żelaznych. Jego prażenie i późniejsze oddziaływanie z tlenem wciąż stanowią jedną z najważniejszych przemysłowych metod syntezy kwasu siarkowego. Takie surowce są tańsze, tańsze i lepszej jakości przy dużych ilościach produkcji.}

Właściwości fizyczne

Istnieje kilka parametrów, w tym zewnętrzne, które odróżniają kwas siarczanowy od innych. Jego właściwości fizyczne można opisać w kilku punktach:

1. Płyn w standardowych warunkach.
2. W stanie skoncentrowanym jest ciężki, oleisty, za co otrzymał nazwę "vitriol".
3. Gęstość materii – 1,84 g/cm3.
4. Brak koloru ani zapachu.
5. Ma wyraźny „miedziany” smak.
6. Rozpuszcza się bardzo dobrze w wodzie, prawie bez ograniczeń.
7. Higroskopijny, zdolny do wychwytywania zarówno wolnej, jak i związanej wody z tkanek.
8. Nieulotny.
9. Punkt wrzenia - 296oC.
10. Tnienie o 10, 3oC.

Jedną z najważniejszych cech tego związku jest zdolność nawadniania z wydzielaniem dużej ilości ciepła. Dlatego nawet z ławki szkolnej dzieci uczą się, że w żadnym wypadku nie można dodać wody do kwasu, a jedynie na odwrót. W końcu woda ma mniejszą gęstość, więc gromadzi się na powierzchni. Jeśli zostanie gwałtownie dodany do kwasu, to w wyniku reakcji rozpuszczania uwolniona zostanie tak duża ilość energii, że woda zagotuje się i zacznie rozpryskiwać wraz z cząsteczkami niebezpiecznej substancji. Może to spowodować poważne oparzenia chemiczne skóry rąk.

Dlatego kwas należy wlewać do wody cienkim strumieniem, wtedy mieszanina będzie bardzo gorąca, ale nie nastąpi wrzenie, co oznacza, że ciecz również się rozpryśnie.

Właściwości chemiczne

Z chemicznego punktu widzenia kwas ten jest bardzo silny, zwłaszcza jeśli jest to stężony roztwór. Jest dwuzasadowy, dlatego dysocjuje etapami, tworząc aniony wodorosiarczanowe i siarczanowe.

Ogólnie jego interakcja z różnymi związkami odpowiada wszystkim głównym reakcjom charakterystycznym dla tej klasy substancji. Możemy podać przykłady kilku równań, w których bierze udział kwas siarczanowy. Właściwości chemiczne przejawiają się w jego interakcji z:

• sole;
• tlenki i wodorotlenki metali;
• amfoteryczne tlenki i wodorotlenki;
• metale stojące w szeregu napięć do wodoru.

Bw wyniku takich oddziaływań prawie we wszystkich przypadkach powstają średnie sole danego kwasu (siarczany) lub sole kwaśne (wodorosiarczany).

Specjalną cechą jest również to, że w przypadku metali zgodnie ze zwykłym schematem Me + H₂SO₄=MeSO₄ + H_{2↑ reaguje tylko roztwór danej substancji, czyli rozcieńczony kwas. Jeśli weźmiemy skoncentrowany lub wysoce nasycony (oleum), wtedy produkty interakcji będą zupełnie inne.}

Specjalne właściwości kwasu siarkowego

Obejmują one tylko interakcję stężonych roztworów z metalami. Istnieje więc pewien schemat, który odzwierciedla całą zasadę takich reakcji:

1. Jeśli metal jest aktywny, wynikiem jest tworzenie się siarkowodoru, soli i wody. Oznacza to, że siarka zostaje zredukowana do -2.
2. Jeśli metal ma średnią aktywność, wynikiem jest siarka, sól i woda. To znaczy redukcja jonu siarczanowego do wolnej siarki.
3. Metale o niskiej reaktywności (po wodorze) - dwutlenek siarki, sól i woda. Siarka w stanie utlenienia +4.

Ponadto szczególne właściwości kwasu siarczanowego to zdolność utleniania niektórych niemetali do ich najwyższego stopnia utlenienia oraz reagowania ze złożonymi związkami i utleniania ich do prostych substancji.

Metody pozyskiwania w branży

Proces siarczanowy do produkcji kwasu siarkowego składa się z dwóch głównych typów:

• kontakt;
• wieża.

Oba są najczęstszymi sposobami wprzemysłu we wszystkich krajach świata. Pierwsza opcja opiera się na wykorzystaniu jako surowca pirytu żelazowego lub pirytu siarkowego - FeS_{2. W sumie są trzy etapy:}

1. Prażenie surowców z powstawaniem dwutlenku siarki jako produktu spalania.
2. Przepuszczanie tego gazu przez tlen przez katalizator wanadowy w celu wytworzenia bezwodnika siarkowego - SO_3.
3. W wieży absorpcyjnej bezwodnik rozpuszcza się w roztworze kwasu siarczanowego, tworząc roztwór o wysokim stężeniu - oleum. Bardzo ciężka oleista gęsta ciecz.

Druga opcja jest praktycznie taka sama, ale jako katalizator stosuje się tlenki azotu. Z punktu widzenia takich parametrów jak jakość produktu, koszt i energochłonność, czystość surowców, wydajność, pierwsza metoda jest bardziej wydajna i akceptowalna, dlatego jest częściej stosowana.

Synteza laboratoryjna

Jeżeli konieczne jest uzyskanie kwasu siarkowego w małych ilościach do badań laboratoryjnych, wówczas najlepiej nadaje się metoda oddziaływania siarkowodoru z siarczanami metali o niskiej aktywności.

W takich przypadkach dochodzi do tworzenia siarczków metali żelaznych, a jako produkt uboczny powstaje kwas siarkowy. W przypadku małych badań ta opcja jest odpowiednia, ale taki kwas nie będzie różnił się czystością.

Również w laboratorium możesz przeprowadzić jakościową reakcję na roztwory siarczanowe. Najpopularniejszym odczynnikiem jest chlorek baru, ponieważ jon Ba²⁺ wraz zanion siarczanowy wytrąca się w biały osad - mleko barytowe: H₂SO₄ + BaCL₂=2HCL + BaSO_4↓

Najpopularniejsze sole

Kwas siarczanowy i tworzone przez niego siarczany są ważnymi związkami w wielu gałęziach przemysłu i gospodarstwach domowych, w tym w przemyśle spożywczym. Najczęstsze sole kwasu siarkowego to:

1. Gips (alabaster, selenit). Nazwa chemiczna to wodny krystaliczny hydrat siarczanu wapnia. Wzór: CaSO_{4. Stosowany w budownictwie, medycynie, przemyśle celulozowo-papierniczym, jubilerstwie.}
2. Baryt (ciężki dźwigar). siarczan baru. W roztworze jest mlecznym osadem. W postaci stałej - przezroczyste kryształy. Stosowany w przyrządach optycznych, promieniach rentgenowskich, powłokach izolacyjnych.
3. Mirabilit (sól Glaubera). Nazwa chemiczna to dekahydrat siarczanu sodu. Wzór: Na₂SO₄10H_{2O. Stosowany w medycynie jako środek przeczyszczający.}

Istnieje wiele przykładów soli, które mają praktyczne znaczenie. Jednak te wymienione powyżej są najczęstsze.

Ług siarczanowy

Ta substancja jest roztworem, który powstaje w wyniku obróbki cieplnej drewna, czyli celulozy. Głównym celem tego związku jest otrzymywanie na jego bazie mydła siarczanowego poprzez osadzanie. Skład chemiczny ługu siarczanowego jest następujący:

• lignina;
• hydroksykwasy;
• monosacharydy;
• fenole;
• żywica;
• kwasy lotne i tłuszczowe;
• siarczki, chlorki, węglany i siarczany sodu.

Istnieją dwa główne rodzaje tej substancji: biały i czarny ług siarczanowy. Biel trafia do przemysłu celulozowo-papierniczego, podczas gdy czerń jest wykorzystywana do produkcji mydła siarczanowego w przemyśle.

Główne aplikacje

Roczna produkcja kwasu siarkowego wynosi 160 milionów ton rocznie. To bardzo znacząca liczba, która wskazuje na znaczenie i rozpowszechnienie tego związku. Istnieje kilka branż i miejsc, w których konieczne jest stosowanie kwasu siarczanowego:

1. W akumulatorach jako elektrolit, zwłaszcza ołowiowych.
2. W fabrykach, w których produkowane są nawozy siarczanowe. Większość tego kwasu jest wykorzystywana specjalnie do produkcji nawozów mineralnych dla roślin. Dlatego też zakłady do produkcji kwasu siarkowego i produkcji nawozów są najczęściej budowane obok siebie.
3. W przemyśle spożywczym jako emulgator, oznaczony kodem E513.
4. W wielu syntezach organicznych jako czynnik odwadniający, katalizator. W ten sposób uzyskuje się materiały wybuchowe, żywice, środki czyszczące i detergenty, nylony, polipropylen i etylen, barwniki, włókna chemiczne, estry i inne związki.
5. Stosowany w filtrach do oczyszczania wody i przygotowywania wody destylowanej.
6. Stosowany do ekstrakcji i przetwarzania rzadkich pierwiastków z rudy.

Również dużo kozickwas trafia do badań laboratoryjnych, gdzie jest pozyskiwany metodami lokalnymi.