Оксид серы (VI), серная кислота, сульфаты

СульфатыОксид серы (VI) ангидрид серной кислоты, или серный ангидрид SO3 — бесцветная жидкость, затвердевающая уже при  комнатной температуре16°С; tкип. 45 °C.

Оксид серы (VI) энергично взаимодействует с водой, образуя серную кислоту:

SO3 + H2O = H2SO4

SO3 очень хорошо растворяется в 100%-ной серной кислоте. Раствор SO3 в такой кислоте называется олеумом. SO3 взаимодействует с серной кислотой с образованием поликислот, в частности, дисерной кислоты H2S2O7.

Серная кислота — сильная двухосновная кислота, которая образует средние соли — сульфаты (например, Na2SO4, CuSO4), и кислые — гидросульфаты (например, NaHSO4). Это тяжелая вязкая маслянистая жидкость, неограниченно растворимая в воде. Растворение протекает с выделением большого количества теплоты. Концентрированная серная кислота — гигроскопичное вещество, способное поглощать влагу из воздуха. По этой причине серную кислоту используют для осушения веществ, например газов, которые не реагируют с H2SO4.

При взаимодействии концентрированной серной кислоты с различными металлами, неметаллами и сложными веществами происходит ее восстановление до SO2, S или H2S:

Zn +2H2SO4(конц.) = ZnSO4 + SO2? + 2H2O.

Концентрированная серная кислота окисляет даже малоактивные металлы, например медь, серебро, а также неметаллы (уголь, фосфор):

Cu + 2H2SO4(конц.) = CuSO4 + SO2? + 2H2O.

2Ag + 2H2SO4(конц.) = Ag2SO4 + SO2? + 2H2O.

C + 2H2SO4(конц.) = CO2? + 2SO2? + 2H2O.

2P + 5H2SO4(конц.) = 2H3PO4 + 5SO2? + 2H2O.

Для разбавленной серной кислоты характерны реакции, общие для всех кислот. Она окисляет только металлы, стоящие в ряду активности до водорода, за счет ионов Н+, например:

Zn + H2SO4(разб.) = ZnSO4 + H2?

Zn + 2H+ = Zn2+ + H2?

В реакциях с основаниями, щелочами и оксидами образует сульфаты либо гидросульфаты. Из всех сульфатов наименьшей растворимостью обладает сульфат бария — именно поэтому его образование в виде белого осадка используют как качественную реакцию на сульфат-ион:

Ba2+ + SO42– = BaSO4

Производство серной кислоты

Основным сырьем для промышленного получения серной кислоты являет пирит (серный колчедан) FeS2; также можно использовать самородную серу, сероводород, газы, получаемые при окислительном обжиге руд цветных металлов.

Первая стадия производства — получение оксида серы (IV) и его очистка. Окисление пирита проводят воздухом в печах для обжига в «кипящем слое»:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

Полученный оксид серы (IV) в составе печного газа очищают от пыли, примесей, которые являются каталитическими ядами для катализатора второй стадии, осушают газ, т.е. удаляют влагу.

Вторая стадия — окисление оксида серы (IV) до оксида серы (VI). SO3 получают окислением SO2 только в присутствии катализатора (Pt, V2O5 или NO2):

2SO2 + O2 2SO3 + Q

Необходимость использования катализатора в этой обратимой реакции обусловлена тем, что сместить равновесие в сторону продукта – SO3 можно только при понижении температуры (поскольку реакция экзотермическая), однако при низких температурах cильно падает скорость протекания реакции. Поэтому приходится искать компромиссное решение. Поскольку для оптимального сдвига равновесия вправо требуется низкая температура, а для достижения удовлетворительной скорости — высокая температура, на практике процесс проводят при температуре 400 — 500 °С.

В основном в промышленности используют твердый катализатор V2O5, который располагается на полках контактного аппарата.

Третья стадия — поглощение оксида серы (VI):

SO3+H2O=H2SO4

На практике SO3 поглощают не водой (во избежание кислотного тумана), а концентрированной серной кислотой, в результате чего образуется олеум (от лат. oleum — масло) — раствор SO3 в 100%-ной серной кислоте. Разбавлением олеума можно получить как безводную серную кислоту, так и раствор серной кислоты любой концентрации.