Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 34. Сульфур(VІ) оксид. Сульфатна кислота. Сульфати

Пригадайте:

• розбавленими прийнято вважати розчини, у яких маси розчиненої речовини й розчинника відрізняються в 10 разів і більше;
• ступінь дисоціації кислот залежить від їхньої концентрації: чим більш концентрованою є кислота, тим менший її ступінь дисоціації.

Фізичні властивості сульфур(VІ) оксиду

Сульфур(VІ) оксид, або сульфатний ангідрид, SO₃:

• летка безбарвна масляниста рідина із задушливим запахом;

• t_кип. = 45 °С, t_пл. = 16,9 °С;

• густина 2,26 г/см³;

• дуже гігроскопічний, добре поглинає воду, утворюючи сульфатну кислоту;

• токсичний.

Чиста (безводна) сульфатна кислота H₂SO₄:

• безбарвна сиропоподібна гігроскопічна рідина, що необмежено змішується з водою;

• t_пл. = 10,5 °С, t_кип. = 338 °С (без розкладання);

• густина 1,84 г/см³ — майже у два рази важча за воду.

Чиста сульфатна кислота термічно нестійка, за нагрівання вона частково розкладається, виділяючи сульфур(VІ) оксид, тому в лабораторіях зазвичай використовують її 96%-й розчин.

Розчинення сульфатної кислоти у воді супроводжується виділенням великої кількості теплоти, що свідчить про хімічну взаємодію. Сульфатна кислота — важка рідина і в разі потрапляння у воду опускається на дно. Якщо в концентровану кислоту потрапить більш легка вода, то верхній шар рідини дуже розігрівається, розчин закипає, й утворюються бризки.

У деяких випадках посудина може тріснути. Готуючи розчин, необхідно обережно вливати сульфатну кислоту у воду, постійно перемішуючи. Не можна лити воду в кислоту (мал. 34.1).

Мал. 34.1. Правило змішування сульфатної кислоти з водою

Хімічні властивості сульфур(VІ) оксиду

Сульфур(VI) оксид є кислотним оксидом, тому реагує:

• з основними оксидами:

РbО + SO₃ = PbSO₄

• із лугами:

SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + Н₂О

SO₃ + Са(ОН)₂ = CaSO₄↓ + Н₂О

Під час взаємодії з водою утворюється сульфатна кислота:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Хімічні властивості сульфатної кислоти

• Електролітична дисоціація. Сульфатна кислота — сильний електроліт: у розбавлених водних розчинах молекули сульфатної кислоти повністю дисоціюють за першою стадією з утворенням гідрогенсульфат-іонів:

H₂SO₄ ⇄ H⁺ + HSO₄^-;

За другою стадією сульфатна кислота — електроліт середньої сили. У її розчині з масовою часткою 1 % за другою стадією дисоціює лише 20 % молекул з утворенням сульфат-іонів:

H₂SO₄ ⇄ H⁺ + HSO₄^-

Оскільки сульфатна кислота двохосновна, вона утворює два види солей: сульфати (наприклад, K₂SO₄) та гідрогенсульфати (наприклад, KHSO₄).

• Реакції обміну. Сульфатна кислота виявляє всі загальні властивості кислот. Вона змінює забарвлення індикаторів та реагує:

• з основними й амфотерними оксидами:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂О

• з основами:

3H₂SO₄ + 2Fe(OH)₃ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O

• із солями слабкіших кислот:

H₂SO₄ + ZnS = ZnSO₄ + H₂S↑

Концентрована сульфатна кислота витісняє із твердих солей леткі кислоти — нітратну й хлоридну:

Н₂SО₄(конц.) + 2NaCl(тв.) = Na₂SO₄ + 2НСl↑

Із лугами та гідроксидами, залежно від співвідношення кількості реагентів, можуть утворюватися різні солі:

• кислі (за нестачі лугу):

• середні (за надлишку лугу):

• Взаємодія з металами. Продукти реакції сульфатної кислоти з металами суттєво залежать від концентрації кислоти.

Розбавлена сульфатна кислота взаємодіє з металами, як і будь-яка сильна кислота. Але вона взаємодіє лише з тими металами, що розташовані в ряду активності ліворуч від водню, з утворенням солі та водню:

H₂SO₄ + Fe = FeSO₄ + Η₂↑

У цих реакціях сульфатна кислота виявляє слабкі окисні властивості за рахунок йонів Н⁺:

Із неактивними металами (мідь, срібло, ртуть тощо) розбавлена кислота не взаємодіє.

Концентрована сульфатна кислота за окисними властивостями значно відрізняється від розбавлених водних розчинів. Концентрована сульфатна кислота, яка містить переважно недисоційовані молекули H₂SO₄, є сильним окисником завдяки S⁺⁶, оскільки дисоціація в концентрованих розчинах відбувається незначною мірою. Така кислота реагує як з активними металами, так і з малоактивними. В усіх цих реакціях утворюються відповідні солі (сульфати), але замість водню утворюються продукти відновлення сульфатної кислоти — сульфур(ІV) оксид, сірка або гідроген сульфід.

Взаємодія малоактивних металів (зокрема, міді) із концентрованою сульфатною кислотою за нагрівання відбувається з бурхливим виділенням газу, який легко визначити за запахом — сульфур(ІV) оксид. Окрім того, розчин поступово набуває синього кольору, що характерний для солей двовалентного Купруму:

Сu + 2Н₂SО₄(конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2Н₂О

У цій реакції сульфатна кислота є окисником, а мідь — відновником:

Із металами, розташованими в ряду активності ліворуч від водню, залежно від умов (активність металу, концентрація кислоти, температура) утворюються сульфур(ІV) оксид, сірка або гідроген сульфід. Наприклад:

4Mg + 5H₂SO₄ = 4MgSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O

3Zn + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S↓ + 4H₂O

Концентрована сульфатна кислота пасивує за звичайної температури залізо й алюміній, тобто ці метали з нею не реагують. Завдяки цьому концентровану сульфатну кислоту можна зберігати і перевозити у сталевих цистернах. Але за нагрівання реакція може відбутися.

• Водовідіймаючі властивості. У 9 та 10 класах ви вивчали властивості вуглеводнів та їх відношення до концентрованої сульфатної кислоти. Така кислота виявляє не лише гігроскопічність (поглинання водяної пари з повітря), а й може віднімати воду і від деяких органічних речовин, обвуглюючи їх.

Мал. 34.2. Обвуглювання деревини концентрованою сульфатною кислотою

Цукор під час контакту з концентрованою сульфатною кислотою поступово нагрівається й чорніє. Також у концентрованій сульфатній кислоті обвуглюються папір, бавовна та деревина: занурена в неї скіпка миттєво чорніє, перетворюючись на вугілля (мал. 34.2):

С₁₂Н₂₂О₁₁ + 11H₂SO₄ = 12С + 11H₂SO₄ • H₂O

Цю властивість концентрованої сульфатної кислоти використовують у лабораторії для осушування газів: кислота поглинає воду під час пропускання крізь неї щойно добутих газів. Також ця властивість виявляється у вивчених вами в 10 класі реакціях дегідратації спиртів, дегідрогенгалогенування та естерифікації.

Поводитися із сульфатною кислотою слід дуже обережно, оскільки вона спричиняє сильні опіки, а в тяжких випадках може статися обвуглювання шкіри. У разі потрапляння кислоти на шкіру її треба якомога швидше змити інтенсивним струменем води, а потім промити уражене місце розбавленим розчином питної соди.

• Утворення олеуму. Безводна сульфатна кислота поглинає додаткову кількість сульфур(VI) оксиду. Отриманий розчин називають олеумом, максимально він може містити 65 % сульфур(VІ) оксиду. Під час розчинення сульфур(VІ) оксид взаємодіє з кислотою і утворює дисульфатну кислоту:

H₂SO₄ + SO₃ = H₂S₂O₇

Сульфати

Сульфатна кислота утворює два види солей: середні солі сульфати і кислі солі гідрогенсульфати. Гідрогенсульфати й більшість сульфатів добре розчинні у воді. Винятком є сульфати деяких двовалентних металічних елементів — Кальцію, Барію, Плюмбуму(II).

Солі сульфатної кислоти — це зазвичай кристалічні речовини, добре розчинні у воді. Більшість сульфатів трапляються у вигляді яскраво забарвлених кристалогідратів: NiSO₄ • 7Н₂О — інтенсивно-зелений, FeSO₄ • 7H₂O — блідо-зелений, a CuSO₄ • 5H₂O — синій. Кристалогідрати сульфатів часто називають купоросами (мідний купорос, залізний тощо).

Під час прожарювання сульфатів лужних і лужноземельних елементів до високих температур розкладання не відбувається аж до плавлення (близько 2000 °С). Сульфати менш активних металічних елементів за нагрівання розкладаються на оксиди:

Сульфати металічних елементів, що розташовані в ряду активності праворуч від водню, розкладаються на метал, сульфур(ІV) оксид і кисень:

Якісна реакція на сульфати

Для виявлення в розчині сульфатної кислоти або її солей використовують розчини солей Барію. Йони Барію утворюють із сульфат-іонами білий кристалічний осад барій сульфату:

Ba²⁺ + SO₄^2- → BaSO₄↓

Щоб відрізнити цей осад від інших нерозчинних у воді солей Барію (карбонатів, сульфітів), додають нітратну або хлоридну кислоту. Барій сульфат із кислотами не реагує, а карбонат і сульфіт — реагують. Ця реакція є якісною на сульфатну кислоту та її солі.

Застосування сульфатної кислоти та сульфатів

Сульфатна кислота — найважливіший продукт світової хімічної промисловості. Її виробництво перевищує 100 млн тонн на рік.

• Приблизно три чверті одержаної кислоти йде на виготовлення добрив.

• Також сульфатну кислоту використовують для очищення нафтопродуктів, виготовлення пластмас і хімічних волокон, барвників, ліків, мийних засобів, вибухових речовин, видалення іржі з металевих поверхонь.

• Розчин сульфатної кислоти використовують як електроліт у свинцевих акумуляторах.

• Сульфати багатьох елементів широко використовують майже в усіх галузях промисловості.

Цікавий факт

• Слина хижого равлика Бочечка (із родини Tonnidae) містить майже 4 % сульфатної кислоти. Нею вони руйнують мушлі інших молюсків під час полювання.

• Зазвичай сульфатна кислота не трапляється в природі: у навколишньому середовищі вона перетворюється на інші, менш активні речовини. Однак у Південній Америці деякі річки, що беруть початок у кратерах згаслих вулканів, містять невелику кількість (0,1 %) сульфатної кислоти.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 6

Хімічні властивості розбавленої сульфатної кислоти та сульфатів

Обладнання: штатив із пробірками, піпетки, фільтрувальний папір, нагрівальний прилад.

Реактиви: залізний, алюмінієвий та мідний дроти (або ошурки), розчини лакмусу, сульфатної кислоти, натрій гідроксиду, купрум(ІІ) хлориду, барій хлориду, натрій сульфату, натрій карбонату, натрій хлориду.

Дотримуйтесь правил безпеки

Дослід 1. Налийте в пробірку розбавлену сульфатну кислоту об’ємом 1 мл і додайте в неї лакмус. Як змінився колір індикатора?

Дослід 2. Помістіть у пробірку шматок залізного дроту і додайте до нього розбавлену сульфатну кислоту об’ємом 1-2 мл. Що спостерігаєте? Проведіть аналогічний дослід з алюмінієвим та мідним дротами.

Дослід 3. Добудьте осад купрум(II) гідроксиду і долийте до нього розбавлену сульфатну кислоту об’ємом 1-2 мл. Що спостерігаєте?

Дослід 4. На шматок фільтрувального паперу нанесіть декілька крапель розчину сульфатної кислоти й обережно нагрійте папір, тримаючи над електроплиткою. Що відбувається? Поясніть спостереження, знаючи, що під час нагрівання вода, яка містилася в розчині кислоти, випаровується, і концентрація кислоти збільшується.

Дослід 5. До розчину сульфатної кислоти об’ємом 1-2 мл додайте одну-дві краплі розчину барій хлориду. Відзначте колір осаду, що випав. Виконайте аналогічний дослід із розчинами сульфату, карбонату й хлориду Натрію. Як розрізнити одержані осади? Запишіть рівняння якісної реакції на сульфатну кислоту та сульфати.

ЛАБОРАТОРНІ ДОСЛІДИ № 7, 8

Якісні реакції на сульфіт- та сульфід-іони

Обладнання: штатив із пробірками, піпетки.

Реактиви: розчини сульфатної кислоти, барій хлориду, натрій сульфіту, натрій сульфіду, плюмбум(II) нітрату, хлоридна кислота.

Дотримуйтесь правил безпеки

Дослід 1. До розчину натрій сульфіту об’ємом 1-2 мл додайте одну-дві краплі розчину барій хлориду. До утвореного осаду прилийте декілька крапель хлоридної кислоти. Що відбувається? Відзначте утворення запаху в пробірці. Зробіть висновок щодо осадів у цьому та попередньому дослідах. Запишіть рівняння реакцій, що відбуваються.

Дослід 2. До розчину натрій сульфіду об’ємом 1-2 мл додайте декілька крапель розчину плюмбум(II) нітрату. Відзначте колір осаду. Перевірте його розчинність у кислотах. Запишіть рівняння реакції, що відбулася.

Ключова ідея

Сульфатна кислота — небезпечна у використанні, але вкрай важлива речовина для промисловості й лабораторної практики.

Запитання та завдання

195. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості сульфатної кислоти і сульфур(VI) оксиду.

196. Сформулюйте правило розбавлення концентрованої сульфатної кислоти водою. Поясніть необхідність дотримуватися його.

197. Чому чиста сульфатна кислота не проводить електричний струм, а її водний розчин проводить?

198. Схарактеризуйте застосування сульфатної кислоти і сульфатів.

199. З якими з речовин — Fe, Fe(OH)₃, SО₂, С, СаО, Сu, Na₂CO₃, МgСl₂(тв.) — взаємодіє сульфатна кислота: а) розбавлена; б) концентрована? Запишіть рівняння реакцій.

200. З якими з речовин — мідь, купрум(ІІ) оксид, купрум(ІІ) гідроксид — концентрована сульфатна кислота реагує: а) як окисник; б) як сильна кислота? Запишіть рівняння реакцій.