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;

• tкип. = 45 °С, tпл. = 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;

• tпл. = 10,5 °С, tкип. = 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:

Н24(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 + 2Н24(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+ + SO42- → 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.