Определение
Серная кислота (серная кислота) является едкой минеральной кислотой с маслянистым, стекловидным внешним видом, что дало ей более раннее название масла купороса. Другие названия – сульфиновая кислота, аккумуляторная кислота и сероводород. Формула серной кислоты H2SO4 указывает на присутствие атома серы, окруженного двумя гидроксидными соединениями и двумя атомами кислорода. Эта мощная кислота используется в различных отраслях промышленности, прежде всего в производстве удобрений и химических веществ.
Короче говоря, Производство серной кислоты делится на пять этапов – извлечение серы из земли или в качестве побочного продукта других производственных процессов, превращение серы в диоксид серы, дальнейшее превращение диоксида серы в триоксид серы и окончательное добавление воды для превращения триоксида серы в дымящую серную кислоту и добавление концентрированной серной кислоты для получения еще большего количества молекул.
Серная кислота в производстве удобрений
Производство удобрений использует серную кислоту для добавления серы в почву. Большая часть сельскохозяйственных земель требует источника серы для замены того, что использовалось зерновыми культурами или выщелачивалось в дождливые периоды. Недостаток серы приводит к лист пожелтение, лист и ткань некроз и задержка развития. Пока растения не могут использовать элементарную серу, почвы бактерии окисляют это, чтобы сформировать сульфат. Сульфат является наиболее важным источником питания для всех растение Жизнь и растения могут легко поглотить его через свои корни.
Во время переработки ископаемого топлива сера извлекается в качестве побочного продукта из угля, сырой нефти и природного газа, которые содержат его в небольших или больших количествах. Во время переработки ископаемого топлива эта сера удаляется и чаще всего отправляется в виде серной кислоты на заводы по производству удобрений. Сера не только добавляется в почву, но и необходима для производства суперфосфата извести, где фосфат породы смешивается с серной и фосфорной кислотой. Суперфосфат извести позволяет растениям поглощать фосфаты. Другим важным удобрением является сульфат аммония, получаемый в результате реакции между аммонием и серной кислотой. Серная кислота, производимая для производства удобрений, имеет техническую чистоту или загрязнена и слабо окрашена с концентрацией от 78 до 93%.
Серная кислота в химическом производстве
Использование серной кислоты в химическом производстве включает производство капролактама для нейлоновых волокон и диоксида титана, который представляет собой ярко-белый пигмент. Кроме того, серная кислота необходима для производства плавиковой кислоты, которая заменила хлорфторуглероды (ХФУ) для использования в холодильниках или системах кондиционирования воздуха.
Сульфатные соли, такие как сульфат кальция (гипс и гипс) и гидросульфат, являются производными этой конкретной кислоты. Хотя сульфиты металлов, как правило, нелегко растворяются в воде, другие сульфатные соли, наоборот, образуют серную кислоту один из самых доступных и лучших растворителей для использования в широком спектре отраслей промышленности, Минеральные добавки в секторе здравоохранения и лауретсульфат натрия в шампуне и туалетных принадлежностях являются другими примерами сульфатных солей. Именно эти частицы способствуют кислотному дождю, но в то же время они могут играть незначительную защитную роль в качестве частиц в воздухе по отношению к диффузия солнечной радиации.
Серная кислота также используется для производства взрывчатых веществ. Добавление азотной и серной кислот в целлюлозу делает легковоспламеняющейся нитроцеллюлозой. По этой причине покупка серной кислоты в больших количествах требует лицензии. Коммерческая серная кислота продается с минимальной концентрацией 95%.
Серная кислота в лаборатории
В лаборатории серная кислота используется в качестве осушающего агента и в количественном анализе, где концентрация решение рассчитывается с использованием метода, известного как титрование. Всякий раз, когда к кислоте добавляют воду (остерегайтесь реакции с серной кислотой и всегда добавляйте кислоту в воду, а не наоборот), положительно заряженные ионы водорода высвобождаются из кислоты путем донорства протонов. Основания или щелочи, такие как гидроксид натрия, производят отрицательно заряженные гидроксид-ионы в присутствии воды из-за принятия протонов. В зависимости от количества кислоты или щелочи в растворе, можно рассчитать его концентрацию, сложив противоположные и выяснив, когда отрицательные и положительные заряды нейтрализуют друг друга и объединяются, образуя воду молекула, Например, когда серная кислота и гидроксид натрия (NaOH) смешиваются, они реагируют и образуют молекулы воды. Однако такой металл, как натрий, в присутствии серы и воды будет дополнительно производить сульфат натрия (Na2SO4) и воду.
Примером использования титрования может быть определение концентрации раствора серной кислоты. Титрование кислоты требует известной концентрации щелочного реагента (титранта) – в данном случае гидроксида натрия. Добавляя небольшие известные количества основания к кислоте и проверяя реакцию нейтрализации с помощью индикатора pH, можно определить, сколько молей NaOH требуется для реакции с H2SO4, и таким образом рассчитать концентрацию в молях на литр.
Серная кислота в автомобильной промышленности
Серная кислота является электролитом; электролит – это раствор, в котором присутствуют ионы. Свинцово-кислотные аккумуляторы в автомобилях состоят из наборов положительно заряженных пластин из оксида свинца, погруженных в электролит, и отрицательно заряженных пластин из чистого свинца, погруженных аналогичным образом. Этот электролит представляет собой разбавленную серную кислоту (примерно 33%). Вот почему серная кислота часто упоминается как аккумуляторная кислота,
Автомобильные аккумуляторы накапливают химическую энергию и преобразуют ее в электрическую энергию посредством реакций водорода, кислорода, свинца и серы друг с другом. Присутствие дистиллированной (чистой) воды в серной кислоте производит водород и сульфат. Отпущенные отрицательные электроны перемещаются от отрицательной к положительной пластине, в то время как сульфат-ионы замещают эту потерю в отрицательно заряженной пластине (электроде), впоследствии реагируя со свинцом с образованием сульфата свинца. Серная кислота идеально подходит для этой реакции, поскольку она является дипротоновой кислотой, способной высвобождать два своих протона одновременно.
Эта реакция также происходит в положительной пластине, где связи оксида свинца разрываются, и атомы кислорода растворяются в растворе серной кислоты, оставляя атомы свинца в пластине для связи с сульфатом. Присутствие кислорода и водорода в растворе приводит к образованию воды, понижающей концентрацию серной кислоты. Когда эта концентрация слишком низкая, батарею необходимо заменить или перезарядить.
Перезарядка является противоположностью вышеописанного процесса, возвращая аккумулятор в исходное состояние положительной пластины сульфата свинца, отрицательной пластины чистого свинца и исходной концентрации сернокислого электролита; Однако, ионы медленно теряются со временем Именно поэтому срок службы батареи, даже когда она перезаряжаемая, ограничен.
Что касается энергетики, серная кислота также является компонентом литий-серно-хлоридных (Li-SO2Cl2) и литий-серно-диоксидных батарей (Li-SO2). Литий-серные батареи в настоящее время вызывают большой интерес, поскольку теоретически они могут хранить значительно больше энергии, чем литий-ионные альтернативы; Тем не менее, много исследований еще предстоит сделать.
Серная кислота в пищевой промышленности
Серная кислота часто используется в пищевой промышленности для обезвоживания некоторых пищевых продуктов, таких как фрукты, или для остановки роста бактерий и других вредных микробов, которые ускоряют процесс распада. Используется в форме спрея для сохранения мяса или птицы. Серная кислота также является пищевой добавкой общего назначения, используемой в алкогольных напитках и сыре.
Для сушки фруктов высоко ценится способность серной кислоты удалять воду. В присутствии воды серная кислота вступает в реакцию с образованием H3O + (гидроний) и HSO4– (сероводород). Последующая реакция объединяет сероводород с водой для получения большего количества H3O + и SO42- или сульфата. В виде реакция гидратации серной кислоты не требует энергии – это термодинамически выгодно – и так как в нем много атомов водорода (протонов), которые она с радостью жертвует, серная кислота быстро снижает pH любой ткани, с которой она вступает в контакт. Однако, в процессах сушки фруктов концентрированная серная кислота не находится в прямом контакте с фруктами но вместо этого используется для сушки воздуха вокруг него, удаляя влагу и тем самым помогая и ускоряя процесс обезвоживания.
Серная кислота в организме человека
В организме человека только аминокислоты цистеин (необязательно) и метионин (обязательно) содержат серу. Это означает, что многие белки, содержащие их, способны производить небольшое количество серной кислоты при метаболизме. Когда эта нелетучая (метаболическая) серная кислота не расщепляется и не используется, она выводится через почки.
Сера является одним из самых распространенных минералов в организме человека. и легко доступны в пищевых источниках от чеснока до мяса. Большинство волос и кожа Лечение, диетические добавки и совместное лечение фармацевтическими препаратами содержат большое количество этого элемента.
H2SO4 + 2NaHCO3 → Na2SO4 + 2H2O + CO2
Производство CO2 позволяет организму быстро регулировать pH посредством вентиляции легких, в то время как почки регулируют ионы водорода и бикарбоната посредством экскреция и реабсорбция в более неторопливом темпе.
Кислотные ожоги являются результатом обезвоживания тканей, Коррозионные характеристики сильного раствора серной кислоты обусловлены его способностью отдавать ионы водорода, вызывая мощную реакцию окисления. Кожа содержит большое количество воды, и взаимодействие H2SO4 с H20 приводит к образованию положительно заряженных ионов гидрония (H3O +) и отрицательно заряженного сероводорода (HSO4–), что соответствует реакции, описанной в разделе, описывающем дегидратацию плодов. Когда эта реакция происходит, она также генерирует тепло, которое увеличивает любой ущерб.
Приток серной кислоты в кожу связан с немедленной диссоциацией ее ионов водорода; рН пораженной ткани быстро падает. В этой сильно кислой среде окружающие клетки погибают, что приводит к некрозу коагуляции, образованию капилляров и образованию тромба и тромбов в капиллярах и более крупных размерах. кровь сосуды при ожогах второй и третьей степени.
Добавление воды к концентрированному сжиганию серной кислоты или даже раствора, превышающего 20%, не только добавляет дополнительный ингредиент, с которым может реагировать серная кислота, но и последующая реакция генерирует еще больше тепла и, таким образом, больше ущерба. Полоскание под проточной водой должно производиться только сразу после контакта смыть кислоту с кожи но это не лечение или терапия. Прежде чем проводить какое-либо лечение, кислоту необходимо нейтрализовать. Вот почему иногда рекомендуется мыть немедленно с мылом, поскольку большинство мыл являются щелочными. При сжигании серной кислоты время имеет большое значение. Старая информация об упаковке, изображенная ниже, говорит вам, чтобы вы использовали много мыла, а затем покрыли магнезией или пищевой содой. Все эти вещества являются щелочными. Для приема серной кислоты в этих инструкциях рекомендуется пить мел, мыло или даже настенную штукатурку, еще раз щелочи, которые будут принимать диссоциированные протоны. В обоих случаях несчастному человеку рекомендуется обратиться за медицинской помощью.
Структура серной кислоты
Структура серной кислоты состоит из одного атома серы, связанного с двумя атомами кислорода посредством двойных связей, и двух гидроксильные группы (ОН) присоединяется через одинарные связи. Это хорошо видно на изображении ниже.
Факты о серной кислоте
Вот некоторые факты о серной кислоте, которые дадут вам дополнительное представление об этой едкой, опасной, но важной кислоте.
Молярная масса серной кислоты составляет 98,08 г / моль. Это рассчитывается в соответствии с атомными массами его атомов: два атома водорода (2 х 1,008 г / моль), один атом серы (1 х 32,065 г / моль) и четыре атома кислорода (4 х 16 г / моль). Для общего веса одной молекулы серной кислоты расчет такой же, но результаты приведены в аму или единицах атомной массы. Именно когда вы хотите знать молекулярную массу более чем одного моля, результат молекулярной массы отличается от молярной массы. Например, когда у вас есть 2 грамма диоксида серы (SO2 с молярной массой 64,065 г / моль) и вы хотите знать, сколько это молей. Чтобы рассчитать этот результат, сначала нужно разделить 1 (моль) с молярной массой вещества. Затем вы умножаете результат на 2 (граммы), как показано в приведенном ниже уравнении.
Плотность серной кислоты зависит от ее силы (концентрации) и температуры. Например, 13% раствор H2SO4 при комнатной температуре имеет плотность 9,09 г / см3. 96% раствор при той же температуре имеет плотность 15,37 г / см3. Температура кипения серной кислоты составляет 639 ° F, 337 ° C или 610 К; температура замерзания составляет 37 ° F, а температура плавления – 50 ° F.
Серная кислота и автопротолиз
Чистая H2SO4 или безводная H2SO4 является очень полярной жидкостью, что означает, что она содержит молекулы, в которых полярные связи – связи между двумя атомами, которые распределены неравномерно – имеют очень слегка отрицательный и положительный заряд на противоположных концах. Эти заряженные концы могут притягивать или отталкивать противоположно заряженные почти соприкасающиеся молекулы посредством очень слабых диполь-дипольные силы, Серная кислота полностью ионизируется в присутствии воды на ионы гидрония (H30 +) и ионы сероводорода (HSO4–). Однако, без воды серная кислота ионизирует сама с собойгде две молекулы серной кислоты автопротолизуются с образованием одного протонированного иона серной кислоты H3SO4 + и одного иона сероводорода (HSO4–), как видно из уравнения ниже:
2 H2SO4 ⇌ H3SO4 + + HSO4-
Этот высокий уровень ионизации делает серную кислоту превосходной растворитель для широкого спектра реакций и хорошо превосходит свойства растворителя воды.
Серная кислота в нашей среде
Серная кислота является составной частью кислотный дождь и образуется в результате атмосферного окисления газообразного диоксида серы в присутствии влаги. Поскольку диоксид серы образуется, когда ископаемое топливо сжигается либо на производственных предприятиях, для производства электроэнергии и отопления, либо на транспортных средствах, кислотные дожди – это прежде всего антропогенное явление. Сухое осаждение в форме кислых частиц означает, что кислоты могут оседать, а затем вымываться дождевыми осадками, принося кислую воду в пресноводные и морские экосистемы, а также в наземную среду. Это может нанести вред жизни растений и животных.
Серная кислота также является продуктом природного мира путем окисления серосодержащих минералов и руд. Вулканы славятся повышением уровня кислотности близлежащих озер и рек. Говорят, что смерть Плиния Старшего, который в экспедиции, чтобы спасти друзей от извержения Везувия, внезапно упал на землю и умер, была вызвана вдыханием диоксида серы. Предположительно, попав в среду с высокой влажностью легких, этот газ превратился в серную кислоту, подавив и убив его.
Результирующие потоки кислой воды, вызванные кислотными дождями, могут привести к дренажу кислых пород (ARD). ARD на самом деле является результатом образования разбавленной серной кислоты в результате минеральных реакций в породе, которые несут значительный ущерб окружающей среде. Регулирующие органы пытаются ограничить воздействие ОРЗ, не допуская попадания воды в промышленные отходы серы, добавляя щелочи в сточные воды и следя за тем, чтобы сточные воды очищались до того, как они попадут в природные источники воды. Кислая вода растворяет различные металлы, присутствующие в сульфидных рудах, и производит яркие, но очень токсичные потоки.