Оксид серы (VI). Серная кислота

Оксид серы (VI) SО₃ — ангидрид серной кислоты — бесцвет­ная жидкость при комнатной температуре, затвердевающая уже при 17°С (T_пл = 16,8 °С; T_кип = 45°С).

SО₃ получают окислением SО₂ только в присутствии ката­лизатора (Рt или \/₂О₅) и высоком давлении 

	to
2SO2 + O2		2SO3 + Q	(1)

 Необходимость использования катализатора в этой обратимой реакции обусловлена тем, что сместить равновесие вправо можно только при понижении температуры (поскольку реакция экзотер­мическая!), однако при низких температурах сильно падает ско­рость протекания реакции. Поэтому, так же, как в случае синтеза аммиака приходится ис­кать компромиссное решение. Поскольку для оптимального сдви­га равновесия (1) вправо требуется низкая температура, а для достижения удовлетворительной скорости — высокая температу­ра, на практике процесс проводят при температуре 400—450 °С.

Оксид серы (VI) энергично соединяется с водой, образуя сер­ную кислоту (маслянистая жидкость с Т_пл = 10 °С):

 SО₃ + Н₂О = Н₂SО₄.  (2).

SО₃ очень хорошо растворяется в 100%-ной серной кислоте. Раствор SO₃ в такой кислоте называется олеумом.

Серная кислота — сильная двухосновная кислота. В воде она диссоциирует ступенчато, образуя гидросульфат— и сульфат—ионы:

 Н₂SO₄ Н⁺ + НSO₄^— (К₁ = 1∙10⁺³),

 НSO₄^— Н⁺ + SО₄^2- (К₂=1,1∙10^-2).

Серная кислота принимает участие во всех реакциях, харак­терных для кислот.

Разбавленная серная кислота окисляет только металлы, стоя­щие в ряду активности до водорода, за счет ионов Н⁺, например:

Zn + Н₂SО_4(разб) = ZnSO₄ + Н₂↑,

в реакциях с основаниями, щелочами и оксидами об­разует сульфаты либо гидросульфаты.

Отметим, что из всех сульфатов наименьшей растворимостью обладает сульфат бария — именно поэтому его образование в виде белого осадка используют как качественную реакцию на сульфат—ион:

Ва²⁺ + SO₄^2- = ВаSО₄↓.

При прокаливании твердые сульфаты ведут себя по—разному. Так, сульфаты щелочных металлов плавятся без разложения. Сульфаты металлов средней активности образуют соответствую­щие оксиды:

ZnSО₄ = ZnО + SО₃↑.

Сульфат железа (II) разлагается по механизму внутримолеку­лярного окисления—восстановления:

4FeSО₄ = 2Fе₂О₃ + 4SО₂↑ + О₂↑.

Наконец, сульфаты наиболее тяжелых металлов разлагаются до металла:

Ag₂SO₄ = 2Ag↓ + SО₂↑ + О₂↑,

НgSО₄ = Нg + SО₂↑ + О₂↑.

При взаимодействии концентрированной серной кислоты с различными металлами, как правило, происходит ее восстановле­ние до SО₂, например:

Zn + 2Н₂SО_4(конц) = ZnSО₄ + SO₂↑ + 2Н₂О.

Концентрированная серная кислота окисляет медь, серебро, углерод, фосфор:

 2Аg + 2Н₂SО₄ = Аg₂SО₄ + SО₂↑ + 2Н₂О, (3)

 2Р + 5Н₂SО₄ = 2Н₃РО₄ + 5SО₂↑ + 2Н₂О. (4)

Концентрированная серная кислота очень бурно реагирует водой с выделением большого количества теплоты. По этой причине следует всегда, разбавляя серную кислоту, наливать ее в воду, а не наоборот. Концентрированная кислота гигроскопична, т.е. способна поглощать влагу из воздуха. Поэтому ее используют для осушения газов, не реагирующих с ней, пропуская их через серную кислоту. Сродство серной кислоты к воде настолько ве­лико, что она может служить дегидратирующим агентом; под действием концентрированной серной кислоты углеводы, напри­мер сахароза, обугливаются:

Бумага также обугливается под действием такой кислоты, что обусловлено действием кислоты на целлюлозные волокна; этанол при нагревании с серной кислотой превращается в этилен:

Получение и применение Н₂SO₄. Ежегодно в мире получают свыше 100 млн. тонн серной кислоты, используя при этом так на­зываемый контактный процесс. Его ход можно разбить на три этапа:

1) получение SО₂ сжиганием серы или обжигом сульфид­ных руд;

2) каталитическое окисление SО₂ до SО₃ (см. уравнение (1));

3) Поглощение SO₃ 96%-ной серной кислотой (уравнение (2)); при этом образуется 100%-ная кислота. Поглощение триоксидасеры «просто» водой на практике сильно затруднено, так как SО₃ начинает жадно поглощать воду, образуя воздушно-капельную взвесь («туман»), которая препятствует дальнейшему поглощению. При необходимости можно растворять триоксид серы в 100%-ной серной кислоте и получать таким образом олеум, в пределе до 65%-ной концентрации.

Около трети всей серной кислоты используют для производ­ства удобрений. Еще треть потребляет химическая промышлен­ность при производстве синтетических моющих средств, пластмасс, фтороводорода и других реактивов. Серная кислота применяется также в производстве тканей и лекарственных препаратов.