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硫酸 编辑

硫酸(化学式:H2SO4),硫的最重要的含氧酸。无水硫酸为无色油状液体,10.36℃时结晶,通常使用的是它的各种不同浓度的水溶液,用塔式法和接触法制取。前者所得为粗制稀硫酸,质量分数一般在75%左右;后者可得质量分数98.3%的纯浓硫酸,沸点338℃,相对密度1.84。

详见:超硫酸

硫酸是一种最活泼的二元无机强酸,能和许多金属发生反应。高浓度的硫酸有强烈吸水性,可用作脱水剂,碳化木材、纸张、棉麻织物及生物皮肉等含碳水化合物的物质。与水混合时,亦会放出大量热能。其具有强烈的腐蚀性和氧化性,故需谨慎使用。是一种重要的工业原料,可用于制造肥料、药物、炸药、颜料、洗涤剂、蓄电池等,也广泛应用于净化石油、金属冶炼以及染料等工业中。常用作化学试剂,在有机合成中可用作脱水剂和磺化剂。

中文名:硫酸,英文名:sulfuric acid,分子式:H₂SO₄,分子量:98.078是浓硫酸,质量分数98以下为稀硫酸,外观为无色透明无臭的液体,密度:1.8305 g/cm³,熔点:10 C,沸点:337 C,溶解度:与水任意比互溶,蒸气压:6×10⁻⁵ mmHg,动态粘滞度:0.021 Pa s (25 C),表面张力:0.0735 N/m,折射率:1.41827,热容量:1.416 J/(g K) (STP),汽化热:0.57 kJ/g (STP),熔化热:0.1092 kJ/g (STP),CAS号:7664-93-9,锑星CAS号:SB-7261-39-8 A

物质性质 编辑

纯硫酸一般为无色油状液体,密度1.84 g/cm³,沸点337℃,能与水以任意比例互溶,同时放出大量的热,使水沸腾。加热到290℃时开始释放出三氧化硫,最终变成为98.54%的水溶液,在317℃时沸腾而成为共沸混合物。硫酸的沸点及粘度较高,是因为其分子内部的氢键较强的缘故。由于硫酸的介电常数较高,因此它是电解质的良好溶剂,而作为非电解质的溶剂则不太理想。硫酸的熔点是10.371℃,加水或加三氧化硫均会使凝固点下降。

极性与导电性:

纯硫酸是一种极性非常大的液体,其介电系数大约为100。因为它分子与分子之间能够互相质子化对方,造成它极高的导电性,这个过程被称为质子自迁移。发生的过程是:

2H2SO4==可逆==H3SO4++ HSO4-

化学性质 编辑

腐蚀性:

纯硫酸加热至290℃分解放出部分三氧化硫,直至酸的浓度降到98.3%为止,这时硫酸为恒沸溶液,沸点为338°C。无水硫酸体现酸性是给出质子的能力,纯硫酸仍然具有很强的酸性,98%硫酸与纯硫酸的酸性基本上没有差别,而溶解三氧化硫的发烟硫酸是一种超酸体系,酸性强于纯硫酸,但是广泛存在一种误区,即稀硫酸的酸性强于浓硫酸,这种想法是错误的。的确,稀硫酸第一步电离完全,产生大量的水合氢离子H3O+;但是浓硫酸和水一样,自身自偶电离会产生一部分硫酸合氢离子H3SO4+,正是这一部分硫酸合质子,导致纯硫酸具有非常强的酸性,虽然少,但是酸性却要比水合质子强得多,所以纯硫酸的哈米特酸度函数高达-12.0。

在硫酸溶剂体系中,H3SO4+经常起酸的作用,能质子化很多物质产生离子型化合物:

NaCl+ H2SO4==NaHSO4+HCl(不加热都能很快反应)   KNO3+ H2SO4→K++HSO4-+HNO3   HNO3+ H2SO4→NO2++H3O++2HSO4-   CH3COOH+ H2SO4→CH3C(OH)2++HSO4-   HSO3F+ H2SO4→H3SO4++SO3F-(氟磺酸酸性更强)   上述与HNO3的反应所产生的NO2+,有助于芳香烃的硝化反应。

浓硫酸特性:

1.脱水性

脱水指浓硫酸脱去非游离态水分子或按照水的氢氧原子组成比脱去有机物中氢氧元素的过程。就硫酸而言,脱水性是浓硫酸的性质,而非稀硫酸的性质,浓硫酸有脱水性且脱水性很强,脱水时按水的组成比脱去。物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化,反应时,浓硫酸按水分子中氢氧原数的比(2:1)夺取被脱水物中的氢原子和氧原子或脱去非游离态的结晶水,如五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)。

浓硫酸迅速蚀穿毛巾

可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物,其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物,被脱水后生成了黑色的炭,这种过程称作炭化。一个典型的炭化现象是蔗糖的黑面包反应。在200mL烧杯中放入20g蔗糖,加入几滴水,水加适量,搅拌均匀。然后再加入15mL质量分数为98%的浓硫酸,迅速搅拌。观察实验现象。可以看到蔗糖逐渐变黑,体积膨胀,形成疏松多孔的海绵状的炭,反应放热,还能闻到刺激性气体。

C12H22O11==浓硫酸==12C+11H2O

同时进行碳与浓硫酸反应:

C+2H2SO4(浓)==加热==CO2↑+2SO2↑+2H2O

2.强氧化性

(1)与金属反应

①常温下浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。②加热时,浓硫酸可以与除金、铂之外的所有金属反应,生成高价金属硫酸盐,本身一般被还原成二氧化硫。   Cu+2H2SO4(浓)==加热==CuSO4+SO2↑+2H2O   2Fe+6H2SO4(浓)==加热==Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O   在上述反应中,硫酸表现出了强氧化性和酸性。

(2)与非金属反应

热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧酸,本身被还原为二氧化硫。在这类反应中,浓硫酸只表现出氧化性。   C+2H2SO4(浓)=加热=CO2↑+2SO2↑+2H2O   S+H2SO4(浓)==加热==3SO2↑+2H2O

硫酸分子的球棍模型

2P+5H2SO4(浓)==加热==2H3PO4+5SO2↑+2H2O

(3)与其他还原性物质反应

浓硫酸具有强氧化性,实验室制取硫化氢、溴化氢、碘化氢等还原性气体不能选用浓硫酸。   H2S+H2SO4(浓)==S↓+SO2↑+2H2O   2HBr+H2SO4(浓)==Br2↑+SO2↑+2H2O   2HI+H2SO4(浓)==I2↓+SO2↑+2H2O

稀硫酸特性:

性质

  1. 可与多数金属(比铜活泼)和绝大多数金属氧化物反应,生成相应的硫酸盐和水;
  2. 可与所含酸根离子对应酸酸性比硫酸根离子弱的盐反应,生成相应的硫酸盐和弱酸;
  3. 可与碱反应生成相应的硫酸盐和水;
  4. 可与氢前金属在一定条件下反应,生成相应的硫酸盐和氢气;
  5. 加热条件下可催化蛋白质、二糖和多糖的水解;
  6. 能与指示剂作用,使紫色石蕊试液变红,使无色酚酞试液不变色。

检验

所需药品:经过盐酸酸化的氯化钡溶液,镁粉。

检验方法:使用经过盐酸(HCl)酸化的的氯化钡(BaCl2)。向待测物溶液滴入几滴经过盐酸酸化的氯化钡溶液,震荡,如果产生白色沉淀;向溶液中加入镁粉后生成可燃性气体,则待测溶液中含有硫酸。但此方法仅限中学阶段。

常见误区

稀硫酸在中学阶段,一般当成H2SO4=2H++SO42-,两次完全电离,其实不是这样的。根据硫酸酸度系数pKa1=-3.00,pKa2=1.99,其二级电离不够充分,在稀硫酸中HSO4-=可逆=H++SO42-,并未完全电离,1mol/L的硫酸一级电离完全,二级电离约电离10%,也就是溶液中仍存在大量的HSO4-。而即使是NaHSO4溶液0.1mol/L时,硫酸氢根也只电离了约30%。

制备方法 编辑

实验室制法:

  1. 可以用FeSO4·7H2O加强热,用加冰水混合物的U型管冷凝即可,用NaOH吸收SO2,理论可得29.5%的H2SO4。关键在于尾气吸收。
  2. 可将二氧化硫气体通入双氧水制取硫酸,此法占率较低。
  3. 另一种少为人知的方法是,先把12.6摩尔浓度的盐酸加入五氧化二硫(S2O52-),接着把所产生的气体打入硝酸,这会释出棕色/红色的气体,当再无气体产生时就代表反应完成。

工业制法:

方法一

生产硫酸的原料有硫黄、硫铁矿、有色金属冶炼烟气、石膏、硫化氢、二氧化硫和废硫酸等。硫黄、硫铁矿和冶炼烟气是三种主要原料。

  1. 制取二氧化硫(沸腾炉)

燃烧硫或高温处理黄铁矿,制取二氧化硫S+O2==点燃==SO2

4FeS2+11O2==高温=8SO2+2Fe2O3

  1. 接触氧化为三氧化硫(接触室)

2SO2+O2==五氧化二钒催化并加热==2SO3(可逆反应)

  1. 用98.3%硫酸吸收(吸收塔)

SO3+H2SO4==H2S2O7(焦硫酸)

  1. 加水

H2S2O7+H2O==2H2SO4

  1. 提纯

可将工业浓硫酸进行蒸馏,便可得到浓度95%~98%的商品硫酸。

二水法磷酸反应后,利用磷石膏,工业循环利用,使用二水法制硫酸。 方法二

  1. 制取二氧化硫(沸腾炉)

2

4FeS2+11O2=高温=8SO2+2Fe2O3

  1. 将二氧化硫溶于水变成亚硫酸。
  2. 亚硫酸氧化得硫酸。

其他制备工艺:

  1. 氨酸法增浓低浓度二氧化硫气体生产硫酸方法
  2. 采用就地再生的硫酸作为催化剂的一体化工艺
  3. 草酸生产中含硫酸废液的回收利用
  4. 从芳族化合物混酸硝化得到废硫酸的纯化与浓缩工艺
  5. 从氧化钛生产过程中排出的废硫酸溶液的再生方法
  6. 从稀硫酸中分离有机磷化合物和其它杂质的方法
  7. 从制备2-羟基-4-甲巯基丁酸(MHA)工艺的含硫副产物中回收硫酸的方法
  8. 催化氧化回收含有机物废硫酸的方法
  9. 电瓶用硫酸生产装置
  10. 二氧化硫源向硫酸的液相转化方法
  11. 沸腾炉焙烧硫磺制备硫酸的方法
  12. 沸腾炉掺烧硫磺生产装置中稀酸的回收利用
  13. 高浓二氧化硫气三转三吸硫酸生产方法
  14. 高温浓硫酸液下泵耐磨轴套
  15. 高效阳极保护管壳式浓硫酸冷却器
  16. 节能精炼硫酸炉装置
  17. 精苯再生酸焚烧制取硫酸的方法
  18. 利用废硫酸再生液的方法和装置
  19. 利用含硫化氢的酸性气体与硫磺联合制取高浓度硫酸
  20. 利用含硫化氢的酸性气体制取高浓度硫酸

储存方法 编辑

储存于阴凉、通风的库房。库温不超过35℃,相对湿度不超过85%。保持容器密封。远离火种、热源,工作场所严禁吸烟。远离易燃、可燃物。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与还原剂、碱类、碱金属接触。搬运时要轻装轻卸,防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。稀释或制备溶液时,应把酸加入水中,避免沸腾和飞溅伤及人员。

请勿将硫酸放置在高度锑场的环境下,会爆炸炸伤。

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