Окислительно- восстановительные свойства серной кислоты

В сочинениях монаха-алхимика Василия Валентина, жившего в XV веке, которого многие историки химии считают мифической фигурой, было рекомендовано получать “дух из солей” ( “спиритус салис”) - прокаливанием смеси каменной соли и железного купороса. При этом отгонялась жидкость, которая поражала воображения алхимиков: она дымила на воздухе, вызывала кашель, разъедала ткань, бумагу, металл. О каком веществе идет речь? Какими еще интересными свойствами и почему обладает это вещество? Вот на эти вопросы нам предстоит ответить.

Серная кислота является сильной кислотой. Это объясняется строением ее молекулы так как, электронная плотность от атомов водорода смещается к атомам кислорода и серы, имеющих большую элекроотрицательность, что позволяет протонам водорода легко отщепляться.

Физические свойства серной кислоты

100%-ная H2SO4 (моногидрат, SO3×H2O) кристаллизуется при 10,45 С; t кип 296,2 С; плотность 1,9203 г/см3; теплоёмкость 1,62 Дж/г (К. H2SO4 смешивается с Н2О и SO3 в любых соотношениях, образуя соединения:

H2SO4×4H2O (t пл. - 28,36 С),

H2SO4×3H2O (t пл. - 36,31 С),

H2SO4×2H2O (t пл. - 39,60 С),

H2SO4×H2O (t пл. - 8,48 С),

При нагревании и кипении водных растворов С. к. , содержащих до 70% H2SO4, в паровую фазу выделяются только пары воды. Над более концентрированными растворами появляются и пары С. к. Раствор 98,3%-ной H2SO4 (азеотропная смесь) при кипении (336,5 0С) перегоняется полностью. Серная кислота, содержащая свыше 98,3% H2SO4, при нагревании выделяет пары SO3.

Химические свойства разбавленной серной кислоты а\ взаимодействие растворов серной кислоты с активными металлами.

Особенно активно идет процесс щелочными и щелочноземельными металлами. В 1808г. английский химик Гемфри Дэви наблюдал, как впервые полученный им металлический барий тонет в концентрированной серной кислоте, а затем всплывает, окруженный пузырьками выделяющегося газа.

Калий и натрий взаимодействует с разбавленной серной кислотой с взрывом. Даже при охлаждении до -50 С происходит воспламенение выделяющегося водорода. Лишь вблизи температуры замерзания кислоты (для 30%- ной Н2sО4 она ниже -70) реакция прекращается.

Нами проводились исследования взаимодействия разбавленной серной кислоты с литием и кальцием.

2Li + H2 SO4 = Li2SO4 + H2 ↑

Li 0 - 1 e → Li+ *2 восстановитель

2H + + 2e → H2 0 окислитель

Ca + H2 SO4 = CaSO4 + H2 ↑

Ca 0 - 2 e → Ca 2+ восстановитель

2H + + 2e → H2 0 окислитель

При взаимодействии серной кислоты с активными металлами продуктом реакции являлся водород.

б\ Реакции разбавленной серной кислоты с металлами средней активности

При взаимодействии серной кислоты с металлами средней активности продуктами реакции являлись водород и сероводород.

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 ↑

Zn0 - 2e → Zn 2+ восстановитель

2H+ + 2e → H2 окислитель

4Zn + 5H2SO4 = 4Zn SO4 + H2S ↑+ 4H2O

Zn0 - 2e → Zn 2+ восстановитель

SO4 2- +8e +8H+→S 2-+4H2O окислитель

Разбавленная серная кислота не реагирует со свинцом, даже при нагревании.

в\ Реакции разбавленной серной кислоты с алюминием и железом

При взаимодействии серной кислоты с алюминием и железом продуктами реакции являлись водород и сероводород.

2Al+3 H2 SO4 =Al2(SO4)3+3H2 ↑

Al0 – 3e →Al+3 *2 восстановитель

2H+ + 2e → H2 *3 окислитель

8Al+15 H2 SO4 =4 Al2(SO4)3+3H2 S↑ +12H2O

Al0 – 3e →Al+3 *8 восстановитель

S+6 +8e →S-2 *3 окислитель

2Fe+ 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 +3 H2↑

Fe0 -3e →Fe+3 *2 восстановитель

2H+ + 2e → H2 *3 окислитель г\ Реакции разбавленной серной кислоты с малоактивными металлами

Разбавленная (50%) серная кислота не взаимодействует с металлами, расположенными в ряду напряжений после водорода.

Химические свойства концентрированной серной кислоты а\ С концентрированной серной кислотой натрий реагирует медленнее, чем с водой. Но реакция с калием все равно закончиться взрывом. Среди прочих продуктов в результате данных реакций образуются сульфиды этих металлов.

8Na + 4H2 SO4 (k) = 2S + 6Na2S + 4H2O

Na 0 - 1 e → Na+ *8 восстановитель

S+6 +8e →S-2 *1 окислитель б\ Реакции концентрированной серной кислоты с металлами средней активности

При взаимодействии концентрированной серной кислоты с металлами средней активности продуктами реакции являлись сера, сероводород и сернистый газ.

Zn + 2H2 SO4 = ZnSO4 + H2O + SO2

Zn 0 - 2 e → Zn+ 2 восстановитель

S+6 + 2 e → S+4 окислитель

4Zn + 5H2 SO4 = 4ZnSO4 + 4H2O + H2S

Zn 0 - 2 e → Zn+ 2 *4 восстановитель

S+6 + 8 e → S-2 *1 окислитель

3Zn + 4H2 SO4 = 3ZnSO4 +4 H2O + S

Zn 0 - 2 e → Zn+ 2 *3восстановитель

S+6 + 6 e → S0 *1окислитель в\ Реакции концентрированной серной кислоты с алюминием и железом

На холоде концентрированная серная кислота пассивирует многие металлы, в том числе РЬ, Cr, Ni, сталь, чугун.

При нагревании реакционной смеси происходит химическая реакция.

8Fe+15 H2 SO4 =4 Fe2(SO4)3+3H2 S↑ +12H2O

Al0 – 3e →Al+3 *8 восстановитель

S+6 +8e →S-2 *3 окислитель г\ Реакции концентрированной серной кислоты с малоактивными металлами

Может ли концентрированная серная кислота взаимодействовать с металлами, стоящими в ряду напряжений после водорода? Сера имеет степень окисления +6 в серной кислоте, это позволяет предположить, что серная кислота является окислителем за счет сульфат – иона.

Cu + 2H2 SO4 = CuSO4 + H2O + SO2

Cu 0 - 2 e → Cu+ 2 восстановитель

S+6 + 2 e → S+4 окислитель

При взаимодействии концентрированной серной кислоты с малоактивными металлами выделяется сернистый газ.

5. Реакции концентрированной серной кислоты с неметаллами

S + 2H2 SO4 = 2H2O + 3SO2

S 0 - 4 e → S+4 восстановитель

S +6 + 2 e → S+4 *2 окислитель

2P + 5H2 SO4 = 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O

P 0+ 2H2 O -5 e → PO4 2- +4 H+ *2 восстановитель

SO4 2- +4H+ +2e →SO2 + 2H2O *5 окислитель

6. Реакции концентрированной серной кислоты с органическими веществами

Может ли конц. серная кислота взаимодействовать с органическими веществами?

Конц. серная кислота проявляет водоотнимающие свойства. Это свойство можно использовать в химическом процессе для сушки различных продуктов, например, газов.

Она окисляет сахарозу, при этом образуются летучие газы диоксид углерода и диоксид серы, поэтому масса вспучивается и поднимается. Кроме того, она может обугливать целлюлозу.

С12Н22О11 + H2 SO4 = 13 H2O + 2SO2 + 11С + СО2

Серная кислота отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы - ОН. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной серной кислотой приводит к получению этилена или смеси эфиров.

C2H5OH H2 SO4 → CH2=CH2 + H2O

2C2H5OH H2 SO4 → C2H5O C2H5 + H2O

2C2H5OH + H2 SO4 → C2H5OSO3H + H2O

Выводы:

1. Серная кислота реагирует с большинством металлов, но в зависимости от её концентрации и положения металла в ряду напряжения скорость и продукты реакции могут существенно различаться.

2. Степень окисления продукта реакции зависит от активности металла, чем активнее металл, вступающий в реакцию с концентрированной серной кислотой, тем ниже степень окисления продута восстановления серы.

3. Свойства концентрированной серной кислоты существенно отличаются от свойств ее растворов.

4. Концентрированная серная кислота является сильнейшим окислителем.

Окислителем в концентрированной серной кислоте является сульфат- ион, а в ее растворах – протон водорода.

Заключение

В результате работы над проектом: мы провели ряд самостоятельных лабораторных исследований и опытным путем выяснили, какие продукты реакции возможны при взаимодействии серной кислоты с различными веществами при определенных условиях.

Изучили особые свойства концентрированной серной кислоты; закрепили понятие окислитель и восстановитель.

Получили возможность усовершенствовать и развить экспериментальные умения и навыки.