Оксид серы(VI) и серная кислота

Оксид серы(VI): строение и основные реакции

Шестивалентная сера образует стабильные соединения. Интересно, что соединения серы(IV) термодинамически нестабильны и стремятся перейти в серу(VI) при контакте с любыми окислителями, включая атмосферный кислород.

В газообразном состоянии оксид серы(VI) (серный ангидрид, $SO_3$) представляет собой плоские молекулы. Однако при охлаждении вещество склонно к полимеризации, собираясь в олигомеры (например, циклический тример). Это химически крайне активное соединение, легко вступающее в реакции присоединения:

• С водой: образуется серная кислота ($H_2SO_4$).
• С безводной серной кислотой: синтезируется дисерная кислота ($H_2S_2O_7$).
• С хлороводородом: получается хлорсульфоновая кислота.

Промышленное получение ангидрида требует окисления сернистого газа ($SO_2$) кислородом. Процесс идет только при температуре не выше 500 °C в присутствии специального катализатора — оксида ванадия ($V_2O_5$). Исходная газовая смесь должна быть тщательно очищена от примесей, отравляющих катализатор.

Промышленный синтез серной кислоты

Хотя реакция $SO_3$ с водой выглядит тривиально, на практике прямую гидратацию не используют. При контакте газа с водой мгновенно образуется густой и стойкий кислотный туман из микроскопических капель, который технологически очень трудно собрать в жидкость.

Вместо этого применяют метод абсорбции:

1. Оксид серы(VI) поглощают концентрированной серной кислотой.
2. В результате образуется олеум — раствор ангидрида и дисерной кислоты в серной кислоте.
3. Полученный олеум аккуратно смешивают с водой. При этом растворенный $SO_3$ реагирует с влагой, превращаясь в дополнительную порцию $H_2SO_4$.

Серная кислота производится десятками миллионов тонн в год, что делает её одним из главных продуктов мировой химической индустрии.

Свойства концентрированного раствора

Чистая концентрированная Acidum sulfuricum — тяжелая, бесцветная, маслянистая жидкость, исторически известная как купоросное масло.

Её визитная карточка — сильнейшая гигроскопичность. В замкнутых сосудах (эксикаторах) кислоту используют для осушения воздуха и веществ. Она способна забирать воду даже из кристаллогидратов: например, синий медный купорос рядом с ней теряет кристаллизационную воду и превращается в белый безводный сульфат меди. Органические соединения при контакте с кислотой мгновенно дегидратируются и обугливаются (сахар превращается в чистый углерод).

Также концентрированный раствор проявляет умеренные окислительные свойства за счет серы. Он способен растворять медь с выделением $SO_2$ и вытеснять свободный йод из солей (например, из йодида калия с выделением сероводорода).

Разбавленная кислота и техника безопасности

Разбавленная кислота (с массовой долей менее 70%) ведет себя иначе. Она полностью распадается на ионы, и окислителем выступает уже не сера, а ион водорода ($H^+$). Такая кислота реагирует только с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений до водорода.

Техника безопасности:

• Кислота вызывает сильные, глубокие химические ожоги.
• Главное правило: концентрированную кислоту нужно медленно вливать в воду, но категорически запрещено лить воду в кислоту! Вода легче, она остается на поверхности тяжелого «масла» и от резкого выделения тепла вскипает, разбрызгивая агрессивную жидкость.
• Первая помощь: в лаборатории ожог немедленно промывают большим объемом холодной воды. Но при массивном поражении на заводе кислоту сначала нужно аккуратно удалить сухой ветошью (тканью), и только потом смывать водой, чтобы избежать термического удара от реакции на коже.

Расчеты с олеумом

Разбавление олеума требует точных расчетов. Олеум рассматривается как бинарная смесь $SO_3$ и безводной $H_2SO_4$. Алгоритм расчета сводится к следующему:

1. Вычисляется масса чистого $SO_3$ в исходном олеуме.
2. Рассчитывается масса новой серной кислоты, которая получится при взаимодействии этого $SO_3$ с добавляемой водой.
3. Составляется уравнение, где итоговая масса кислоты делится на общую массу раствора (масса олеума плюс масса прилитой воды), что позволяет найти нужный объем растворителя.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизм каталитического действия оксида ванадия при окислении сернистого газа
• Строение и полимеризация оксида серы(VI) в различных агрегатных состояниях
• Математические алгоритмы решения задач на разбавление олеума
• Окислительно-восстановительные реакции концентрированной серной кислоты с галогенидами
• Влияние гигроскопичности на смещение химического равновесия кристаллогидратов

Другие темы раздела «Глава 10. Элементы группы VIA»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.