Взаимодействие кислот с металлами. Взаимодействие серной кислоты с металлами
Cтраница 2
Разбавленная серная кислота пригодна для получения кислот простых анионов, которые плохо растворимы в воде.
Разбавленная серная кислота, из которой была выведена бензолом бензолсульфокислота, вновь концентрируется в результате ввода серного ангидрида. Бензольный экстракт дистиллируется, и бензол возвращается в цикл. Дистилляционным остатком является достаточно чистая бензолсульфокислота. При этом способе использование серной кислоты наилучшее. Недостатком является неудовлетворительный тепловой баланс и большая продолжительность реакции. При проведении процесса под давлением, при повышенной температуре и при концентрировании серной кислоты в реакционных аппаратах этот способ может стать экономичным.
Разбавленная серная кислота реагирует с металлами, электродный потенциал которых р 0, с выделением водорода.
Разбавленная серная кислота не действует на сульфиды меди, поэтому прямое сернокислотное выщелачивание руды, содержащей значительное количество сульфидных минералов меди, невыгодно. Сульфат железа является растворителем для сульфидных минералов меди.
Разбавленная серная кислота не проявляет окислительных свойств, исключение составляет ее способность растворять металлы с восстановлением Н до Н2 (см. разд. Многие органические соединения или частично, или полностью окисляются горячей концентрированной серной кислотой. Свойства серной кислоты описаны в разд.
Разбавленная серная кислота, в отличие от концентрированной, почти не действует на металлическую медь. Чем более разбавлена серная кислота, тем менее заметно взаимодействие между ними. Объясняется это явление отсутствием окислительных свойств у разбавленной серной кислоты.
Разбавленная серная кислота, очищенная от органических примесей может использоваться частично для нейтрализации заводских щелочных стоков, а также негашенной извести с получением грануля-та, используемого в производстве цемента, либо порошкообразного гидрофобного продукта, применяемого в битумном и кирпичном производствах в качестве наполнителя , либо гипса, имеющего неограниченный спрос во многих отраслях - строительной, металлургической, медицинской.
Разбавленная серная кислота при нагревании с металлическим оловом выделяет водород и образует сульфат двухвалентного олова.
Разбавленная серная кислота не взаимодействует с иодидами. На элементарный иод концентрированная серная кислота не действует.
Разбавленная серная кислота (более 10 % H2SO4) заметно разрушает древесину. В концентрированных растворах серной кислоты древесина обугливается. При повышенных температурах даже разбавленная серная кислота разрушает древесину, вызывая ее гидролиз. В азотной кислоте древесина не устойчива. Разбавленные растворы соляной кислоты (10 % НС1) при обычной температуре на древесину не действуют. Примерно так же ведет себя древесина по отношению к плавиковой кислоте.
Кислоты с металлом является специфичной для данных классов соединений. В ее ходе протон водорода восстанавливается и в связке с кислотным анионом заменяется на катион металла. Это пример реакции с образованием соли, хотя существует и несколько типов взаимодействий, не подчиняющихся данному принципу. Они протекают как окислительно-восстановительные и не сопровождаются выделением водорода.
Принципы реакций кислот с металлами
Все реакции с металлом приводят к образованию солей. Исключением является, пожалуй, лишь реакция благородного металла с царской водкой, смесью соляной и Любое другое взаимодействие кислот с металлами приводит к образованию соли. В случае если кислота не является ни серной концентрированной, ни азотной, то в качестве продукта выщепляется молекулярный водород.
Но когда в реакцию вступает концентрированная серная кислота, взаимодействие с металлами протекает по принципу окислительно-восстановительного процесса. Потому экспериментально было выделено два типа взаимодействий типичных металлов и крепких неорганических кислот:
- взаимодействие металлов с разбавленными кислотами;
- взаимодействие с концентрированной кислотой.
Реакции по первому типу протекают с любой кислотой. Исключением является лишь концентрированная и азотная кислота любой концентрации. Они реагируют по второму типу и приводят к образованию солей и продуктов восстановления серы и азота.
Типичные взаимодействие кислот с металлами
Металлы, расположенные левее водорода в стандартном электрохимическом ряду, реагируют с и другими кислотами различной концентрации за исключением азотной с образованием соли и выделением молекулярного водорода. Металлы, расположенные правее водорода в ряду электроотрицательности, не могут реагировать с указанными выше кислотами и взаимодействуют лишь с азотной кислотой независимо от ее концентрации, с концентрированной серной кислотой и с царской водкой. Это типичное взаимодействие кислот с металлами.
Реакции металлов с концентрированной серной кислотой
Реакции с разбавленной азотной кислотой
Разбавленная азотная кислота реагирует с металлами, расположенными левее и правее водорода. В ходе реакции с активными металлами образуется аммиак, который сразу же растворяется и взаимодействует с нитрат-анионом, образуя еще одну соль. С металлами средней активности кислота реагирует с выделением молекулярного азота. С малоактивными реакция протекает с выделением оксида 2-валентного азота. Чаще всего образуется несколько продуктов восстановления серы в одной реакции. Примеры реакций предложены в графическом приложении ниже.
Реакции с концентрированной азотной кислотой
В данном случае окислителем также выступает азот. Все реакции заканчиваются образованием соли и выделением Схемы протекания окислительно-восстановительных реакций предложены на графическом приложении. При этом отдельного внимания заслуживает реакция с малоактивными элементами. Такое взаимодействие кислот с металлами неспецифично.
Реакционная способность металлов
Металлы вступают в реакции с кислотами достаточно охотно, хотя есть несколько инертных веществ. Это и элементы, имеющие высокий стандартный электрохимический потенциал. Существует ряд металлов, который построен на основании данного показателя. Он называется рядом электроотрицательности. Если металл стоит в нем левее водорода, то он способен вступать в реакцию с разбавленной кислотой.
Существует лишь одно исключение: железо и алюминий за счет образования на их поверхности 3-валентных оксидов не могут реагировать с кислотой без нагревания. Если смесь подогревается, то изначально в реакцию вступает оксидная пленка металла, а затем он сам растворяется в кислоте. Металлы, расположенные правее водорода в электрохимическом ряду активности, не могут реагировать с неорганической кислотой, в том числе и с разбавленной серной. Исключений из правил два: эти металлы растворяются в концентрированной и разбавленной азотной кислоте и царской водке. В последней не могут быть растворены только родий, рутений, иридий и осмий.
Любая кислота представляет собой сложное вещество, молекула которого содержит один или несколько атомов водорода и кислотный остаток.
Формула серной кислоты - H2SO4. Следовательно, в состав молекулы серной кислоты входят два атома водорода и кислотный остаток SO4.
Образуется серная кислота при взаимодействии оксида серы с водой
SO3+H2O -> H2SO4
Чистая 100%-я серная кислота (моногидрат) - тяжёлая жидкость, вязкая как масло, без цвета и запаха, с кислым «медным» вкусом. Уже при температуре +10 °С она застывает и превращается в кристаллическую массу.
Концентрированная серная кислота содержит приблизительно 95% H2 SO4. И застывает она при температуре ниже –20°С.
Взаимодействие с водой
Серная кислота хорошо растворяется в воде, смешиваясь с ней в любых соотношениях. При этом выделяется большое количество тепла.
Серная кислота способна поглощать пары воды из воздуха. Это её свойство используют в промышленности для осушения газов. Осушают газы, пропуская их через специальные ёмкости с серной кислотой. Конечно же, этот способ можно применять только для тех газов, которые не вступают в реакцию с ней.
Известно, что при попадании серной кислоты на многие органические вещества, особенно углеводы, эти вещества обугливаются. Дело в том, что углеводы, как и вода, содержат и водород, и кислород. Серная кислота отнимает у них эти элементы. Остаётся уголь.
В водном растворе H2SO4 индикаторы лакмус и метиловый оранжевый окрашиваются в красный цвет, что говорит о том, что этот раствор имеет кислый вкус.
Взаимодействие с металлами
Как и любая другая кислота, серная кислота способна замещать атомы водорода на атомы металла в своей молекуле. Взаимодействует она практически со всеми металлами.
В разбавленном виде серная кислота реагирует с металлами как обычная кислота. В результате реакции образуется соль с кислотным остатком SO4 и водород.
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
А концентрированная серная кислота является очень сильным окислителем. Она окисляет все металлы, независимо от их положения в ряду напряжений. И при реакции с металлами она сама восстанавливается до SO2. Водород не выделяется.
Сu + 2 H2SO4 (конц) = CuSO4 + SO2 + 2H2O
Zn + 2 H2SO4 (конц) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O
А вот золото, железо, алюминий, металлы платиновой группы в серной кислоте не окисляются. Поэтому серную кислоту перевозят в стальных цистернах.
Сернокислые соли, которые получаются в результате таких реакций, называют сульфатами. Они не имеют цвета, легко кристаллизуются. Некоторые из них хорошо растворяются в воде. Малорастворимыми являются только CaSO4 и PbSO4 . Почти не растворяется в воде BaSO4.
Взаимодействие с основаниями
Реакция взаимодействия кислоты с основаниями называется реакцией нейтрализации. В результате реакции нейтрализации серной кислоты образуется соль, содержащая кислотный остаток SO4, и вода H2O.
Примеры реакций нейтрализации серной кислоты:
H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O
H2SO4 + CaOH = CaSO4 + 2 H2O
Серная кислота вступает в реакцию нейтрализации как с растворимыми, так и с нерастворимыми основаниями.
Так как в молекуле серной кислоты два атома водорода, и для её нейтрализации требуется два основания, то она относится к двухосновным кислотам.
Взаимодействие с основными оксидами
Из школьного курса химии нам известно, что оксидами называют сложные вещества, в состав которых входят два химических элемента, одним из которых является кислород в степени окисления -2 . Основными оксидами называют оксиды 1, 2 и некоторых 3 валентных металлов. Примеры основных оксидов: Li2O, Na2O, CuO, Ag2O, MgO, CaO, FeO, NiO.
С основными оксидами серная кислота вступает в реакцию нейтрализации. В результате такой реакции, как и в реакции с основаниями, образуются соль и вода. Соль содержит кислотный остаток SO4.
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O
Взаимодействие с солями
Серная кислота взаимодействует с солями более слабых или летучих кислот, вытесняя из них эти кислоты. В результате такой реакции образуется соль с кислотным остатком SO4 и кислота
H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl
Применение серной кислоты и её соединений
Бариева каша ВaSO4 способна задерживать рентгеновские лучи. Заполняя ею полые органы человеческого организма, рентгенологи исследуют их.
В медицине и строительстве широко применяют природный гипс CaSO4 * 2H2O, кристаллогидрат сульфата кальция. Глауберова соль Na2SO4 * 10H2O используется в медицине и ветеринарии, в химической промышленности - для производства соды и стекла. Медный купорос CuSO4 * 5H2O известен садоводам и агрономам, которые используют его для борьбы с вредителями и болезнями растений.
Серная кислота широко используется в различных отраслях промышленности: химической, металлообрабатывающей, нефтяной, текстильной, кожевенной и других.
