Номер 2, страница 62 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 13. Серный ангидрид и серная кислота. Глава 1. Неметаллы - номер 2, страница 62.

Условие.

2. Почему на практике не используют 100%-ю серную кислоту?

Решение.

Решение 2.

1. Серная кислота ($H_2SO_4$) — это сильная двухосновная кислота, одно из важнейших веществ в химической промышленности. Её свойства сильно зависят от концентрации и наличия воды в растворе.

Физические свойства

• В безводном состоянии (моногидрат) серная кислота — это тяжёлая, маслянистая, бесцветная и летучая жидкость без запаха.
• Плотность концентрированной (98%) кислоты составляет около $1.84 \text{ г/см}^3$.
• Температура кипения 98%-ной кислоты составляет $337 ^\circ\text{C}$ (с частичным разложением), а температура плавления 100%-ной кислоты (моногидрата) — $+10.4 ^\circ\text{C}$.
• Серная кислота очень гигроскопична, то есть активно поглощает водяные пары из воздуха и других газов. Это свойство используется для осушения веществ, не реагирующих с кислотой.
• Смешивается с водой в любых соотношениях, при этом происходит значительное выделение тепла (экзотермический процесс). При приготовлении растворов следует всегда приливать кислоту к воде тонкой струйкой при перемешивании, а не наоборот, чтобы избежать закипания и опасного разбрызгивания.

Химические свойства

Свойства разбавленной серной кислоты

Разбавленная серная кислота проявляет типичные свойства сильных кислот, так как практически полностью диссоциирует в воде на ионы ($H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$). В реакциях участвует ион водорода $H^+$.

• Реагирует с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода, с выделением водорода и образованием соли (сульфата):
  $Mg + H_2SO_4 \text{(разб.)} \rightarrow MgSO_4 + H_2\uparrow$
• Взаимодействует с основными и амфотерными оксидами с образованием соли и воды:
  $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$
• Вступает в реакции нейтрализации с основаниями и амфотерными гидроксидами:
  $2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$
• Вытесняет более слабые или летучие кислоты из их солей:
  $Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

Свойства концентрированной серной кислоты

Концентрированная серная кислота ($> 70\%$) — сильный окислитель, особенно при нагревании. Окислительные свойства обусловлены атомом серы в высшей степени окисления $+6$.

• Окисляет многие металлы, в том числе и малоактивные, стоящие в ряду напряжений после водорода (например, медь, серебро, ртуть). Водород при этом не выделяется. Продуктом восстановления серы чаще всего является диоксид серы $SO_2$:
  $Cu + 2H_2SO_4 \text{(конц.)} \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$
• Пассивирует некоторые металлы на холоде (железо, алюминий, хром), образуя на их поверхности прочную оксидную плёнку, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия. Это свойство позволяет перевозить концентрированную серную кислоту в стальных цистернах.
• Окисляет неметаллы (например, углерод, серу, фосфор) до их высших оксидов:
  $S + 2H_2SO_4 \text{(конц.)} \xrightarrow{t} 3SO_2\uparrow + 2H_2O$
  $C + 2H_2SO_4 \text{(конц.)} \xrightarrow{t} CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$
• Проявляет сильные водоотнимающие свойства. Она способна отнимать воду от органических соединений (например, обугливать сахар, целлюлозу) и используется в органическом синтезе в реакциях дегидратации.
  $C_{12}H_{22}O_{11} \text{(сахароза)} \xrightarrow{H_2SO_4\text{(конц.)}} 12C + 11H_2O$

Ответ: Серная кислота — это тяжёлая маслянистая гигроскопичная жидкость. Её химические свойства определяются концентрацией. Разбавленная $H_2SO_4$ является типичной сильной кислотой, реагирующей с металлами до водорода, оксидами и основаниями. Концентрированная $H_2SO_4$ — сильный окислитель (за счёт $S^{+6}$), способный реагировать с малоактивными металлами и неметаллами, а также является мощным водоотнимающим средством.

2. На практике 100%-ю серную кислоту, также известную как моногидрат, практически не используют. Вместо неё в промышленности и лабораториях применяют концентрированную кислоту с массовой долей 96–98%. Основная причина этого — чисто практическая, связанная с физическими свойствами 100%-й кислоты.

1. Высокая температура замерзания. Чистая 100%-я серная кислота замерзает (кристаллизуется) при температуре $+10.4 ^\circ\text{C}$. Это очень высокая и неудобная температура для реальных условий. Транспортировка и хранение такой кислоты в странах с умеренным или холодным климатом были бы сопряжены с огромными трудностями: кислота застывала бы в цистернах, трубопроводах и складских ёмкостях, что приводило бы к остановке технологических процессов и повреждению оборудования.
2. Удобство использования стандартных растворов. Добавление небольшого количества воды к 100%-й кислоте значительно понижает её температуру замерзания. Наиболее распространённая 98%-я кислота замерзает при температуре около $+3 ^\circ\text{C}$, а 93%-я кислота (близкая к азеотропной смеси) имеет температуру замерзания $-29.5 ^\circ\text{C}$. Это делает такие растворы гораздо более удобными и безопасными в эксплуатации в широком диапазоне климатических условий.
3. Технологические особенности производства. В контактном способе производства серной кислоты конечным продуктом поглощения оксида серы (VI) является не 100%-я кислота, а олеум (раствор $SO_3$ в $H_2SO_4$), который затем разбавляют водой до стандартной концентрации 98%. Получение абсолютно чистой 100%-й кислоты потребовало бы дополнительных и экономически нецелесообразных стадий очистки.

Таким образом, отказ от использования 100%-й серной кислоты в пользу 96–98%-х растворов продиктован в первую очередь её высокой температурой кристаллизации, что создаёт непреодолимые трудности при её хранении и транспортировке.

Ответ: 100%-ю серную кислоту не используют на практике главным образом из-за её высокой температуры замерзания ($+10.4 ^\circ\text{C}$), что делает её транспортировку, хранение и использование крайне непрактичным в большинстве климатических условий. Вместо неё применяют 96-98%-е растворы, которые замерзают при значительно более низких температурах.