§ 27. Серная кислота

Определения и обозначения

Серная кислота — соединение состава H₂SO₄, в молекуле которого атом серы связан с четырьмя атомами кислорода, а два атома водорода могут замещаться металлом. Поэтому кислоту называют двухосновной: она способна отдавать два иона H⁺, обычно последовательно. Это свойство помогает понять, почему при реакции могут образоваться два вида солей.

Сульфат — соль серной кислоты, содержащая ион SO₄²⁻. В такой соли оба атома водорода кислоты замещены катионами металла, например в сульфате натрия Na₂SO₄. Понятие нужно, чтобы узнавать средние соли серной кислоты по составу и правильно записывать их формулы.

Гидросульфат — кислая соль серной кислоты, содержащая ион HSO₄⁻. В нём сохранился один атом водорода, поэтому такая соль может дальше реагировать с основанием и превращаться в сульфат. Например, NaHSO₄ — гидросульфат натрия; приставка «гидро-» указывает на оставшийся водород.

Концентрированная серная кислота — раствор с высокой долей H₂SO₄, в отличие от разбавленного раствора, где кислоты относительно мало. Концентрация важна не только для описания состава, но и для предсказания реакции: например, взаимодействие с металлами у этих растворов различается. Поэтому в уравнении или условии задачи всегда уточняют, разбавленная кислота или концентрированная.

Как это устроено

Двухосновность H₂SO₄ связана с тем, что кислота содержит два замещаемых атома водорода. Если заменить только один, получается ион HSO₄⁻ и кислая соль; если заменить оба — ион SO₄²⁻ и средняя соль. Например, при неполной нейтрализации образуется NaHSO₄, а при полной — Na₂SO₄. Значит, вид соли зависит от соотношения кислоты и основания.

Чистая серная кислота — бесцветная вязкая жидкость, хорошо смешивающаяся с водой. Смешивание сопровождается выделением большого количества тепла, потому что частицы кислоты и воды взаимодействуют с выделением энергии. Поэтому при разбавлении кислоту медленно вливают в воду, перемешивая, а не добавляют воду в кислоту: иначе небольшое количество воды может резко нагреться и разбрызгать кислоту. Работать с ней можно только осторожно, избегая попадания на кожу и в глаза.

Разбавленная серная кислота проявляет общие свойства кислот. С металлом, стоящим до водорода в ряду активности, она образует соль и выделяет H₂; с основанием или основным оксидом даёт соль и воду. С солью реакция идёт, если среди продуктов появляется газ, осадок или слабый электролит — вещество, почти не распадающееся на ионы. Например, при действии кислоты на карбонат выделяется CO₂, а при реакции с растворимой солью бария выпадает BaSO₄.

Концентрированная серная кислота проявляет окислительные свойства: она принимает электроны от другого вещества, а сама восстанавливается. Поэтому при взаимодействии с металлами обычно образуются соль, вода и продукт восстановления серы, например SO₂, а не водород. Конкретные продукты зависят от металла и условий, но привычное правило для разбавленной кислоты здесь применять нельзя. Медь, например, реагирует с горячей концентрированной кислотой с образованием сульфата меди и SO₂.

Концентрированная кислота может отнимать воду у некоторых веществ — это называют обезвоживающим действием. Например, при её воздействии сахар чернеет: из вещества удаляются элементы воды, а остаётся углерод. Это не то же самое, что окисление металла, поэтому такие свойства важно различать. В промышленности серную кислоту получают контактным способом: сначала серу или сульфидное сырьё сжигают и получают SO₂, затем кислород окисляет его до SO₃ на катализаторе; SO₃ поглощают и далее получают серную кислоту.

Свойства серной кислоты и характерные реакции

В таблице сопоставлены условия реакции, её характерный результат и пример уравнения. Смотри на концентрацию кислоты и тип реагента: это помогает выбрать правило до того, как начнёшь расставлять коэффициенты. Уравнения показывают типичные случаи, а не все возможные реакции.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение реакции разбавленной серной кислоты с цинком и назовите продукты.

1. Цинк стоит до водорода в ряду активности, поэтому вытесняет водород из разбавленной кислоты.
2. Цинк образует катион Zn²⁺, а кислотный остаток SO₄²⁻; формула соли — ZnSO₄.
3. Записываем уравнение Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. Число атомов каждого элемента уже одинаково слева и справа.

Ответ: образуются сульфат цинка и водород.

Задача 2. Напишите уравнение реакции серной кислоты с гидроксидом натрия при полной нейтрализации.

1. Полная нейтрализация означает, что оба атома водорода H₂SO₄ заменяются натрием; продуктом будет средняя соль Na₂SO₄.
2. В одной молекуле NaOH содержится одна группа OH, а для нейтрализации двух атомов водорода нужны две группы OH. Поэтому ставим коэффициент 2 перед NaOH.
3. Записываем H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O и проверяем атомы: по два Na, H и O в соответствующих частях уравнения.

Ответ: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.

Задача 3. При взаимодействии меди с концентрированной серной кислотой составьте уравнение реакции и определите, какой газ образуется.

1. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот, а концентрированная H₂SO₄ действует как окислитель; значит, водород в продуктах не записываем.
2. Медь превращается в Cu²⁺ и входит в состав CuSO₄. Сера в кислоте восстанавливается до степени окисления +4, образуя SO₂.
3. Уравниваем окислительно-восстановительную реакцию: Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

Ответ: образуется сернистый газ SO₂, а не водород.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая серная кислота при реакции с металлом выделяет водород. Так рассуждают, перенося правило для разбавленных кислот на все случаи; к тому же концентрированную кислоту часто забывают считать окислителем. Проверь себя: уточни концентрацию и положение металла в ряду активности, а для концентрированной кислоты не записывай H₂ автоматически.

Свойства разбавленного и концентрированного растворов нельзя смешивать. Если концентрация не указана, можно неверно выбрать продукты и написать неподходящее уравнение. Проверь, какое условие дано, и явно обозначь «разб.» или «конц.» там, где это влияет на ход реакции.

При полной нейтрализации иногда записывают гидросульфат, хотя оба атома водорода должны быть замещены. Ошибка возникает, если не учесть двухосновность кислоты или соотношение реагентов. Сверь количество H₂SO₄ и NaOH: для одного моля кислоты при полной нейтрализации требуется два моля однокислотного основания.

Нельзя лить воду в концентрированную серную кислоту. Из-за сильного выделения тепла вода может быстро нагреться, вскипеть и разбрызгать едкую кислоту; иногда опасность недооценивают, считая это обычным смешиванием жидкостей. Правило проверки простое: при разбавлении тонкой струёй вливают кислоту в воду, а не наоборот.

Связь с другими темами

Для изучения серной кислоты нужны знания о формулах кислот и солей, ряде активности металлов, нейтрализации и окислительно-восстановительных реакциях. Без них трудно понять, когда выделяется водород, как составить формулу соли и почему концентрированная кислота даёт другие продукты. Эти навыки затем применяются при изучении других кислот и способов получения солей.

Тема пригодится при изучении солей и качественных реакций на сульфат-ионы: например, Ba²⁺ образует с SO₄²⁻ нерастворимый белый BaSO₄. Уравнения реакций серной кислоты также помогают тренироваться в подборе коэффициентов и определении продуктов. Контактный способ связывает химические уравнения с промышленным производством, катализаторами и управлением процессами.

Что запомнить

• Формула серной кислоты — H₂SO₄; она двухосновная.
• Серная кислота образует средние соли — сульфаты — и кислые соли — гидросульфаты.
• Разбавленная серная кислота проявляет общие свойства кислот.
• Концентрированная серная кислота обладает окислительными свойствами.
• Концентрированная серная кислота может обезвоживать вещества.
• При разбавлении кислоту вливают в воду тонкой струёй.