§ 27. Серная кислота

Определения и обозначения

Серная кислота H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота, состоящая из водорода, серы и кислорода. В ряду кислородсодержащих кислот она относится к кислотам серы; её формула показывает, что в одной молекуле два атома водорода. Эти сведения нужны, чтобы определять состав вещества и предсказывать формулы его солей.

Разбавленная серная кислота — водный раствор с относительно небольшой долей H₂SO₄. В нём кислотные свойства в основном проявляются благодаря ионам H⁺, поэтому раствор ведёт себя подобно другим кислотам. Такое представление помогает применять общие правила реакций кислот.

Концентрированная серная кислота — раствор с высокой долей H₂SO₄. Помимо кислотных свойств, она проявляет выраженные окислительные свойства, поэтому её реакции с металлами могут идти не так, как реакции разбавленного раствора. Различие концентраций необходимо учитывать при выборе продуктов реакции.

Сульфаты — соли серной кислоты, содержащие сульфат-ион SO₄²⁻. Его заряд равен −2, поэтому, например, для нейтральной соли с Na⁺ нужны два катиона: Na₂SO₄. Такие формулы позволяют понять состав соли и проверить, уравновешивают ли друг друга заряды ионов.

Как это устроено

Двухосновность серной кислоты связана с тем, что в H₂SO₄ есть два атома водорода, способных замещаться металлом. Если замещён только один атом, образуется кислая соль с ионом HSO₄⁻; если оба — средняя соль с SO₄²⁻. Например, получаются NaHSO₄ и Na₂SO₄: число катионов натрия определяется зарядом отрицательного иона.

Разбавленная серная кислота проявляет общие свойства кислот, потому что в растворе присутствуют подвижные ионы H⁺. С основаниями она образует соль и воду, а с основными оксидами — тоже соль и воду; в обоих случаях ионы соединяются так, чтобы образовались устойчивые продукты. С металлами до водорода в ряду активности кислота обычно даёт соль и водород, поскольку металл вытесняет водород из кислоты.

При реакции разбавленной H₂SO₄ с активным металлом положительные ионы металла соединяются с сульфат-ионами, образуя соль. Ионы водорода принимают электроны от металла и превращаются в молекулы H₂. Поэтому типовая схема имеет вид «металл + кислота → соль + водород», а металл, стоящий после водорода, по этому правилу водород из разбавленной кислоты не вытесняет.

Концентрированная H₂SO₄ действует иначе: сера в ней может принимать электроны, то есть кислота выступает окислителем. При реакции с металлами и некоторыми неметаллами восстановителем обычно является сам реагирующий элемент, а сера кислоты восстанавливается, например до степени окисления +4 в SO₂. Поэтому водород обычно не выделяется: продукты определяются окислительно-восстановительным процессом, а не вытеснением водорода из кислоты.

Сульфат-ионы обнаруживают раствором растворимой соли бария, например BaCl₂. Ионы Ba²⁺ и SO₄²⁻ соединяются и образуют BaSO₄ — малорастворимое вещество, выпадающее в виде белого осадка. Появление осадка служит качественным признаком сульфат-ионов; такое наблюдение подтверждает состав раствора.

Сравнение разбавленной и концентрированной серной кислоты

При решении сначала определите, какая именно кислота дана: разбавленная или концентрированная. Затем проверьте положение металла в ряду активности и решите, применимо ли правило выделения водорода. Таблица показывает типичные случаи, но для концентрированной кислоты нужно учитывать также условия реакции и пассивацию некоторых металлов.

Разбор задач

Задача 1. Составить уравнение реакции разбавленной серной кислоты с цинком и назвать продукты. Цинк стоит до водорода в ряду активности, поэтому может вытеснить его из разбавленной кислоты. Применяем схему «металл + кислота → соль + водород».

1. Записываем формулы реагентов: Zn и H₂SO₄.
2. Ион Zn²⁺ соединяем с SO₄²⁻, получаем соль ZnSO₄.
3. Записываем H₂ среди продуктов и проверяем число атомов: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂.

Ответ: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂; образуются сульфат цинка и водород. Уравнение сбалансировано: по одному атому цинка, серы и два атома водорода с каждой стороны.

Задача 2. Записать реакцию меди с концентрированной серной кислотой и определить, какое вещество окисляется и какое восстанавливается. Медь не вытесняет водород из разбавленной кислоты, но концентрированная H₂SO₄ является окислителем. Поэтому сначала составляем уравнение окислительно-восстановительной реакции, а не используем схему с H₂.

1. Записываем продукты: CuSO₄, SO₂ и H₂O; получаем Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O.
2. Уравниваем атомы: итог — Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O.
3. Определяем степени окисления: Cu⁰ → Cu²⁺, а S⁺⁶ в кислоте → S⁺⁴ в SO₂.

Ответ: уравнение Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O. Медь окисляется, а сера в серной кислоте восстанавливается; водород не выделяется.

Задача 3. К раствору Na₂SO₄ добавили раствор BaCl₂. Требуется записать молекулярное и сокращённое ионное уравнения и указать признак реакции. Обмен возможен, потому что ионы Ba²⁺ и SO₄²⁻ образуют малорастворимую соль. Ионы натрия и хлора остаются в растворе.

1. Составляем молекулярное уравнение: Na₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
2. Записываем сильные растворимые электролиты в виде ионов, затем сокращаем одинаковые ионы Na⁺ и Cl⁻.
3. Получаем сокращённое ионное уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Ответ: образуется белый осадок BaSO₄. Его появление — наблюдаемый признак реакции и свидетельство наличия сульфат-ионов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что разбавленная и концентрированная H₂SO₄ одинаково реагируют с металлами. Это происходит, если помнить только общее правило реакции кислоты с металлом и не учитывать концентрацию. Проверьте условие задачи: для разбавленной кислоты с металлом до водорода типичен H₂, а концентрированная может быть окислителем.

Нельзя записывать H₂ среди продуктов реакции меди с концентрированной серной кислотой. Медь стоит после водорода в ряду активности, а в этом случае реакция идёт благодаря окислительным свойствам кислоты. Проверьте изменение степеней окисления: Cu отдаёт электроны, сера их принимает, поэтому образуется, например, SO₂.

Сульфат SO₄²⁻ и гидросульфат HSO₄⁻ — разные ионы с разными зарядами. Их путают из-за сходных названий и связи с одной и той же кислотой. Проверьте формулу иона: наличие одного атома водорода меняет заряд с −2 на −1, а значит, влияет на состав соли.

Ошибка — составлять формулу сульфата, не учитывая заряд SO₄²⁻ иона. В результате в формуле может нарушиться электрическая нейтральность; например, для Na⁺ нужен индекс 2: Na₂SO₄. Для самопроверки перемножьте заряд каждого иона на число таких ионов: суммарный заряд соли должен быть равен нулю.

Связь с другими темами

Для работы с серной кислотой пригодятся знания о признаках кислот, их формулах и составе солей. Также нужно уметь пользоваться рядом активности металлов: он помогает выяснить, выделится ли водород при реакции с разбавленной кислотой. При составлении уравнений потребуется расставлять коэффициенты и проверять сохранение числа атомов.

Свойства H₂SO₄ связывают несколько важных разделов химии. Окислительные реакции помогают понять процессы в химических производствах и изменение степеней окисления, а реакция с ионами бария показывает, как распознают вещества в растворе. Эти умения пригодятся при изучении солей и качественных реакций на ионы.

Что запомнить

• Формула серной кислоты — H₂SO₄; это двухосновная кислота.
• Разбавленная H₂SO₄ реагирует с металлами до водорода с выделением H₂.
• Концентрированная H₂SO₄ проявляет сильные окислительные свойства; водород при её реакции с металлами обычно не образуется.
• Сульфат-ион имеет формулу SO₄²⁻.
• Ионы Ba²⁺ обнаруживают сульфат-ионы по белому осадку BaSO₄.
• При разбавлении концентрированной серной кислоты кислоту вливают в воду, а не воду в кислоту.