"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Серный ангидрид SO₃ — кислотный оксид, из которого получают серную кислоту H₂SO₄. В промышленности для этого используют контактный способ: сначала получают SO₂, затем окисляют его до SO₃ и поглощают оксид концентрированной кислотой. Так образуется олеум — раствор SO₃ в H₂SO₄. Разбавленная и концентрированная кислоты ведут себя по-разному: первая проявляет обычные свойства кислоты, а вторая может окислять металлы и отнимать воду.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Серный ангидрид — оксид серы(VI) с формулой SO₃, в одной молекуле которого один атом серы и три атома кислорода. Степень окисления серы здесь равна +6, а сам SO₃ относится к кислотным оксидам. Это обозначение помогает отличать его от SO₂ и понимать, почему при взаимодействии с водой получается серная кислота.
Серная кислота — H₂SO₄, сильная двухосновная кислота, способная отдавать два иона водорода H⁺. Её свойства зависят от концентрации: разбавленный раствор ведёт себя иначе, чем концентрированная кислота. Поэтому перед составлением уравнения важно уточнить, какая именно кислота участвует в реакции.
Олеум — раствор SO₃ в концентрированной серной кислоте. При добавлении воды его компоненты дают H₂SO₄, поэтому олеум используют для получения концентрированной кислоты. Такой способ позволяет обойти трудности, возникающие при прямом смешивании SO₃ с водой.
Контактный способ — промышленный способ производства серной кислоты, включающий получение SO₂, его окисление до SO₃ и поглощение SO₃. Название связано с применением твёрдого катализатора, с поверхностью которого контактирует газовая смесь. Этапы этого процесса помогают понять, как лабораторные свойства веществ используют в крупном производстве.
Диоксид серы SO₂ получают при сжигании серы: S + O₂ → SO₂. Его также получают обжигом сульфидных руд, например 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂. Затем SO₂ окисляют кислородом: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃. Реакция обратима и без ускорения идёт медленно, поэтому используют катализатор V₂O₅ и нагревание, подбирая условия для достаточно быстрой реакции и высокого выхода SO₃.
SO₃ называют кислотным оксидом, потому что при реакции с водой он образует кислоту: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. С основным оксидом кальция получается соль: SO₃ + CaO → CaSO₄. С основанием реакция также приводит к сульфату, например SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. Эти реакции показывают, что SO₃ соответствует серной кислоте так же, как кислотный оксид соответствует своей кислоте.
Теоретически SO₃ можно соединить с водой напрямую, но реакция сопровождается сильным выделением тепла. В горячем влажном воздухе возникают мельчайшие капли серной кислоты — кислотный туман, который сложно отделить от газа и собрать. Поэтому SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄, получая олеум; затем его осторожно разбавляют водой до нужной концентрации. Так удобнее управлять процессом и получать концентрированный продукт.
Разбавленная H₂SO₄ проявляет общие свойства сильной кислоты: реагирует с основаниями и основными оксидами, а с подходящими металлами может выделять водород. В концентрированной кислоте важны не только ионы H⁺: она может принимать электроны, то есть окислять другие вещества, и отнимать воду у некоторых соединений. Поэтому в реакции концентрированной кислоты продукты нередко отличаются от продуктов реакции разбавленной. Учитывать нужно концентрацию, температуру и природу реагентов.
С разбавленной H₂SO₄ металлы, расположенные до водорода в ряду активности, обычно образуют соль и выделяют H₂: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. Концентрированная кислота может окислять металл, а сама обычно восстанавливается до SO₂, серы или сероводорода — продукт зависит от условий и реагента. Поэтому ожидать водород во всех реакциях с металлами нельзя. Холодная концентрированная H₂SO₄ пассивирует железо, алюминий и хром: защитная плёнка на поверхности тормозит дальнейшую реакцию.
| Признак | SO₃ | Разбавленная H₂SO₄ | Концентрированная H₂SO₄ |
|---|---|---|---|
| Класс вещества и состав | Кислотный оксид серы(VI) | Раствор сильной двухосновной кислоты | Сильная двухосновная кислота высокой концентрации |
| Взаимодействие с водой | Образует H₂SO₄; реакция сильно разогревается | Уже является водным раствором кислоты | Разбавляется с выделением тепла |
| Реакция с основными оксидами и основаниями | Образует сульфаты | Образует сульфаты и воду | Образует сульфаты и воду |
| Взаимодействие с металлами | Не характеризуется как обычная кислота с выделением водорода | С активными металлами обычно выделяет H₂ | Может окислять металл; часто образуется SO₂, возможна пассивация |
| Особые свойства и условия | Кислотный оксид, ангидрид H₂SO₄ | Проявляет общие свойства кислот | Окислитель и водоотнимающее средство; холодная кислота пассивирует Fe, Al, Cr |
Сравнивайте вещества по строкам: так легче увидеть, какие свойства связаны с составом, а какие — с концентрацией и условиями. Перед записью реакции с металлом сначала определите, разбавленная кислота или концентрированная. Для SO₃ выбирайте продукты, характерные для кислотного оксида.
Задача 1. Запишите уравнения реакций SO₃ с водой, оксидом кальция и гидроксидом натрия. Нужно распознать тип каждого реагента и учесть, что кислотный оксид образует кислоту с водой, а с основным оксидом или основанием — соль. Для полной нейтрализации NaOH потребуется два моля щёлочи на один моль SO₃.
Ответ: SO₃ + H₂O → H₂SO₄; SO₃ + CaO → CaSO₄; SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. В каждом уравнении число атомов каждого элемента одинаково слева и справа. Это удобная проверка коэффициентов.
Задача 2. Пусть с избытком разбавленной серной кислоты прореагировало n(Zn) моль цинка; найдите объём водорода при н. у. В условии исходное количество можно получить из массы цинка: n(Zn) = m(Zn)/M(Zn). Так как кислота разбавленная, для цинка применима реакция с выделением H₂.
Ответ: V(H₂) = 22,4 · n(Zn) л при н. у., или V(H₂) = 22,4 · m(Zn)/65,4 л, если масса выражена в граммах и цинк взят в избытке кислоты. Сначала используйте коэффициенты реакции, а уже потом переводите количество вещества в объём. При других условиях вместо 22,4 л/моль нужен соответствующий молярный объём.
Задача 3. Для массы m(SO₃) найдите массу H₂SO₄, полученной через стадию олеума, если выход продукта равен η от теоретического. При поглощении SO₃ кислотой образуется олеум, а при последующем взаимодействии с водой SO₃ даёт H₂SO₄. В суммарном расчёте один моль SO₃ соответствует одному молю H₂SO₄.
Ответ: mпракт(H₂SO₄) = m(SO₃) · 98/80 · η. Если выход указан в процентах, перед подстановкой разделите его на 100. Масса воды, использованной для разбавления олеума, в расчёт выхода кислоты по SO₃ не входит, если отдельно не задано условие о её количестве.
Ошибка — считать разбавленную и концентрированную H₂SO₄ одинаковыми реагентами с металлами. Так думают, потому что формула кислоты одна и та же, но концентрация меняет её окислительные свойства и продукты реакции. Проверяйте условие задачи и не переносите правило о выделении H₂ на концентрированную кислоту.
Неверно ожидать водород при реакции концентрированной H₂SO₄ с любым металлом. Кислота может окислять металл и сама восстанавливаться до соединений серы, а Fe, Al и Cr могут пассивироваться в холодной кислоте. Сверяйте продукты с концентрацией, температурой и металлом, указанными в условии.
SO₂ и SO₃ иногда путают из-за одинаковых элементов в составе. Однако это разные оксиды: в SO₂ степень окисления серы +4, а в SO₃ — +6; именно SO₃ соответствует серной кислоте. Проверьте число атомов кислорода в формуле и степень окисления серы перед записью уравнения.
Ещё одна ошибка — полагать, что SO₃ удобно получать простым смешиванием с водой. Такое смешивание сильно разогревается и создаёт кислотный туман, который трудно улавливать. Вспомните промышленную последовательность: SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄, а затем получают нужную кислоту из олеума.
Для этой темы нужны знания о классах неорганических веществ, степенях окисления и свойствах кислотных оксидов. Без них трудно предсказать продукты реакций SO₃ и правильно расставить коэффициенты. Эти умения также помогают различать кислотно-основные и окислительно-восстановительные процессы.
Окисление SO₂ до SO₃ связано с химическим равновесием и катализом: температура и состав смеси влияют на скорость и выход продукта. Реакции концентрированной H₂SO₄ с металлами относятся к окислительно-восстановительным. Позже эти знания пригодятся при изучении промышленных процессов, сульфатов и качественных реакций на сульфат-ионы.
Почему SO₃ нельзя просто смешать с водой для промышленного получения серной кислоты?
Реакция SO₃ с водой идёт с сильным выделением тепла. При этом образуются мелкие капли кислоты — туман, который трудно поглощать и собирать. Поэтому SO₃ сначала растворяют в концентрированной серной кислоте.
Чем отличаются реакции разбавленной и концентрированной серной кислоты с металлами?
Разбавленная кислота обычно реагирует с металлами, стоящими до водорода в ряду активности, с выделением H₂. Концентрированная кислота проявляет окислительные свойства: продуктами восстановления серы часто становятся соединения вроде SO₂, а не водород. Результат зависит также от металла и условий реакции.
Что такое олеум и зачем он нужен?
Олеум — это раствор SO₃ в концентрированной серной кислоте. Его используют, чтобы безопаснее и эффективнее поглощать SO₃, а затем получать концентрированную H₂SO₄ добавлением рассчитанного количества воды.
Почему железо не реагирует с холодной концентрированной серной кислотой?
На поверхности железа образуется плотная защитная плёнка, которая мешает кислоте продолжать реакцию. Это явление называется пассивацией. При нагревании условия меняются, и реакция может начаться.
Какую роль играет катализатор при получении SO₃ из SO₂?
Катализатор V₂O₅ ускоряет окисление SO₂ кислородом, помогая быстрее достичь равновесного состава смеси. Сам катализатор в суммарной реакции не расходуется. Нагревание тоже необходимо: без него реакция шла бы слишком медленно.
§ 25. Серный ангидрид и серная кислота
