§ 39. Серная кислота

Определения и обозначения

Серная кислота H₂SO₄ состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырёх атомов кислорода. Это сильная двухосновная кислота: в водном растворе она распадается на ионы, а оба атома водорода могут замещаться металлами. Двухосновность помогает понять, какие соли образуются при реакциях кислоты.

Сульфат-ион SO₄²⁻ — кислотный остаток серной кислоты, то есть часть её молекулы без атомов водорода. Заряд иона равен −2, поэтому для образования нейтральной соли его заряд должен уравновешиваться положительными зарядами других ионов. Сульфат-ион входит в состав сульфатов, например CuSO₄.

Разбавленная серная кислота — водный раствор H₂SO₄, в котором кислота не является практически безводной. В таком растворе проявляются свойства сильной кислоты: он содержит ионы и может реагировать с металлами, основными оксидами и основаниями. Это понятие важно, потому что правила реакций отличаются от правил для концентрированной кислоты.

Концентрированная серная кислота содержит мало воды по сравнению с разбавленным раствором. Для неё особенно характерны окислительное и водоотнимающее действия: кислота может принимать электроны у других веществ и связывать воду. Поэтому её взаимодействия нельзя всегда описывать обычной схемой реакции кислоты с металлом.

Как это устроено

Два атома водорода в H₂SO₄ объясняют, почему кислота называется двухосновной. Если оба атома замещены металлом, образуется сульфат; если заменён только один, в составе соли остаётся водород и получается гидросульфат. Например, натрий образует Na₂SO₄ при полной замене и NaHSO₄ при частичной. Заряды ионов помогают проверить формулы этих солей.

В разбавленном растворе серная кислота ведёт себя как сильная кислота. С металлом, стоящим в ряду активности до водорода, она обычно образует соль и водород: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. С основным оксидом и основанием проходит реакция обмена с образованием соли и воды: H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O, а при полной нейтрализации H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O. В этих реакциях проявляются общие свойства кислот.

Состав соли определяется тем, сколько кислоты и основания вступает в реакцию. Если щёлочи достаточно для связывания обоих атомов водорода, образуется сульфат; при недостатке щёлочи может образоваться гидросульфат. Например, при полной нейтрализации нужны две части NaOH на одну часть H₂SO₄, а при частичной возможна запись H₂SO₄ + NaOH → NaHSO₄ + H₂O. Поэтому перед уравниванием полезно проверить, какая соль ожидается.

Концентрированная серная кислота может принимать электроны, то есть выступает окислителем. При реакции с металлами металл отдаёт электроны, а сера в кислоте восстанавливается; вместо вытеснения водорода обычно возникают продукты восстановления серы, например SO₂. Поэтому к концентрированной кислоте нельзя механически применять правило «металл плюс кислота — соль и водород». Конкретный продукт зависит от металла и условий реакции.

Концентрированная кислота отнимает воду у некоторых веществ, вызывая их обезвоживание и изменение состава. Реакция разбавления тоже сопровождается сильным выделением тепла: если налить воду в кислоту, небольшой объём воды может быстро нагреться и разбрызгать кислоту. Поэтому кислоту медленно вливают в воду, перемешивая; при работе используют защитные очки и перчатки. Это правило снижает риск ожогов.

Свойства разбавленной и концентрированной серной кислоты

Сравнивайте растворы прежде всего по поведению с металлами: выделение водорода характерно для разбавленной кислоты и подходящего активного металла. Концентрированная кислота может дать другие продукты, поэтому всегда учитывайте условия реакции. Таблица показывает общие закономерности, а конкретное уравнение нужно составлять для заданных веществ.

Разбор задач

1. Реакция разбавленной серной кислоты с цинком

Составьте уравнение реакции разбавленной H₂SO₄ с цинком. Цинк стоит в ряду активности до водорода, поэтому может вытеснить его из разбавленной кислоты. Нужно определить формулу соли и проверить баланс атомов.

1. Цинк образует ион Zn²⁺, а кислотный остаток имеет заряд SO₄²⁻, поэтому формула соли — ZnSO₄.
2. Запишите схему: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. Сульфатная группа уже сбалансирована, а два атома водорода дают молекулу H₂.
3. Проверьте число атомов с обеих сторон: Zn — 1, H — 2, S — 1, O — 4. Коэффициенты не требуются.

Ответ: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. Стрелка вверх показывает выделение газа. Это уравнение относится именно к разбавленной кислоте.

2. Полная нейтрализация гидроксида натрия

Определите формулы веществ и коэффициенты в реакции H₂SO₄ с NaOH при полной нейтрализации. Слово «полная» означает, что оба атома водорода кислоты замещаются натрием. Поэтому конечный продукт — сульфат натрия, а не гидросульфат.

1. Составьте формулу соли: два иона Na⁺ уравновешивают заряд SO₄²⁻, значит, соль — Na₂SO₄.
2. Запишите схему H₂SO₄ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O и поставьте коэффициент 2 перед NaOH, чтобы получить два атома натрия.
3. Слева теперь четыре атома водорода, поэтому поставьте 2 перед H₂O. Проверьте кислород: слева 6, справа 4 в Na₂SO₄ и 2 в воде.

Ответ: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O. Соотношение кислоты и щёлочи равно 1:2. Если щёлочи взять меньше, реакция может привести к гидросульфату.

3. Реакция концентрированной кислоты с медью

Составьте уравнение реакции меди с концентрированной H₂SO₄ и назовите продукты. Медь не вытесняет водород из разбавленной кислоты, а концентрированная серная кислота действует как окислитель. Поэтому нужно определить изменения степеней окисления, а не записывать H₂.

1. Медь меняет степень окисления 0 на +2: Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺. Сера в H₂SO₄ меняет +6 на +4 в SO₂: S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴.
2. Число отданных и принятых электронов одинаково, поэтому коэффициенты Cu и SO₂ равны 1. Ион Cu²⁺ соединяется с SO₄²⁻, образуя CuSO₄.
3. Расставьте оставшиеся вещества и проверьте атомы: для двух атомов серы слева нужны 2H₂SO₄; водород и кислород уравниваются добавлением 2H₂O.

Ответ: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O. Продукты — сульфат меди(II), диоксид серы и вода; водород не образуется, потому что электроны принимает сера кислоты.

Типичные ошибки

Ошибка — считать реакции разбавленной и концентрированной кислоты одинаковыми. Это часто происходит из-за знакомой схемы «кислота плюс металл», но концентрация меняет ход процесса и возможные продукты. Проверяйте, какая кислота указана, и подходит ли правило вытеснения водорода для данных условий.

При реакции меди с концентрированной H₂SO₄ нельзя записывать выделение H₂. Такую ошибку допускают, перенося правило для активных металлов и разбавленных кислот на другой случай. Проверьте степени окисления: медь окисляется, а сера восстанавливается, поэтому образуется SO₂.

Сульфат и гидросульфат — разные кислотные остатки солей: в сульфате замещены оба атома водорода кислоты, а в гидросульфате один остаётся в составе соли. Путаница возникает, если формулу соли выбирают без учёта количества основания. Сверьте заряды и соотношение реагентов: Na₂SO₄ соответствует полной нейтрализации, NaHSO₄ — частичной.

Нельзя вливать воду в концентрированную кислоту. Ошибка кажется безобидной, но при смешивании выделяется много тепла, и жидкость может разбрызгаться. Для самопроверки запомните правило: кислоту медленно добавляют в воду, а не воду в кислоту.

Связь с другими темами

Для понимания серной кислоты нужны знания о составе кислот, кислотном остатке и степенях окисления. Ряд активности металлов помогает предсказать выделение водорода при реакции с разбавленной кислотой. Составление уравнений опирается на правила реакций обмена и окислительно-восстановительных реакций.

Эти знания пригодятся при изучении солей: их формулы и названия связаны с зарядом кислотного остатка. Сульфат-ион можно обнаружить качественной реакцией с ионами бария. Серная кислота также важна для понимания химического производства и получения веществ, используемых в промышленности.

Что запомнить

• Формула серной кислоты — H₂SO₄; кислота двухосновная.
• Соли серной кислоты называются сульфатами и гидросульфатами.
• Разбавленная серная кислота проявляет общие свойства кислот.
• Концентрированная серная кислота — сильный окислитель; при реакции с металлами водород обычно не выделяется.
• Концентрированная серная кислота обладает водоотнимающим действием.
• При разбавлении кислоту медленно вливают в воду, а не наоборот.