21. Серная кислота и ее соли

Определения и обозначения

Серная кислота — вещество с формулой H₂SO₄, сильная двухосновная кислота. Двухосновной её называют потому, что в молекуле есть два атома водорода, способных замещаться на металл. Серная кислота нужна для получения удобрений, обработки сырья и синтеза многих веществ. При работе с ней надевают защитные средства, а при разбавлении медленно вливают кислоту в воду.

Сульфат-ион — частица состава SO₄²⁻ с зарядом −2. Он входит в соли серной кислоты и вместе с положительно заряженными ионами образует их формулу. Заряд иона помогает правильно определить соотношение частиц, например в сульфате натрия Na₂SO₄. Сульфат-ион также важен для качественного распознавания этих солей.

Сульфаты — средние соли серной кислоты, в которых оба атома водорода замещены на металл или другую положительную частицу. Формулу составляют так, чтобы суммарный заряд был равен нулю: для Mg²⁺ и SO₄²⁻ получается MgSO₄, а для Na⁺ и SO₄²⁻ — Na₂SO₄. Большинство сульфатов растворимо в воде, но BaSO₄ и PbSO₄ практически нерастворимы. Это различие используют при проведении реакций.

Гидросульфаты — кислые соли, в составе которых сохранился один атом водорода серной кислоты. Их анион HSO₄⁻ имеет заряд −1, поэтому с ионом натрия он образует NaHSO₄. Такие соли возникают при неполной нейтрализации кислоты или при недостатке основания. В отличие от сульфатов, гидросульфаты сохраняют атом водорода, способный участвовать в кислотно-основных реакциях.

Как это устроено

Серную кислоту в промышленности получают из серы или диоксида серы. Сначала серу сжигают в кислороде либо окисляют уже имеющийся SO₂, получая SO₃; процессу помогает катализатор. Затем триоксид серы поглощают концентрированной серной кислотой, а полученный продукт разбавляют водой до нужной концентрации. Так получают кислоту в больших количествах для дальнейшего производства удобрений и других веществ.

В молекуле H₂SO₄ два атома водорода связаны с кислородом, поэтому оба могут замещаться положительными ионами. Если замещён только один атом, образуется HSO₄⁻ и кислая соль, например NaHSO₄. Если замещены оба атома, остаётся SO₄²⁻ и получается средняя соль, например Na₂SO₄. Именно строение кислоты объясняет, почему у неё есть два вида солей.

Разбавленная серная кислота в растворе даёт ионы H⁺, поэтому проявляет общие свойства кислот. С основаниями и основными оксидами она образует соль и воду, а с некоторыми солями реагирует, если появляется осадок, газ или слабый электролит. С металлами, стоящими в ряду активности до водорода, разбавленная кислота обычно образует соль и выделяет H₂. Например: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑.

Концентрированная кислота отличается от разбавленной не только количеством воды: она способна окислять вещества и отнимать у них воду. Поэтому при её взаимодействии с металлами часто не выделяется водород, а образуются продукты восстановления серы, например SO₂. Концентрированная H₂SO₄ может обугливать органические вещества, удаляя из них воду. Холодная концентрированная кислота пассивирует железо, алюминий и хром: на поверхности возникает защитный слой, который мешает дальнейшей реакции.

Сульфат-ионы обнаруживают раствором растворимой соли бария, например BaCl₂. Ионы Ba²⁺ соединяются с SO₄²⁻ и дают BaSO₄, который очень плохо растворяется в воде, поэтому выпадает в виде белого осадка. Сокращённое ионное уравнение реакции: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Осадок устойчив и не исчезает при добавлении разбавленной кислоты, что помогает отличить его от некоторых других белых осадков.

Серная кислота и её соли: состав и химические свойства

Сравнивайте свойства в таблице по строкам: так легче увидеть, какое отличие связано с концентрацией, а какое — с составом соли. Для качественной реакции сначала учитывайте, что исследуемое вещество должно быть в растворе. Не переносите окислительные свойства концентрированной кислоты на её разбавленный раствор.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение реакции разбавленной серной кислоты с гидроксидом натрия и определите соль, которая образуется при недостатке кислоты. Нужно помнить: количество замещённых атомов водорода зависит от соотношения кислоты и щёлочи. При избытке щёлочи обычно получают среднюю соль, а при её недостатке — кислую. Запишем оба возможных варианта.

1. Если кислоты достаточно для полной нейтрализации, уравнение имеет вид: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.
2. При недостатке кислоты и соотношении H₂SO₄ : NaOH = 1 : 1 замещается только один атом водорода: H₂SO₄ + NaOH → NaHSO₄ + H₂O.
3. Проверяем баланс: в обоих уравнениях число атомов каждого элемента одинаково слева и справа.

Ответ: при недостатке кислоты относительно щёлочи образуется Na₂SO₄; при недостатке щёлочи, то есть при соотношении 1 : 1, образуется NaHSO₄. Условие о «недостатке кислоты» означает, что щёлочи больше, чем нужно для кислой соли. Поэтому нужно внимательно смотреть на соотношение веществ, а не только на название реагентов.

Задача 2. Какова масса BaSO₄, образовавшегося при взаимодействии 9,8 г H₂SO₄ с избытком раствора BaCl₂? Осадок образуется в соотношении один моль BaSO₄ на один моль H₂SO₄. Сначала найдём количество кислоты, затем используем коэффициенты реакции и молярную массу осадка. Избыток хлорида бария означает, что кислота — ограничивающий реагент.

1. Записываем уравнение: H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2HCl.
2. Вычисляем количество кислоты: M(H₂SO₄) = 98 г/моль; n = m/M = 9,8/98 = 0,1 моль.
3. По коэффициентам реакции n(BaSO₄) = 0,1 моль. Находим молярную массу: M(BaSO₄) = 137 + 32 + 4 · 16 = 233 г/моль.
4. Вычисляем массу: m = nM = 0,1 · 233 = 23,3 г.

Ответ: образуется 23,3 г BaSO₄. Результат верен при условии, что реакция прошла полностью и выход осадка составляет 100%. Полезно проверить единицы: количество вещества умножили на г/моль, поэтому получили граммы.

Задача 3. Неизвестная соль растворима в воде. При добавлении NaOH образуется голубой осадок, а при добавлении BaCl₂ — белый осадок. Определите соль и запишите молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакций. Голубой осадок указывает на Cu(OH)₂, значит, в растворе были ионы Cu²⁺. Белый осадок с барием подтверждает наличие SO₄²⁻.

1. Сопоставляем признаки: Cu²⁺ с OH⁻ даёт голубой Cu(OH)₂, а SO₄²⁻ с Ba²⁺ — белый BaSO₄. Следовательно, неизвестное вещество — CuSO₄.
2. Реакция со щёлочью: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Сокращённое ионное уравнение: Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓.
3. Реакция с хлоридом бария: CuSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + CuCl₂. Сокращённое ионное уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Ответ: неизвестная соль — сульфат меди(II), CuSO₄. В обоих сокращённых ионных уравнениях оставляют только частицы, которые непосредственно образуют осадок. Ионы, не изменившиеся в ходе реакции, в сокращённую запись не включают.

Типичные ошибки

Ошибочно считать H₂SO₄, SO₄²⁻ и HSO₄⁻ обозначениями одного и того же вещества. Так бывает, если не различать молекулу кислоты, сульфат-ион и ион кислой соли. Проверяйте, что именно требуется назвать: H₂SO₄ — кислота, SO₄²⁻ входит в сульфаты, HSO₄⁻ — гидросульфат-ион. Помогает также проверка заряда и числа атомов водорода.

Не следует записывать реакцию разбавленной серной кислоты с любым металлом по шаблону «соль плюс водород». Такое уравнение подходит для металлов, стоящих в ряду активности до водорода, но не для всех металлов и не для концентрированной кислоты. Перед записью проверьте активность металла и концентрацию реагента. Если металл не вытесняет водород из разбавленной кислоты, обычная схема неприменима.

Считать свойства концентрированной и разбавленной кислоты одинаковыми — значит пропустить важную роль концентрации. Например, концентрированная H₂SO₄ окисляет многие металлы и отнимает воду у веществ, тогда как разбавленная обычно действует как обычная кислота. Сверяйте условия реакции: концентрацию и температуру. Также помните о пассивации некоторых металлов холодной концентрированной кислотой.

При составлении формул солей иногда забывают о зарядах ионов или о том, сколько атомов водорода замещено. Тогда получают, например, неверное соотношение металла и SO₄²⁻ или путают среднюю соль с кислой. Проверьте, что сумма зарядов в формуле равна нулю: Na₂SO₄ нейтрален, как и NaHSO₄. Для гидросульфата учитывайте заряд HSO₄⁻, равный −1.

Связь с другими темами

Перед изучением темы полезно повторить классификацию кислот и солей, таблицу растворимости и составление формул по зарядам ионов. Эти знания нужны, чтобы различать сульфаты и гидросульфаты и предсказывать образование осадка. Также пригодится умение составлять уравнения реакций обмена.

Свойства серной кислоты объясняют её роль в промышленном производстве и помогают разбирать качественный анализ веществ. Уравнения реакций с сульфатами и солями бария применяют в лабораторных задачах, а расчёты по ним учат находить массу продукта. Та же логика пригодится при решении задач на другие реакции.

Сульфаты встречаются в составе удобрений и электролитов, а серная кислота связана с изучением оксидов серы. Выбросы этих оксидов могут приводить к образованию кислотных осадков и вредить водоёмам, почвам и растениям. Поэтому химические свойства веществ помогают понимать не только производство, но и экологические последствия деятельности человека.

Что запомнить

• Серная кислота имеет формулу H₂SO₄ и является двухосновной кислотой.
• Сульфат-ион имеет состав SO₄²⁻.
• Серная кислота образует средние соли — сульфаты — и кислые соли — гидросульфаты.
• Разбавленная H₂SO₄ проявляет общие свойства сильных кислот.
• Концентрированная H₂SO₄ обладает окислительными и водоотнимающими свойствами.
• Сульфат-ионы обнаруживают по белому осадку BaSO₄.
• При работе с кислотой кислоту вливают в воду, а не воду в кислоту.