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硫酸

2021-07-16 12:27:04

资料专题:硫酸基本信息汇总表

硫酸(化学分子式为H2SO4)也被称为化工之母,是一种具有高腐蚀性强矿物酸,一般为透明至微黄色,在任何浓度下都能与水混溶并且放热。有时,在工业制造过程中,硫酸也可能被染成暗褐色以提高人们对它的警惕性。

作为二元酸的硫酸在不同浓度下有不同的特性,而其对不同物质,如金属、生物组织、甚至岩石等的腐蚀性,都归根于它的强酸性,以及它在高浓度下的强烈脱水性(化学性质)、吸水性(物理性质)与氧化性。硫酸能对皮肉造成极大的伤害,因为它除了会透过酸性水解反应分解蛋白质及脂肪造成化学烧伤外,还会与碳水化合物发生脱水反应并造成二级火焰性灼伤;若不慎入眼,更会破坏视网膜造成永久失明。故在使用时,应做足安全措施。另外,硫酸的吸水性可以用来干燥非碱性气体 。

正因为硫酸有不同的特性,它也有不同的应用,如家用强酸通渠剂、铅酸蓄电池的电解质、肥料、炼油厂材料及化学合成剂等。

硫酸被广泛生产,最常用的工业方法为接触法

历史

资料专题:硫酸历史

物理性质

纯硫酸一般为无色黏糊液体,形态有点像油。但有时在工业生产过程中,它也有可能被染色以提高购买者对其危险性的警惕。

浓度

尽管可以制出浓纯净的硫酸,并且室温下是无限稳定的(所谓的分解成恒沸物的反应发生在接近沸点的高温之下),但是纯硫酸熔点过高(283.4K/10.3℃),所以为了方便运输通常制成98%硫酸,故一般所说的“高浓度硫酸”指的便是浓度为98%的硫酸。另外,硫酸在不同的浓度下有不同的应用,以下为一些常见的浓度级别:

质量分数
(kg/kg)

H2SO4密度
物质的量浓度
(mol/L)
俗称
10%1.07~1稀硫酸
29–32%1.25–1.284.2–5铅酸蓄电池酸
62–70%1.52–1.609.6–11.5室酸
肥料酸
98%1.83~18浓硫酸

硫酸亦可被制成其他形态。例如,将高浓度的SO3打入硫酸可制成发烟硫酸H2S2O7)。有关发烟硫酸的浓度,人们通常以SO3的百分比作准或者是H2SO4的百分比作准,两者均可。一般所称的“浓发烟硫酸”的浓度为45%(含110.1%H2SO4)或65%(含114.6%H2SO4)。100%纯发烟硫酸(焦硫酸)为固体,熔点为36 °C。

硫酸也有一定的药用价值。另外在分析化学上也有很大的用途,例如,稀硫酸常用于滴定法

极性与导电性

纯硫酸是一种非常极性的液体,其介电系数大约为100。因为它分子与分子之间能够互相质子化对方,造成它极高的导电性,这个过程被称为自偶电离。这种反应机理是和纯磷酸以及纯氢氟酸所同出一辙的。但纯硫酸达成这种反应平衡所需要的时间则比以上两者快得多,差不多是即时性的。

2H2SO4↔H3SO4+HSO4

有关的化学平衡则是:

Kap(25 °C)= [H3SO+
4
][HSO4-] =6996270000000000000♠2.7×10

而水的相应化学平衡则比硫酸的少10(一百亿),其Kw为10。

(以上只为简化版)

虽然为黏糊液体,硫酸,正如上述,有很高的导电性,这主要归根于H3SO+
4
HSO4-离子。除此,硫酸在很多化学反应里也是非常好的溶剂

化学性质

水合反应与脱水反应

硫酸与水发生的水合为高度放热反应,溶液在稀释过程中容易溅出,造成危险。故很多指引均建议工作人员应把酸慢慢加入水而不是把水倒入酸,一方面因为硫酸的密度比水大,把水加入硫酸中会使水浮在硫酸上面沸腾飞溅,另一方面因为这可利用水的高比热容,减低危险性。

正如其他酸,硫酸在与水混合后会释放氢离子

H2SO4+H2OH3O+ HSO4 K1 = 2.4×10(强酸)HSO4 +H2OH3O+ SO4 K2 = 1.0×10

K1和K2是酸度系数。

因为硫酸与水的强亲和性及其热力学的配合,它是一种很强的脱水剂,能抽走化合物里的水分子。在实验室,硫酸通常会被加入白糖里(蔗糖),以展示它的这种强烈脱水性特质。由于水分子的流失,白糖最终只剩下黑色的,使整个烧杯里的混合物变黑:

C12H22O11(白色蔗糖) +硫酸→ 12 C(黑炭) + 11 H2O(水蒸气)C + 2 H2SO4 → CO2 + 2 SO2 + 2 H2O

硫酸与其他碳水化合物的脱水反应也差不多,例如,当硫酸被加入淀粉时,碳也是最终的产物。这可以充分地表现在硫酸与由纤维素构成的白纸的反应上,白纸最终被蚀穿,并呈现类似烧焦的颜色,这现象同样发生在纤维织物上,如毛巾。尽管浓硫酸的脱水性比稀硫酸的强得多,即便是稀硫酸也能对织物上的纤维素造成很大的破坏。

硫酸与碳水化合物的脱水反应,可以用以下总方程式表达:

(C6H10O5)n+硫酸→ 6nC + 5nH2O

再者,硫酸的强烈脱水性也可反映在硫酸铜身上。原本为蓝色,含水分的硫酸铜晶体在与硫酸发生反应后,变为白色的粉末,这也是硫酸铜在脱水状况下的状态:

CuSO4·5H2O(蓝色晶体) +硫酸→ CuSO4(白色粉末) + 5 H2O

一般酸碱特性泛论

硫酸正如其他的酸,能与发生中和反应,变为硫酸盐及水。例如,用以电镀或制成杀真菌剂的硫酸铜便是从硫酸与氧化铜的中和反应中取得:

CuO(s)+H2SO4(aq)→CuSO4(aq)+H2O(l)

硫酸可以和碳酸盐发生反应。如稀硫酸可以和碳酸钠反应,产生碳酸,但碳酸不稳定,会迅速分解为二氧化碳和水:

Na2CO3+H2SO4Na2SO4+CO2+H2O

浓硫酸加热下可以和硝酸钾反应得到硝酸、和氯化钠反应得到氯化氢(这也是实验室制取氯化氢的方法之一):

KNO3+H2SO4KHSO4+HNO3NaCl+H2SO4NaHSO4+HCl

硫酸是不挥发的强酸,因此可以制取弱酸和挥发性酸。以其与乙酸钠为例,它会取代乙酸(CH3COOH)产生出硫酸氢钠

H2SO4+CH3COONaNaHSO4+CH3COOH

硫酸在与硝酸反应时担当酸与脱水剂的角色,产生出NO+
2
离子,在有机化学里是很重要的一个反应过程。

金属氧化与强氧化性质

稀硫酸具有一般酸的性质,能与锌(Zn)、铁(Fe)、锰(Mn)、(Ni)、铝(Al)、镁(Mg)等活泼金属反应,释出氢气(H2),而不与铜等不活泼金属发生产生氢气的反应。以铁为例:

Fe(s)+H2SO4(aq)→H2(g)+FeSO4(aq)

但浓硫酸具有强氧化性能与很多不活泼金属发生氧化还原反应。 浓硫酸是强氧化剂,在反应过程中,它被还原为水及二氧化硫(SO2)而不是氢,硫的氧化数由+6降至+4。浓硫酸的强氧化性与其中存在的H2SO4分子有关。

2 H2SO4 + 2 e → SO2 + 2 H2O + SO4

以铜为例:

Cu + 2 H2SO4 → SO2 + 2 H2O + SO4 + Cu

若与活泼金属接触则浓硫酸被还原的程度将更大,以锌为例:

3 Zn + 4 H2SO4 → S + 4 H2O + 3 SO4 + 3 Zn

不过,铅与钨因在反应时产生保护层故能抵挡硫酸的腐蚀。

非金属物质的氧化

浓硫酸的强氧化性使其亦可以氧化非金属,例如碳和硫。

C + 2 H2SO4 → CO2 + 2 SO2 + 2 H2OS + 2 H2SO4 → 3 SO2 + 2 H2O

在上述反应,碳和硫的氧化数由0升至+4。

当硫、硒溶于发烟硫酸时,逐步被氧化为S16(橙黄色)、S8(蓝色)、S4(黄色)、Se8(绿色)、Se4(橙色)等多聚阳离子。

跟某些盐反应

硫酸可与可溶性钡盐反应生成硫酸钡沉淀和相应的酸,可与碳酸盐反应生成相应的硫酸盐、水和二氧化碳。

H2SO4 + BaCl2 → BaSO4↓ + 2HClNa2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2↑

亲电芳香取代反应

硫酸能发生亲电芳香取代反应,变为磺酸

自然界的存在

地球

100%纯硫酸为无色粘稠液体,很难在地球上找到,因为其与水的亲和性很高,一暴露在空气中便会吸取水分。酸雨含稀硫酸,这主要是因为在雨水的作用下,大气中的二氧化硫与水结合,当中的产物亚硫酸还会进一步地被氧化,形成硫酸。至于大气中的二氧化硫则主要来自于很多交通工具所排放的废气以及含硫化石燃料的燃烧。

自然界中,很多含硫的矿物质,例如硫酸铁,在发生氧化反应后形成硫酸,所形成的液体为高度酸性,能氧化残留的金属物,释放出有毒的气体。

另有指在生物界,有一种海蛞蝓(Notaspidean pleurobranchs)也能喷射含硫酸的分泌物来御敌。

其他星体

金星

硫酸也能在金星的上层大气中找到。这主要出自于太阳对二氧化硫,二氧化碳及水的光化作用。波长短于160纳米的紫外光子能光解二氧化碳,使其变为一氧化碳及原子氧。原子氧非常活跃,它与二氧化硫发生反应变为三氧化硫。三氧化硫进一步与水产生反应释出硫酸。硫酸在金星大气中较高较冷的地区为液体,这层厚厚的、离星球表面约45-70公里的硫酸云层覆盖整个星球表面。这层大气不断地释出酸雨。

在金星里,硫酸的形成不断循环。当硫酸从大气较高较冷的区域跌至较低较热的地区时被蒸发,其含水量越来越少而其浓度也就越来越高。当温度达300 °C时,硫酸开始分解为三氧化硫以及水,这两个产物均为气体。三氧化硫非常活跃并分解为二氧化硫及原子氧,原子氧接着氧化一氧化碳令其变为二氧化碳,二氧化硫及水会从大气中层升高到上层,它们会发生反应重新释出硫酸,整个过程又再一次循环。

木卫二

伽利略号探测器传来的影像显示,硫酸亦有可能出现于木星的其中一个卫星——木卫二,但有关细节仍存有争议。

生产

硫酸的生产方法主要有接触法及湿硫酸法。

接触法

首先,硫会被燃烧为二氧化硫:

S(s)+O2(g)→SO2(g)

接着,在催化剂五氧化二钒的作用下,二氧化硫会被氧气氧化为三氧化硫:

2SO2(g)+O2(g)⇌ 2SO3(g)(催化剂为V2O5

三氧化硫会被制成97–98%的H2SO4并进一步成为发烟硫酸H2S2O7),发烟硫酸然后被水稀释成浓硫酸:

H2SO4(l)+SO3(g)→H2S2O7(l)H2S2O7(l)+H2O(l)→ 2H2SO4(l)

值得注意的是,三氧化硫并不会被直接打入水,因为这高放热反应会产生出具腐蚀性的气溶胶而不是液体,气溶胶很难被分离出来,故此方法无效:

SO3(g)+H2O(l)→H2SO4(l)

湿硫酸法

第一步,硫会被燃烧为二氧化硫:

S(s)+O2(g)→SO2(g)

或者是,硫化氢(H2S)会被焚化为二氧化硫:

2H2S+ 3O2→ 2H2O+ 2SO2(−518 kJ/mol)

在催化剂五氧化二钒的作用下,二氧化硫会被氧气氧化为三氧化硫:

2SO2(g)+O2(g)⇌ 2SO3(g)(催化剂为V2O5

三氧化硫会被水合为硫酸:

SO3+H2OH2SO4(g)(−101 kJ/mol)

最后一步则是将硫酸凝结为液体硫酸,浓度大约是97%到98%:

H2SO4(g)→H2SO4(l)(−69 kJ/mol)

其他方法

大约在1900年之前,铅室法为生产硫酸的主要方法。截至40年代末,在美国仍有50%的化工厂采用铅室法生产硫酸。

在古代的实验室里,用亚硫酸氢钠制备二氧化硫,通入双氧水里产生硫酸:

SO2 + H2O2 → H2SO4

硫化氢和硫酸铜溶液反应,以及磺酰氯的水解,都会产生硫酸。

但在现代,实验室通常可以直接购得硫酸而不需要制备。

用途

硫酸是工业上一种重要的化学品,它用途十分广泛,如制造肥料、非碱性清洁剂、护肤品、以及油漆添加剂与炸药等。硫酸的重要性可以从它的生产量中反映。截至2004年,全世界约出产近十八亿吨的硫酸,当中,亚洲占35%;北美(包括墨西哥)占24%;非洲占11%;西欧占10%;东欧及俄罗斯占10%;澳大利亚及大洋洲占7%;南美占7%。在总生产量里,约60%用来制作肥料,如磷酸铵及硫酸铵;约有20%被化工厂用以制作清洁用品,制药或其他工业用途,如作为提炼汽油的催化剂等。

一般化工用途

硫酸最广泛的用途是制造磷酸,而磷酸则用于制造含磷肥料。93%硫酸被用于制造硫酸钙,氟化氢以及磷酸氟化氢最终会以氢氟酸的形态隔走。

Ca5F(PO4)3+ 5H2SO4+ 10H2O→ 5CaSO4·2 H2O+ HF + 3H3PO4

硫酸另一个用途用于造纸。硫酸会用于产生硫酸铝硫酸铝在木浆纤维上与少量肥皂物发生反应,形成含铝羧酸盐用以使纤维物凝固,形成较坚硬的表面。

硫酸铝的产生:Al2O3+ 3H2SO4Al2(SO4)3+ 3H2O

硫酸亦可制造用于隔走废水中的有害物质的氢氧化铝氢氧化铝在污水处理厂里是一个非常重要的化学物质。还有,硫酸也是很多染料制造中必要的化学物。

工业清洁品

硫酸也是很多用以清洁氧化物、锈迹等的清洁品中的成分。已用的硫酸会被回收再用,方法是将酸与多种有机物燃烧,释出二氧化硫及三氧化硫,这些原材料可以用来生产新的硫酸。

催化剂

硫酸是多种化学反应的催化剂。例如,它催化尼龙的制造过程;另外,多个汽油提炼过程也需要硫酸的催化进行。

电解质

硫酸是汽车铅酸蓄电池中的电解质。有关的化学方程式为:

阳极Pb+SO4PbSO4+ 2 e阴极PbO2+ 4 H +SO4+ 2 ePbSO4+ 2 H2O总方程:Pb+PbO2+ 4 H + 2SO42PbSO4+ 2 H2O

一般家居用途

世界大多酸性水道疏通用品均含有硫酸,可以除去头发、油污等淤塞物。基于安全理由,在使用时宜小心并带上手套。另外,由于硫酸会与水发生高放热反应,在使用前宜尽量保持渠道干爽,并慢慢倒入有关疏通剂。

危险性

实验室风险

资料专题:硫酸危险性实验室风险

工业风险

虽然硫酸并不是易燃,但当与金属发生反应后会释出易燃的氢气,有可能导致爆炸,而作为强氧化剂的浓硫酸与金属进行氧化还原反应时会释出有毒的二氧化硫,威胁工作人员的健康。另外,长时间暴露在带有硫酸成分的浮质中(特别是高浓度),会使呼吸管道受到严重的刺激,更可导致肺水肿。但风险会因暴露时间的缩短而减少。

在美国,硫酸的最多可接触分量(PEL)被定为1 mg/m,此数字在其他国家相若。误服硫酸有机会导致维生素B12缺乏症,其中,脊椎是最易受影响的部位。

参见

参考资料及注释

资料专题:硫酸参考资料及注释