Sulfātskābe: formula un ķīmiskās īpašības

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-02 17:52

Viena no pirmajām minerālskābēm, kas kļuva zināma cilvēkiem, ir sērskābe jeb sulfāts. Ne tikai viņa pati, bet arī daudzi viņas sāļi tika izmantoti celtniecībā, medicīnā, pārtikas rūpniecībā un tehniskām vajadzībām. Pagaidām šajā ziņā nekas nav mainījies. Vairākas īpašības, kas piemīt sulfātskābei, padara to vienkārši neaizstājamu ķīmiskajā sintēzē. Turklāt tā sāļus izmanto gandrīz visās ikdienas dzīves un rūpniecības nozarēs. Tāpēc mēs detalizēti apsvērsim, kas tas ir un kādas ir manifestēto īpašību pazīmes.

Vārdu dažādība

Sāksim ar to, ka šai vielai ir daudz nosaukumu. Starp tiem ir tie, kas veidoti pēc racionālas nomenklatūras, un tie, kas ir vēsturiski attīstījušies. Tātad šis savienojums ir apzīmēts kā:

• sulfātskābe;
• vitriols;
• sērskābe;
• oleums.

Lai gan termins "oleums" nav īsti piemērots šai vielai, jo tas ir sērskābes un augstāka sēra oksīda maisījums -SO_3.

Sulfātskābe: formula un molekulārā struktūra

No ķīmiskās abreviatūras viedokļa šīs skābes formulu var uzrakstīt šādi: H₂SO_{4. Acīmredzot molekula sastāv no diviem ūdeņraža katjoniem un skābes atlikuma anjona - sulfātjona, kura lādiņš ir 2+.}

Šajā gadījumā molekulas iekšpusē darbojas šādas saites:

• kovalentais polārs starp sēru un skābekli;
• kovalents stipri polārs starp ūdeņradi un skābes atlikumu SO_4.

Sērs, kam ir 6 nepāra elektroni, veido divas dubultās saites ar diviem skābekļa atomiem. Ar vēl pāris - vientuļi, un tie, savukārt, vieni ar ūdeņražiem. Rezultātā molekulas struktūra ļauj tai būt pietiekami spēcīgai. Tajā pašā laikā ūdeņraža katjons ir ļoti kustīgs un viegli aiziet, jo sērs un skābeklis ir daudz elektronnegatīvāki. Velkot uz sevi elektronu blīvumu, tie nodrošina ūdeņradi ar daļēji pozitīvu lādiņu, kas atdaloties kļūst pilns. Tā veidojas skābie šķīdumi, kuros ir H+.

Ja runājam par elementu oksidācijas pakāpēm savienojumā, tad sulfātskābe, kuras formula ir H₂SO_{4, viegli ļauj tos aprēķināt: ūdeņradis +1, skābeklis -2, sērs +6.}

Kā jebkurā molekulā, kopējais lādiņš ir nulle.

Atklājumu vēsture

Sulfātskābe cilvēkiem ir zināma kopš seniem laikiem. Pat alķīmiķi prata to iegūt, kalcinējot dažādus vitriolus. ArJau 9. gadsimtā cilvēki saņēma un lietoja šo vielu. Vēlāk Eiropā Alberts Magnuss iemācījās iegūt skābi, sadaloties dzelzs sulfātam.

Tomēr neviena no metodēm nebija rentabla. Tad kļuva zināma tā sauktā sintēzes kameras versija. Šim nolūkam tika sadedzināts sērs un nitrāts, un atbrīvotos tvaikus absorbēja ūdens. Rezultātā izveidojās sulfātskābe.

Arī vēlāk britiem izdevās atrast lētāko metodi šīs vielas iegūšanai. Tam tika izmantots pirīts - FeS_{2, dzelzs pirīti. Tās apgrauzdēšana un sekojošā mijiedarbība ar skābekli joprojām ir viena no svarīgākajām sērskābes sintēzes rūpnieciskajām metodēm. Šādas izejvielas ir pieejamākas, lētākas un kvalitatīvākas lieliem ražošanas apjomiem.}

Fizikālās īpašības

Ir vairāki parametri, tostarp ārējie, kas atšķir sulfātskābi no citiem. Tās fizikālās īpašības var aprakstīt vairākos punktos:

1. Šķidrums standarta apstākļos.
2. Koncentrētā stāvoklī tas ir smags, eļļains, par ko tas saņēma nosaukumu "vitriols".
3. Vielas blīvums - 1,84 g/cm3.
4. Nav krāsas vai smaržas.
5. Tam ir izteikta "vara" garša.
6. Ļoti labi šķīst ūdenī, gandrīz neierobežotā daudzumā.
7. Higroskopisks, spēj notvert gan brīvo, gan saistīto ūdeni no audiem.
8. Negaistošs.
9. Vārīšanās temperatūra - 296oC.
10. Kusēšana pie 10, 3oC.

Viena no svarīgākajām šī savienojuma īpašībām ir spēja hidratēt, izdalot lielu daudzumu siltuma. Tāpēc pat no skolas sola bērniem māca, ka skābei nekādā gadījumā nevar pievienot ūdeni, bet tikai otrādi. Galu galā ūdens blīvums ir vieglāks, tāpēc tas uzkrāsies uz virsmas. Ja to pēkšņi pievieno skābei, tad šķīdināšanas reakcijas rezultātā izdalīsies tik liels enerģijas daudzums, ka ūdens uzvārīsies un sāks šļakstīties kopā ar bīstamas vielas daļiņām. Tas var izraisīt smagus ķīmiskus roku ādas apdegumus.

Tāpēc skābe jālej ūdenī tievā strūkliņā, tad maisījums kļūs ļoti karsts, bet vārīšanās nenotiks, kas nozīmē, ka arī šķidrums izšļakstās.

Ķīmiskās īpašības

No ķīmijas viedokļa šī skābe ir ļoti spēcīga, it īpaši, ja tā ir koncentrēts šķīdums. Tas ir divbāzisks, tāpēc tas pakāpeniski sadalās, veidojot hidrosulfātu un sulfāta anjonus.

Kopumā tā mijiedarbība ar dažādiem savienojumiem atbilst visām galvenajām reakcijām, kas raksturīgas šai vielu klasei. Mēs varam sniegt piemērus vairākiem vienādojumiem, kuros piedalās sulfātskābe. Ķīmiskās īpašības izpaužas mijiedarbībā ar:

• sāļi;
• metālu oksīdi un hidroksīdi;
• amfoteriskie oksīdi un hidroksīdi;
• metāli, kas atrodas virknē spriegumu līdz ūdeņradim.

Bšādas mijiedarbības rezultātā gandrīz visos gadījumos veidojas dotās skābes vidējie sāļi (sulfāti) vai skābie sāļi (hidrosulfāti).

Īpaša iezīme ir arī tā, ka ar metāliem pēc parastās shēmas Me + H₂SO₄=MeSO₄ + H_{2↑ reaģē tikai noteiktas vielas šķīdums, tas ir, atšķaidīta skābe. Ja ņemam koncentrētu vai ļoti piesātinātu (oleumu), tad mijiedarbības produkti būs pilnīgi atšķirīgi.}

Īpašas sērskābes īpašības

Tie ietver tikai koncentrētu šķīdumu mijiedarbību ar metāliem. Tātad ir noteikta shēma, kas atspoguļo visu šādu reakciju principu:

1. Ja metāls ir aktīvs, rezultātā veidojas sērūdeņradis, sāls un ūdens. Tas ir, sērs tiek samazināts līdz -2.
2. Ja metālam ir vidēja aktivitāte, tad rezultāts ir sērs, sāls un ūdens. Tas ir, sulfāta jonu reducēšana par brīvu sēru.
3. Metāli ar zemu reaģētspēju (pēc ūdeņraža) - sēra dioksīds, sāls un ūdens. Sērs oksidācijas stāvoklī +4.

Sulfātskābes īpašās īpašības ir arī spēja oksidēt dažus nemetālus līdz augstākajam oksidācijas līmenim un reaģēt ar sarežģītiem savienojumiem un oksidēt tos līdz vienkāršām vielām.

Iegūšanas metodes nozarē

Sulfātu process sērskābes iegūšanai sastāv no diviem galvenajiem veidiem:

• kontaktēties;
• tornis.

Abi ir visizplatītākie veidirūpniecība visās pasaules valstīs. Pirmā iespēja ir balstīta uz dzelzs pirīta vai sēra pirīta izmantošanu kā izejvielu - FeS_{2. Kopumā ir trīs posmi:}

1. Izejvielu apdedzināšana, veidojot sēra dioksīdu kā sadegšanas produktu.
2. Šīs gāzes izvadīšana caur skābekli virs vanādija katalizatora, veidojot sēra anhidrīdu - SO_3.
3. Absorbcijas tornī anhidrīds tiek izšķīdināts sulfātskābes šķīdumā, veidojot augstas koncentrācijas šķīdumu - oleumu. Ļoti smags eļļains biezs šķidrums.

Otrais variants ir praktiski tāds pats, bet kā katalizators tiek izmantoti slāpekļa oksīdi. No tādiem parametriem kā produkta kvalitāte, pašizmaksa un enerģijas patēriņš, izejvielu tīrība, produktivitāte, pirmā metode ir efektīvāka un pieņemamāka, tāpēc to izmanto biežāk.

Laboratorijas sintēze

Ja sērskābi nepieciešams iegūt nelielos daudzumos laboratorijas pētījumiem, tad vislabāk piemērota ir sērūdeņraža mijiedarbības metode ar zemu aktīvo metālu sulfātiem.

Šajos gadījumos veidojas melno metālu sulfīdi, un kā blakusprodukts veidojas sērskābe. Nelieliem pētījumiem šī iespēja ir piemērota, taču šāda skābe neatšķirsies pēc tīrības.

Arī laboratorijā var veikt kvalitatīvu reakciju uz sulfātu šķīdumiem. Visizplatītākais reaģents ir bārija hlorīds, jo Ba²⁺ jons kopā arsulfāta anjons izgulsnējas b altās nogulsnēs - barīta piens: H₂SO₄ + BaCL₂=2HCL + BaSO_4↓

Visizplatītākie sāļi

Sulfātskābe un tās veidotie sulfāti ir svarīgi savienojumi daudzās nozarēs un mājsaimniecībās, tostarp pārtikā. Visizplatītākie sērskābes sāļi ir:

1. Ģipsis (alabastrs, selenīts). Ķīmiskais nosaukums ir ūdens kalcija sulfāta kristāliskais hidrāts. Formula: CaSO_{4. Izmanto celtniecībā, medicīnā, celulozes un papīra ražošanā, juvelierizstrādājumu ražošanā.}
2. Barīts (smagā špaga). bārija sulfāts. Šķīdumā tās ir pienainas nogulsnes. Cietā veidā - caurspīdīgi kristāli. Izmanto optiskajos instrumentos, rentgenstaros, izolācijas pārklājumos.
3. Mirabilite (Glaubera sāls). Ķīmiskais nosaukums ir nātrija sulfāta dekahidrāts. Formula: Na₂SO₄10H_{2O. Medicīnā lieto kā caurejas līdzekli.}

Ir daudzi sāļu piemēri, kuriem ir praktiska nozīme. Tomēr iepriekš minētie ir visizplatītākie.

Sulfātu sārms

Šī viela ir šķīdums, kas veidojas koksnes, tas ir, celulozes, termiskās apstrādes rezultātā. Šī savienojuma galvenais mērķis ir iegūt sulfāta ziepes uz tā bāzes, nostādot. Sulfātu šķidruma ķīmiskais sastāvs ir šāds:

• lignīns;
• hidroksiskābes;
• monosaharīdi;
• fenoli;
• sveķi;
• gaistošās un taukskābes;
• nātrija sulfīdi, hlorīdi, karbonāti un sulfāti.

Ir divi galvenie šīs vielas veidi: b altais un melnais sulfāta šķidrums. B altais tiek izmantots celulozes un papīra rūpniecībā, savukārt melnais šajā nozarē tiek izmantots sulfāta ziepju pagatavošanai.

Galvenās lietojumprogrammas

Sērskābes gada produkcija ir 160 miljoni tonnu gadā. Tas ir ļoti nozīmīgs skaitlis, kas norāda uz šī savienojuma nozīmi un izplatību. Ir vairākas nozares un vietas, kur nepieciešama sulfātskābes izmantošana:

1. Akumulatoros kā elektrolītu, īpaši svina akumulatoros.
2. Ražotnēs, kur ražo sulfātu mēslojumu. Lielākā daļa šīs skābes tiek īpaši izmantota minerālmēslu ražošanai augiem. Tāpēc rūpnīcas sērskābes ražošanai un mēslošanas līdzekļu ražošanai visbiežāk tiek būvētas blakus.
3. Pārtikas rūpniecībā kā emulgators, norādīts ar kodu E513.
4. Daudzās organiskās sintēzēs kā atūdeņošanas līdzeklis, katalizators. Tādā veidā tiek iegūtas sprāgstvielas, sveķi, tīrīšanas un mazgāšanas līdzekļi, neilons, polipropilēns un etilēns, krāsvielas, ķīmiskās šķiedras, esteri un citi savienojumi.
5. Izmanto filtros ūdens attīrīšanai un destilēta ūdens pagatavošanai.
6. Izmanto retu elementu ieguvei un apstrādei no rūdas.

Arī daudz zamšādasskābe nonāk laboratorijas pētījumos, kur to iegūst ar vietējām metodēm.