Как найти h2so4 в химии

 Серная кислота

Строение молекулы и физические свойства

Серная кислота H₂SO₄ – это сильная кислота, двухосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость, хорошо растворимая в воде.

Растворение серной кислоты в воде сопровождается выделением значительного количества кислоты. Поэтому по правилам безопасности в лаборатории при смешивании серной кислоты и воды мы добавляем серную кислоту в воду небольшими порциями при постоянном перемешивании.

Валентность серы в серной кислоте равна VI.

Способы получения

1. Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита FeS₂.

Основные стадии получения серной кислоты :

• Сжигание или обжиг серосодержащего сырья в кислороде с получением сернистого газа.
• Очистка полученного газа от примесей.
• Окисление сернистого газа в серный ангидрид.
• Взаимодействие серного ангидрида с водой.

Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):

Аппарат	Назначение и уравнения реакций
Печь для обжига	4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащенный кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800оС
Циклон	Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз.
Электрофильтр	Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра).
Сушильная башня	Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота.
Теплообменник	Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата.
Контактный аппарат	2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3):  температура: оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным выходом SO3 является температура 400-500оС. Для того чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор – оксид ванадия (V) V2O5.  давление: прямая реакция протекает с уменьшением объемов газов. Для смещения равновесия вправо процесс проводят при повышенном давлении. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.
Поглотительная башня	Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне. Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3. nSO3 + H2SO4  →  H2SO4·nSO3 Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Общие научные принципы химического производства:

1. Непрерывность.
2. Противоток
3. Катализ
4. Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ.
5. Теплообмен
6. Рациональное использование сырья

Химические свойства

Серная кислота – это сильная двухосновная кислота.

1. Серная кислота практически полностью диссоциирует в разбавленном в растворе по первой ступени:

H₂SO₄  ⇄  H⁺ + HSO₄^–

По второй ступени серная кислота диссоциирует частично, ведет себя, как кислота средней силы:

HSO₄^–  ⇄  H⁺ + SO₄^2–

2. Серная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами. 

Например, серная кислота взаимодействует с оксидом магния:

H₂SO₄    +   MgO   →   MgSO₄   +   H₂O

Еще пример: при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом калия образуются сульфаты или гидросульфаты:

H₂SO₄    +   КОН     →     KHSО₄  +   H₂O

H₂SO₄    +   2КОН      →     К₂SО₄  +   2H₂O

Серная кислота взаимодействует с амфотерным гидроксидом алюминия:

3H₂SO₄     +    2Al(OH)₃    →   Al₂(SO₄)₃    +   6H₂O

3. Серная кислота вытесняет более слабые из солей в растворе (карбонаты, сульфиды и др.).  Также серная кислота вытесняет летучие кислоты из их солей (кроме солей HBr и HI).

Например, серная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:

Н₂SO₄   +   2NaHCO₃   →   Na₂SO₄   +   CO₂   +  H₂O

Или с силикатом натрия:

H₂SO₄    +   Na₂SiO₃    →  Na₂SO₄  +   H₂SiO₃

Концентрированная серная кислота реагирует с твердым нитратом натрия. При этом менее летучая серная кислота вытесняет азотную кислоту:

NaNO_{3 (тв.)}   +   H₂SO₄   →   NaHSO₄   +   HNO₃

Аналогично – концентрированная серная кислота вытесняет хлороводород из твердых хлоридов, например, хлорида натрия:

NaCl_(тв.)   +   H₂SO₄   →   NaHSO₄   +   HCl

4. Также серная кислота вступает в обменные реакции с солями.

Например, серная кислота взаимодействует с хлоридом бария:

H₂SO₄  + BaCl₂  →  BaSO₄   +   2HCl

5. Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например, серная кислота реагирует с железом. При этом образуется сульфат железа (II):

H₂SO_4(разб.)    +   Fe   →  FeSO₄   +   H₂

Серная кислота взаимодействует с аммиаком с образованием солей аммония:

H₂SO₄   +   NH₃    →    NH₄HSO₄

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. При этом она обычно восстанавливается до сернистого газа SO₂. С активными металлами может восстанавливаться до серы  S, или сероводорода Н₂S.

Железо Fe, алюминий  Al, хром Cr пассивируются концентрированной серной кислотой на холоде. При нагревании реакция возможна.

6H₂SO_4(конц.)    +   2Fe   →   Fe₂(SO₄)₃   +   3SO₂   +  6H₂O

6H₂SO_4(конц.)    +   2Al   →   Al₂(SO₄)₃   +   3SO₂   +  6H₂O

При взаимодействии с неактивными металлами концентрированная серная кислота восстанавливается до сернистого газа:

2H₂SO_4(конц.)   +   Cu     →  CuSO₄   +   SO₂ ↑ +   2H₂O

2H₂SO_4(конц.)   +   Hg     →  HgSO₄   +   SO₂ ↑ +   2H₂O

2H₂SO_4(конц.)   +   2Ag     →  Ag₂SO₄   +   SO₂↑+   2H₂O

При взаимодействии с щелочноземельными металлами и магнием концентрированная серная кислота восстанавливается до серы:

3Mg   +   4H₂SO₄   →   3MgSO₄   +   S   +  4H₂O

При взаимодействии с щелочными металлами и цинком  концентрированная серная кислота восстанавливается до сероводорода:

5H₂SO_4(конц.)   +  4Zn     →    4ZnSO₄   +   H₂S↑   +   4H₂O

6. Качественная реакция на сульфат-ионы – взаимодействие с растворимыми солями бария. При этом образуется белый кристаллический осадок сульфата бария:

BaCl₂ + Na₂SO₄   →   BaSO₄↓  + 2NaCl

Видеоопыт взаимодействия хлорида бария и сульфата натрия в растворе  (качественная реакция на сульфат-ион) можно посмотреть здесь.

7. Окислительные свойства концентрированной серной кислоты проявляются и при взаимодействии с неметаллами.

Например, концентрированная серная кислота окисляет фосфор, углерод, серу. При этом серная кислота восстанавливается до оксида серы (IV):

5H₂SO_4(конц.)   +    2P   →   2H₃PO₄   +   5SO₂↑  +   2H₂O

2H₂SO_4(конц.)   +    С   →   СО₂↑   +   2SO₂↑  +   2H₂O

2H₂SO_4(конц.)   +    S   →   3SO₂ ↑  +   2H₂O

Уже при комнатной температуре концентрированная серная кислота окисляет галогеноводороды и сероводород:

3H₂SO_4(конц.)   +   2KBr   →  Br₂↓   +  SO₂↑   +   2KHSO₄    +  2H₂O

5H₂SO_4(конц.)   +   8KI     →  4I₂↓    +   H₂S↑   +   K₂SO₄   +  4H₂O

H₂SO_4(конц.)   +   3H₂S →  4S↓  +  4H₂O

Повторите темы уроков 9 класса:

• Оксид серы (VI). Серная кислота и её соли

• Окислительные свойства концентрированной серной кислоты

Оксид серы (VI)

Оксид серы (VI) – это кислотный оксид. При обычных условиях – бесцветная ядовитая жидкость, «дымит» на воздухе, поглощая пары воды.

Способы получения

Оксид серы (VI) получают в реакциях окисления:

2SO₂ + O₂ ←^{P; T; V}₂^O₅→ 2SO₃ + Q

SO₂ + O₃ = SO₃ + O₂

SO₂ + NO₂ = SO₃ + NO

Химические свойства оксида серы (VI)

1. Оксид серы (VI) активно поглощает влагу и реагирует с водой с образованием серной кислоты:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

2. Серный ангидрид – типичным кислотный оксид, взаимодействует с щелочами и основными оксидами.

SO₃ + 2NaOH_{(избыток)} = Na₂SO₄ + H₂O

SO₃ + NaOH_{(избыток)} = NaHSO₄

SO₃ + MgO =^t= MgSO₄

3. Серный ангидрид – очень сильный окислитель:

SO₃ + 2HBr = Br₂ + SO₂ + H₂O

SO₃ + 2KI = I₂ + K₂SO₃

3SO₃ + H₂S = 4SO₂ + H₂O

5SO₃ + 2P = P₂O₅ + 5SO₂

4. Растворяется в концентрированной серной кислоте, образуя олеум – раствор SO₃ в H₂SO₄

nSO₃ + H₂SO₄ = H₂SO₄·nSO₃

РЕАКЦИИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Химические свойства разбавленной серной кислоты

H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота, водный раствор изменяет окраску индикаторов (лакмус и универсальный индикатор краснеют)

1) Диссоциация протекает ступенчато:

H₂SO₄→ H⁺ + HSO₄^—

(первая ступень, образуется гидросульфат – ион)

HSO₄^— → H⁺ + SO₄^2-

(вторая ступень, образуется сульфат – ион)

H₂SO₄ образует два ряда солей — средние (сульфаты) и кислые (гидросульфаты)

2) Взаимодействие с металлами:

Разбавленная серная кислота растворяет только металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода:

Zn⁰ + H₂⁺¹SO₄(разб) → Zn⁺²SO₄ + H₂⁰↑

Zn⁰ + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂⁰↑

3) Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами:

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

CuO + 2H⁺ → Cu²⁺ + H₂O

4) Взаимодействие с основаниями:

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

(реакция нейтрализации)

H⁺ + OH^— → H₂O

Если кислота в избытке, то образуется кислая соль:

H₂SO₄ + NaOH → NaНSO₄ + H₂O

H₂SO₄ + Cu(OH)₂ → CuSO₄ + 2H₂O

2H⁺ + Cu(OH)₂ → Cu²⁺ + 2H₂O

5) Обменные реакции с солями:

Серная кислота – сильная нелетучая кислота, вытесняет из солей другие менее сильные кислоты:

MgCO₃ + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂O + CO₂↑

MgCO₃ + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂O + CO₂­↑

Н₂SO₄ + 2NaHCO₃ = Na₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O

H₂SO₄ + Na₂SiO₃ = Na₂SO₄ + H₂SiO₃↓

NaCl _(тв.) + H₂SO_{4 (конц.)} = NaHSO₄ + HCl↑

NaNO_{3 (тв.)} + H₂SO_{4 (конц.)} = NaHSO₄ + HNO₃↑

Качественная реакция на сульфат-ион

BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2HCl

Ba²⁺ + SO₄^2- → BaSO₄↓

Образование белого осадка BaSO₄ (нерастворимого в кислотах) используется для идентификации серной кислоты и растворимых сульфатов.

Видео «Качественная реакция на сульфит- и сульфат-ионы»

6) Реагирует с аммиаком

H₂SO₄ + NH₃ = NH₄HSO₄

Химические свойства концентрированной серной кислоты

1. С водой образуются гидраты:

H₂SO₄ + nH₂O = H₂SO₄·nH₂O + Q

Органические вещества обугливаются!

Например, сахароза:

2H₂SO₄ + C = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

«Oil of vitriol» redirects here. For sweet oil of vitriol, see Diethyl ether.

«Sulphuric acid» redirects here. For the novel by Amélie Nothomb, see Sulphuric Acid (novel).

Sulfuric acid

Space-filling model Ball-and-stick model length = 142.2 pm, S-O bond length = 157.4 pm, O-H bond length = 97 pm
Names
IUPAC name Sulfuric acid
Other names Oil of vitriol Hydrogen sulfate
Identifiers
CAS Number	7664-93-9
3D model (JSmol)	Interactive image
ChEBI	CHEBI:26836
ChEMBL	ChEMBL572964
ChemSpider	1086
ECHA InfoCard	100.028.763
EC Number	231-639-5
E number	E513 (acidity regulators, …)
Gmelin Reference	2122
KEGG	D05963
PubChem CID	1118
RTECS number	WS5600000
UNII	O40UQP6WCF
UN number	1830
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID5029683
InChI InChI=1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)  Key: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N  InChI=1/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4) Key: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYAC
SMILES OS(=O)(=O)O
Properties
Chemical formula	H2SO4
Molar mass	98.079 g/mol
Appearance	Colourless viscous liquid
Odor	Odorless
Density	1.8302 g/cm3, liquid[1]
Melting point	10.31[1] °C (50.56 °F; 283.46 K)
Boiling point	337[1] °C (639 °F; 610 K) When sulfuric acid is above 300 °C (572 °F; 573 K), it gradually decomposes to SO3 + H2O
Solubility in water	miscible, exothermic
Vapor pressure	0.001 mmHg (20 °C)[2]
Acidity (pKa)	pKa1 = −2.8 pKa2 = 1.99
Conjugate base	Bisulfate
Viscosity	26.7 cP (20 °C)
Structure[3]
Crystal structure	monoclinic
Space group	C2/c
Lattice constant	a = 818.1(2) pm, b = 469.60(10) pm, c = 856.3(2) pm α = 90°, β = 111.39(3) pm°, γ = 90°
Formula units (Z)	4
Thermochemistry
Std molar entropy (S⦵298)	157 J/(mol·K)[4]
Std enthalpy of formation (ΔfH⦵298)	−814 kJ/mol[4]
Hazards
GHS labelling:
Pictograms
Signal word	Danger
Hazard statements	H314
Precautionary statements	P260, P264, P280, P301+P330+P331, P303+P361+P353, P304+P340, P305+P351+P338, P310, P321, P363, P405, P501
NFPA 704 (fire diamond)	3 0 2 W OX
Flash point	Non-flammable
Threshold limit value (TLV)	15 mg/m3 (IDLH), 1 mg/m3 (TWA), 2 mg/m3 (STEL)
Lethal dose or concentration (LD, LC):
LD50 (median dose)	2140 mg/kg (rat, oral)[5]
LC50 (median concentration)	50 mg/m3 (guinea pig, 8 hr) 510 mg/m3 (rat, 2 hr) 320 mg/m3 (mouse, 2 hr) 18 mg/m3 (guinea pig) [5]
LCLo (lowest published)	87 mg/m3 (guinea pig, 2.75 hr)[5]
NIOSH (US health exposure limits):
PEL (Permissible)	TWA 1 mg/m3[2]
REL (Recommended)	TWA 1 mg/m3[2]
IDLH (Immediate danger)	15 mg/m3[2]
Safety data sheet (SDS)	External MSDS
Related compounds
Related strong acids	Selenic acid Hydrochloric acid Nitric acid Chromic acid
Related compounds	Sulfurous acid Peroxymonosulfuric acid Sulfur trioxide Oleum
Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa).  verify (what is  ?) Infobox references

Sulfuric acid (American spelling and the preferred IUPAC name) or sulphuric acid (Commonwealth spelling), known in antiquity as oil of vitriol, is a mineral acid composed of the elements sulfur, oxygen, and hydrogen, with the molecular formula H₂SO₄. It is a colorless, odorless, and viscous liquid that is miscible with water.^[6]

Pure sulfuric acid does not occur naturally due to its strong affinity to water vapor; it is hygroscopic and readily absorbs water vapor from the air.^[6] Concentrated sulfuric acid is highly corrosive towards other materials, from rocks to metals, since it is an oxidant with powerful dehydrating properties. Phosphorus pentoxide is a notable exception in that it is not dehydrated by sulfuric acid but, to the contrary, dehydrates sulfuric acid to sulfur trioxide. Upon addition of sulfuric acid to water, a considerable amount of heat is released; thus, the reverse procedure of adding water to the acid should not be performed since the heat released may boil the solution, spraying droplets of hot acid during the process. Upon contact with body tissue, sulfuric acid can cause severe acidic chemical burns and even secondary thermal burns due to dehydration.^[7][8] Dilute sulfuric acid is substantially less hazardous without the oxidative and dehydrating properties; however, it should still be handled with care for its acidity.

Sulfuric acid is a very important commodity chemical; a country’s sulfuric acid production is a good indicator of its industrial strength.^{[9][non-primary source needed]} It is widely produced with different methods, such as contact process, wet sulfuric acid process, lead chamber process, and some other methods.^[which?][10] Sulfuric acid is also a key substance in the chemical industry. It is most commonly used in fertilizer manufacture^[11] but is also important in mineral processing, oil refining, wastewater processing, and chemical synthesis. It has a wide range of end applications, including in domestic acidic drain cleaners,^[12] as an electrolyte in lead-acid batteries, in dehydrating a compound, and in various cleaning agents.
Sulfuric acid can be obtained by dissolving sulfur trioxide in water.

Physical properties[edit]

Grades of sulfuric acid[edit]

Although nearly 100% sulfuric acid solutions can be made, the subsequent loss of SO₃ at the boiling point brings the concentration to 98.3% acid. The 98.3% grade is more stable in storage, and is the usual form of what is described as «concentrated sulfuric acid». Other concentrations are used for different purposes. Some common concentrations are:^[13][14]

Mass fraction H2SO4	Density (kg/L)	Concentration (mol/L)	Common name
<29%	1.00-1.25	<4.2	diluted sulfuric acid
29–32%	1.25–1.28	4.2–5.0	battery acid (used in lead–acid batteries)
62–70%	1.52–1.60	9.6–11.5	chamber acid fertilizer acid
78–80%	1.70–1.73	13.5–14.0	tower acid Glover acid
93.2%	1.83	17.4	66 °Bé («66-degree Baumé») acid
98.3%	1.84	18.4	concentrated sulfuric acid

«Chamber acid» and «tower acid» were the two concentrations of sulfuric acid produced by the lead chamber process, chamber acid being the acid produced in the lead chamber itself (<70% to avoid contamination with nitrosylsulfuric acid) and tower acid being the acid recovered from the bottom of the Glover tower.^[13][14] They are now obsolete as commercial concentrations of sulfuric acid, although they may be prepared in the laboratory from concentrated sulfuric acid if needed. In particular, «10 M» sulfuric acid (the modern equivalent of chamber acid, used in many titrations), is prepared by slowly adding 98% sulfuric acid to an equal volume of water, with good stirring: the temperature of the mixture can rise to 80 °C (176 °F) or higher.^[14]

Pure sulfuric acid[edit]

Pure sulfuric acid contains not only H₂SO₄ molecules, but is actually an equilibrium of many other chemical species, as it is shown in the table below.

Equilibrium of pure sulfuric acid^[15]

Species	mMol/kg
HSO−4	15.0
H3SO+4	11.3
H3O+	8.0
HS2O−7	4.4
H2S2O7	3.6
H2O	0.1

Pure sulfuric acid is a colorless oily liquid, and has a vapor pressure of <0.001 mmHg at 25 °C and 1 mmHg at 145.8 °C,^[16] and 98% sulfuric acid has a vapor pressure of <1 mmHg at 40 °C.^[17]

In the solid state, sulfuric acid is a molecular solid that forms monoclinic crystals with nearly trigonal lattice parameters. The structure consists of layers parallel to the (010) plane, in which each molecule is connected by hydrogen bonds to two others.^[3] Hydrates H₂SO₄·nH₂O are known for n = 1, 2, 3, 4, 6.5, and 8, although most intermediate hydrates are stable against disproportionation.^[18]

Polarity and conductivity[edit]

Anhydrous H₂SO₄ is a very polar liquid, having a dielectric constant of around 100. It has a high electrical conductivity, caused by dissociation through protonating itself, a process known as autoprotolysis.^[15]

The equilibrium constant for autoprotolysis is^[15]

The comparable equilibrium constant for water, K_w is 10⁻¹⁴, a factor of 10¹⁰ (10 billion) smaller.

In spite of the viscosity of the acid, the effective conductivities of the H₃SO+4 and HSO−4 ions are high due to an intramolecular proton-switch mechanism (analogous to the Grotthuss mechanism in water), making sulfuric acid a good conductor of electricity. It is also an excellent solvent for many reactions.

Chemical properties[edit]

Reaction with water and dehydrating property[edit]

Because the hydration reaction of sulfuric acid is highly exothermic, dilution should be performed by adding the acid to the water rather than the water to the acid, to avoid acid splashing.^[19] Because the reaction favors the rapid protonation of water, addition of acid to the water ensures that the acid is the limiting reagent. This reaction may be thought of as the formation of hydronium ions:

^[20]

HSO−4 is the bisulfate anion and SO2−4 is the sulfate anion. K_a1 and K_a2 are the acid dissociation constants.

Concentrated sulfuric acid has a powerful dehydrating property, removing water (H₂O) from other chemical compounds such as table sugar (sucrose) and other carbohydrates, to produce carbon, steam, and heat. Dehydration of table sugar (sucrose) is a common laboratory demonstration.^[21] The sugar darkens as carbon is formed, and a rigid column of black, porous carbon called a carbon snake may emerge^[22] as shown in the figure.

Similarly, mixing starch into concentrated sulfuric acid gives elemental carbon and water that is absorbed by the sulfuric acid, slightly diluting it. The effect of this can be seen when concentrated sulfuric acid is spilled on paper, which is composed of cellulose; the cellulose reacts to give a burnt appearance in which the carbon appears much like soot that results from fire.
Although less dramatic, the action of the acid on cotton, even in diluted form, destroys the fabric.

The reaction with copper(II) sulfate can also demonstrate the dehydration property of sulfuric acid. The blue crystals change into white powder as water is removed:

Acid-base properties[edit]

As an acid, sulfuric acid reacts with most bases to give the corresponding sulfate. For example, the blue copper salt copper(II) sulfate, commonly used for electroplating and as a fungicide, is prepared by the reaction of copper(II) oxide with sulfuric acid:

CuO_(s) + H₂SO_4(aq) → CuSO_4(aq) + H₂O_(l)

Sulfuric acid can also be used to displace weaker acids from their salts. Reaction with sodium acetate, for example, displaces acetic acid, CH₃COOH, and forms sodium bisulfate:

H₂SO₄ + CH₃COONa → NaHSO₄ + CH₃COOH

Similarly, reacting sulfuric acid with potassium nitrate can be used to produce nitric acid and a precipitate of potassium bisulfate. When combined with nitric acid, sulfuric acid acts both as an acid and a dehydrating agent, forming the nitronium ion NO+2, which is important in nitration reactions involving electrophilic aromatic substitution. This type of reaction, where protonation occurs on an oxygen atom, is important in many organic chemistry reactions, such as Fischer esterification and dehydration of alcohols.

When allowed to react with superacids, sulfuric acid can act as a base and can be protonated, forming the [H₃SO₄]⁺ ion. Salts of [H₃SO₄]⁺ have been prepared (e.g. trihydroxyoxosulfonium hexafluoroantimonate(V) [H₃SO₄]⁺[SbF₆]⁻) using the following reaction in liquid HF:

[(CH₃)₃SiO]₂SO₂ + 3 HF + SbF₅ → [H₃SO₄]⁺[SbF₆]⁻ + 2 (CH₃)₃SiF

The above reaction is thermodynamically favored due to the high bond enthalpy of the Si–F bond in the side product. Protonation using simply fluoroantimonic acid, however, has met with failure, as pure sulfuric acid undergoes self-ionization to give [H₃O]⁺ ions:

2 H₂SO₄ ⇌ [H₃O]⁺ + [HS₂O₇]⁻

which prevents the conversion of H₂SO₄ to [H₃SO₄]⁺ by the HF/SbF₅ system.^[23]

Reactions with metals[edit]

Even dilute sulfuric acid reacts with many metals via a single displacement reaction, like other typical acids, producing hydrogen gas and salts (the metal sulfate). It attacks reactive metals (metals at positions above copper in the reactivity series) such as iron, aluminium, zinc, manganese, magnesium, and nickel.

Fe + H₂SO₄ → H₂ + FeSO₄

Concentrated sulfuric acid can serve as an oxidizing agent, releasing sulfur dioxide:^[7]

Cu + 2 H₂SO₄ → SO₂ + 2 H₂O + SO2−4 + Cu²⁺

Lead and tungsten, however, are resistant to sulfuric acid.

Reactions with carbon and sulfur[edit]

Hot concentrated sulfuric acid oxidizes carbon^[24] (as bituminous coal) and sulfur:

C + 2 H₂SO₄ → CO₂ + 2 SO₂ + 2 H₂O

S + 2 H₂SO₄ → 3 SO₂ + 2 H₂O

Reaction with sodium chloride[edit]

It reacts with sodium chloride, and gives hydrogen chloride gas and sodium bisulfate:

NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl

Electrophilic aromatic substitution[edit]

Benzene undergoes electrophilic aromatic substitution with sulfuric acid to give the corresponding sulfonic acids:^[25]

Occurrence[edit]

Pure sulfuric acid is not encountered naturally on Earth in anhydrous form, due to its great affinity for water. Dilute sulfuric acid is a constituent of acid rain, which is formed by atmospheric oxidation of sulfur dioxide in the presence of water – i.e. oxidation of sulfurous acid. When sulfur-containing fuels such as coal or oil are burned, sulfur dioxide is the main byproduct (besides the chief products carbon oxides and water).

Sulfuric acid is formed naturally by the oxidation of sulfide minerals, such as iron sulfide. The resulting water can be highly acidic and is called acid mine drainage (AMD) or acid rock drainage (ARD). This acidic water is capable of dissolving metals present in sulfide ores, which results in brightly colored, toxic solutions. The oxidation of pyrite (iron sulfide) by molecular oxygen produces iron(II), or Fe²⁺:

2 FeS₂(s) + 7 O₂ + 2 H₂O → 2 Fe²⁺ + 4 SO2−4 + 4 H⁺

The Fe²⁺ can be further oxidized to Fe³⁺:

4 Fe²⁺ + O₂ + 4 H⁺ → 4 Fe³⁺ + 2 H₂O

The Fe³⁺ produced can be precipitated as the hydroxide or hydrous iron oxide:

Fe³⁺ + 3 H₂O → Fe(OH)₃↓ + 3 H⁺

The iron(III) ion («ferric iron») can also oxidize pyrite:

FeS₂(s) + 14 Fe³⁺ + 8 H₂O → 15 Fe²⁺ + 2 SO2−4 + 16 H⁺

When iron(III) oxidation of pyrite occurs, the process can become rapid. pH values below zero have been measured in ARD produced by this process.

ARD can also produce sulfuric acid at a slower rate, so that the acid neutralizing capacity (ANC) of the aquifer can neutralize the produced acid. In such cases, the total dissolved solids (TDS) concentration of the water can be increased from the dissolution of minerals from the acid-neutralization reaction with the minerals.

Sulfuric acid is used as a defense by certain marine species, for example, the phaeophyte alga Desmarestia munda (order Desmarestiales) concentrates sulfuric acid in cell vacuoles.^[26]

Stratospheric aerosol[edit]

In the stratosphere, the atmosphere’s second layer that is generally between 10 and 50 km above Earth’s surface, sulfuric acid is formed by the oxidation of volcanic sulfur dioxide by the hydroxyl radical:^[27]

SO₂ + HO^• → HSO₃

HSO₃ + O₂ → SO₃ + HO₂

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Because sulfuric acid reaches supersaturation in the stratosphere, it can nucleate aerosol particles and provide a surface for aerosol growth via condensation and coagulation with other water-sulfuric acid aerosols. This results in the stratospheric aerosol layer.^[27]

[edit]

The permanent Venusian clouds produce a concentrated acid rain, as the clouds in the atmosphere of Earth produce water rain.^[28] Jupiter’s moon Europa is also thought to have an atmosphere containing sulfuric acid hydrates.^[29]

Manufacturing[edit]

Sulfuric acid is produced from sulfur, oxygen and water via the conventional contact process (DCDA) or the wet sulfuric acid process (WSA).

Contact process[edit]

In the first step, sulfur is burned to produce sulfur dioxide.

S(s) + O₂ → SO₂

The sulfur dioxide is oxidized to sulfur trioxide by oxygen in the presence of a vanadium(V) oxide catalyst. This reaction is reversible and the formation of the sulfur trioxide is exothermic.

2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃

The sulfur trioxide is absorbed into 97–98% H₂SO₄ to form oleum (H₂S₂O₇), also known as fuming sulfuric acid or pyrosulphuric acid. The oleum is then diluted with water to form concentrated sulfuric acid.

H₂SO₄ + SO₃ → H₂S₂O₇

H₂S₂O₇ + H₂O → 2 H₂SO₄

Directly dissolving SO₃ in water, called the «wet sulfuric acid process», is rarely practiced because the reaction is extremely exothermic, resulting in a hot aerosol of sulfuric acid that requires condensation and separation.

Wet sulfuric acid process[edit]

In the first step, sulfur is burned to produce sulfur dioxide:

S + O₂ → SO₂ (−297 kJ/mol)

or, alternatively, hydrogen sulfide (H₂S) gas is incinerated to SO₂ gas:

2 H₂S + 3 O₂ → 2 H₂O + 2 SO₂ (−1036 kJ/mol)

The sulfur dioxide then oxidized to sulfur trioxide using oxygen with vanadium(V) oxide as catalyst.

2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃ (−198 kJ/mol) (reaction is reversible)

The sulfur trioxide is hydrated into sulfuric acid H₂SO₄:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄(g) (−101 kJ/mol)

The last step is the condensation of the sulfuric acid to liquid 97–98% H₂SO₄:

H₂SO₄(g) → H₂SO₄(l) (−69 kJ/mol)

Other methods[edit]

A method that is the less well-known is the metabisulfite method, in which metabisulfite is placed at the bottom of a beaker and 12.6 molar concentration hydrochloric acid is added. The resulting gas is bubbled through nitric acid, which will release brown/red vapors of nitrogen dioxide as the reaction proceeds. The completion of the reaction is indicated by the ceasing of the fumes. This method does not produce an inseparable mist, which is quite convenient.

3 SO₂ + 2 HNO₃ + 2 H₂O → 3 H₂SO₄ + 2 NO

Burning sulfur together with saltpeter (potassium nitrate, KNO₃), in the presence of steam, has been used historically. As saltpeter decomposes, it oxidizes the sulfur to SO₃, which combines with water to produce sulfuric acid.

Alternatively, dissolving sulfur dioxide in an aqueous solution of an oxidizing metal salt such as copper(II) or iron(III) chloride:

2 FeCl₃ + 2 H₂O + SO₂ → 2 FeCl₂ + H₂SO₄ + 2 HCl

2 CuCl₂ + 2 H₂O + SO₂ → 2 CuCl + H₂SO₄ + 2 HCl

Two less well-known laboratory methods of producing sulfuric acid, albeit in dilute form and requiring some extra effort in purification. A solution of copper(II) sulfate can be electrolyzed with a copper cathode and platinum/graphite anode to give spongy copper at cathode and evolution of oxygen gas at the anode, the solution of dilute sulfuric acid indicates completion of the reaction when it turns from blue to clear (production of hydrogen at cathode is another sign):

2 CuSO₄ + 2 H₂O → 2 Cu + 2 H₂SO₄ + O₂

More costly, dangerous, and troublesome yet novel is the electrobromine method, which employs a mixture of sulfur, water, and hydrobromic acid as the electrolytic solution. The sulfur is pushed to bottom of container under the acid solution. Then the copper cathode and platinum/graphite anode are used with the cathode near the surface and the anode is positioned at the bottom of the electrolyte to apply the current. This may take longer and emits toxic bromine/sulfur bromide vapors, but the reactant acid is recyclable. Overall, only the sulfur and water are converted to sulfuric acid and hydrogen (omitting losses of acid as vapors):

2 HBr → H₂ + Br₂ (electrolysis of aqueous hydrogen bromide)

Br₂ + Br⁻ ↔ Br−3 (initial tribromide production, eventually reverses as Br⁻ depletes)

2 S + Br₂ → S₂Br₂ (bromine reacts with sulfur to form disulfur dibromide)

S₂Br₂ + 8 H₂O + 5 Br₂ → 2 H₂SO₄ + 12 HBr (oxidation and hydration of disulfur dibromide)

Prior to 1900, most sulfuric acid was manufactured by the lead chamber process.^[30] As late as 1940, up to 50% of sulfuric acid manufactured in the United States was produced by chamber process plants.

In the early to mid 19th century «vitriol» plants existed, among other places, in Prestonpans in Scotland, Shropshire and the Lagan Valley in County Antrim Ireland, where it was used as a bleach for linen. Early bleaching of linen was done using lactic acid from sour milk but this was a slow process and the use of vitriol sped up the bleaching process.^[31]

Uses[edit]

Sulfuric acid is a very important commodity chemical, and indeed, a nation’s sulfuric acid production is a good indicator of its industrial strength.^[9] World production in the year 2004 was about 180 million tonnes, with the following geographic distribution: Asia 35%, North America (including Mexico) 24%, Africa 11%, Western Europe 10%, Eastern Europe and Russia 10%, Australia and Oceania 7%, South America 7%.^[32] Most of this amount (≈60%) is consumed for fertilizers, particularly superphosphates, ammonium phosphate and ammonium sulfates. About 20% is used in chemical industry for production of detergents, synthetic resins, dyestuffs, pharmaceuticals, petroleum catalysts, insecticides and antifreeze, as well as in various processes such as oil well acidicizing, aluminium reduction, paper sizing, and water treatment. About 6% of uses are related to pigments and include paints, enamels, printing inks, coated fabrics and paper, while the rest is dispersed into a multitude of applications such as production of explosives, cellophane, acetate and viscose textiles, lubricants, non-ferrous metals, and batteries.^[33]

Industrial production of chemicals[edit]

The major use for sulfuric acid is in the «wet method» for the production of phosphoric acid, used for manufacture of phosphate fertilizers. In this method, phosphate rock is used, and more than 100 million tonnes are processed annually. This raw material is shown below as fluorapatite, though the exact composition may vary. This is treated with 93% sulfuric acid to produce calcium sulfate, hydrogen fluoride (HF) and phosphoric acid. The HF is removed as hydrofluoric acid. The overall process can be represented as:

Ammonium sulfate, an important nitrogen fertilizer, is most commonly produced as a byproduct from coking plants supplying the iron and steel making plants. Reacting the ammonia produced in the thermal decomposition of coal with waste sulfuric acid allows the ammonia to be crystallized out as a salt (often brown because of iron contamination) and sold into the agro-chemicals industry.

Another important use for sulfuric acid is for the manufacture of aluminium sulfate, also known as paper maker’s alum. This can react with small amounts of soap on paper pulp fibers to give gelatinous aluminium carboxylates, which help to coagulate the pulp fibers into a hard paper surface. It is also used for making aluminium hydroxide, which is used at water treatment plants to filter out impurities, as well as to improve the taste of the water. Aluminium sulfate is made by reacting bauxite with sulfuric acid:

2 AlO(OH) + 3 H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 4 H₂O

Sulfuric acid is also important in the manufacture of dyestuffs solutions.

Sulfur–iodine cycle[edit]

The sulfur–iodine cycle is a series of thermo-chemical processes possibly usable to produce hydrogen from water. It consists of three chemical reactions whose net reactant is water and whose net products are hydrogen and oxygen.

2 I2 + 2 SO2 + 4 H2O → 4 HI + 2 H2SO4		(120 °C, Bunsen reaction)
2 H2SO4 → 2 SO2 + 2 H2O + O2		(830 °C)
4 HI → 2 I2 + 2 H2		(320 °C)

The compounds of sulfur and iodine are recovered and reused, hence the consideration of the process as a cycle. This process is endothermic and must occur at high temperatures, so energy in the form of heat has to be supplied.

The sulfur–iodine cycle has been proposed as a way to supply hydrogen for a hydrogen-based economy. It is an alternative to electrolysis, and does not require hydrocarbons like current methods of steam reforming. But note that all of the available energy in the hydrogen so produced is supplied by the heat used to make it.

The sulfur–iodine cycle is currently being researched as a feasible method of obtaining hydrogen, but the concentrated, corrosive acid at high temperatures poses currently insurmountable safety hazards if the process were built on a large scale.^[34][35]

Hybrid sulfur cycle[edit]

The hybrid sulfur cycle (HyS) is a two-step water splitting process intended to be used for hydrogen production. Based on sulfur oxidation and reduction, it is classified as a hybrid thermochemical cycle because it uses an electrochemical (instead of a thermochemical) reaction for one of the two steps. The remaining thermochemical step is shared with the sulfur-iodine cycle.

Industrial cleaning agent[edit]

Sulfuric acid is used in large quantities by the iron and steelmaking industry to remove oxidation, rust, and scaling from rolled sheet and billets prior to sale to the automobile and major appliances industry.^{[citation needed]} Used acid is often recycled using a spent acid regeneration (SAR) plant. These plants combust spent acid^{[clarification needed]} with natural gas, refinery gas, fuel oil or other fuel sources. This combustion process produces gaseous sulfur dioxide (SO₂) and sulfur trioxide (SO₃) which are then used to manufacture «new» sulfuric acid. SAR plants are common additions to metal smelting plants, oil refineries, and other industries where sulfuric acid is consumed in bulk, as operating a SAR plant is much cheaper than the recurring costs of spent acid disposal and new acid purchases.

Hydrogen peroxide (H₂O₂) can be added to sulfuric acid to produce piranha solution, a powerful but very toxic cleaning solution with which substrate surfaces can be cleaned. Piranha solution is typically used in the microelectronics industry, and also in laboratory settings to clean glassware.

Catalyst[edit]

Sulfuric acid is used for a variety of other purposes in the chemical industry. For example, it is the usual acid catalyst for the conversion of cyclohexanone oxime to caprolactam, used for making nylon. It is used for making hydrochloric acid from salt via the Mannheim process. Much H₂SO₄ is used in petroleum refining, for example as a catalyst for the reaction of isobutane with isobutylene to give isooctane, a compound that raises the octane rating of gasoline (petrol). Sulfuric acid is also often used as a dehydrating or oxidizing agent in industrial reactions, such as the dehydration of various sugars to form solid carbon.

Electrolyte[edit]

Sulfuric acid acts as the electrolyte in lead–acid batteries (lead-acid accumulator):

At anode:

Pb + SO2−4 ⇌ PbSO₄ + 2 e⁻

At cathode:

PbO₂ + 4 H⁺ + SO2−4 + 2 e⁻ ⇌ PbSO₄ + 2 H₂O

Overall:

Pb + PbO₂ + 4 H⁺ + 2 SO2−4 ⇌ 2 PbSO₄ + 2 H₂O

Domestic uses[edit]

Sulfuric acid at high concentrations is frequently the major ingredient in acidic drain cleaners^[12] which are used to remove grease, hair, tissue paper, etc. Similar to their alkaline versions, such drain openers can dissolve fats and proteins via hydrolysis. Moreover, as concentrated sulfuric acid has a strong dehydrating property, it can remove tissue paper via dehydrating process as well. Since the acid may react with water vigorously, such acidic drain openers should be added slowly into the pipe to be cleaned.

History[edit]

The study of vitriols (hydrated sulfates of various metals forming glassy minerals from which sulfuric acid can be derived) began in ancient times. Sumerians had a list of types of vitriol that they classified according to the substances’ color. Some of the earliest discussions on the origin and properties of vitriol is in the works of the Greek physician Dioscorides (first century AD) and the Roman naturalist Pliny the Elder (23–79 AD). Galen also discussed its medical use. Metallurgical uses for vitriolic substances were recorded in the Hellenistic alchemical works of Zosimos of Panopolis, in the treatise Phisica et Mystica, and the Leyden papyrus X.^[36]

Medieval Islamic chemists like the authors writing under the name of Jabir ibn Hayyan (died c. 806 – c. 816 AD, known in Latin as Geber), Abu Bakr al-Razi (865 – 925 AD, known in Latin as Rhazes), Ibn Sina (980 – 1037 AD, known in Latin as Avicenna), and Muhammad ibn Ibrahim al-Watwat (1234 – 1318 AD) included vitriol in their mineral classification lists.^[37] The Jabirian authors and Abu Bakr al-Razi also experimented extensively with the distillation of various substances, including vitriols.^[38] In one recipe recorded in his Kitāb al-Asrār (‘Book of Secrets’), Abu Bakr al-Razi may have created sulfuric acid without being aware of it:^[39]

Take white (Yemeni) alum, dissolve it and purify it by filtration. Then distil (green ?) vitriol with copper-green (the acetate), and mix (the distillate) with the filtered solution of the purified alum, afterwards let it solidify (or crystallise) in the glass beaker. You will get the best qalqadis (white alum) that may be had.^[40]

In an anonymous Latin work variously attributed to Aristotle (under the title Liber Aristotilis, ‘Book of Aristotle’),^[41] to Abu Bakr al-Razi (under the title Lumen luminum magnum, ‘Great Light of Lights’), or to Ibn Sina,^[42] the author speaks of an ‘oil’ (oleum) obtained through the distillation of iron(II) sulfate (green vitriol), which was likely ‘oil of vitriol’ or sulfuric acid.^[43] The work refers multiple times to Jabir ibn Hayyan’s Book of Seventy (Liber de septuaginta), one of the few Arabic Jabir works that were translated into Latin.^[44] The author of the version attributed to al-Razi also refers to the Liber de septuaginta as his own work, showing that he erroneously believed the Liber de septuaginta to be a work by al-Razi.^[45] There are several indications that the anonymous work was an original composition in Latin,^[46] although according to one manuscript it was translated by a certain Raymond of Marseilles, meaning that it may also have been a translation from the Arabic.^[47]

According to Ahmad Y. al-Hassan, three recipes for sulfuric acid occur in an anonymous Karshuni manuscript containing a compilation taken from several authors and dating from before c. 1100 AD.^[48] One of them runs as follows:

The water of vitriol and sulphur which is used to irrigate the drugs: yellow vitriol three parts, yellow sulphur one part, grind them and distil them in the manner of rose-water.^[49]

A recipe for the preparation of sulfuric acid is mentioned in Risālat Jaʿfar al-Sādiq fī ʿilm al-ṣanʿa, an Arabic treatise falsely attributed to the Shi’i Imam Ja’far al-Sadiq (died 765). Julius Ruska dated this treatise to the 13th century, but according to Ahmad Y. al-Hassan it likely dates from an earlier period:^[50]

Then distil green vitriol in a cucurbit and alembic, using medium fire; take what you obtain from the distillate, and you will find it clear with a greenish tint.^[51]

Sulfuric acid was called ‘oil of vitriol’ by medieval European alchemists because it was prepared by roasting iron(II) sulfate or green vitriol in an iron retort. The first allusions to it in works that are definitely European in origin appear in the thirteenth century AD, as for example in the works of Vincent of Beauvais, in the Compositum de Compositis ascribed to Albertus Magnus, and in pseudo-Geber’s Summa perfectionis.^[52]

In the seventeenth century, the German-Dutch chemist Johann Glauber prepared sulfuric acid by burning sulfur together with saltpeter (potassium nitrate, KNO₃), in the presence of steam. As saltpeter decomposes, it oxidizes the sulfur to SO₃, which combines with water to produce sulfuric acid. In 1736, Joshua Ward, a London pharmacist, used this method to begin the first large-scale production of sulfuric acid.

In 1746 in Birmingham, John Roebuck adapted this method to produce sulfuric acid in lead-lined chambers, which were stronger, less expensive, and could be made larger than the previously used glass containers. This process allowed the effective industrialization of sulfuric acid production. After several refinements, this method, called the lead chamber process or «chamber process», remained the standard for sulfuric acid production for almost two centuries.^[4]

Sulfuric acid created by John Roebuck’s process approached a 65% concentration. Later refinements to the lead chamber process by French chemist Joseph Louis Gay-Lussac and British chemist John Glover improved concentration to 78%. However, the manufacture of some dyes and other chemical processes require a more concentrated product. Throughout the 18th century, this could only be made by dry distilling minerals in a technique similar to the original alchemical processes. Pyrite (iron disulfide, FeS₂) was heated in air to yield iron(II) sulfate, FeSO₄, which was oxidized by further heating in air to form iron(III) sulfate, Fe₂(SO₄)₃, which, when heated to 480 °C, decomposed to iron(III) oxide and sulfur trioxide, which could be passed through water to yield sulfuric acid in any concentration. However, the expense of this process prevented the large-scale use of concentrated sulfuric acid.^[4]

In 1831, British vinegar merchant Peregrine Phillips patented the contact process, which was a far more economical process for producing sulfur trioxide and concentrated sulfuric acid. Today, nearly all of the world’s sulfuric acid is produced using this method.^[53]

Safety[edit]

Laboratory hazards[edit]

Sulfuric acid is capable of causing very severe burns, especially when it is at high concentrations. In common with other corrosive acids and alkali, it readily decomposes proteins and lipids through amide and ester hydrolysis upon contact with living tissues, such as skin and flesh. In addition, it exhibits a strong dehydrating property on carbohydrates, liberating extra heat and causing secondary thermal burns.^[7][8] Accordingly, it rapidly attacks the cornea and can induce permanent blindness if splashed onto eyes. If ingested, it damages internal organs irreversibly and may even be fatal.^[6] Protective equipment should hence always be used when handling it. Moreover, its strong oxidizing property makes it highly corrosive to many metals and may extend its destruction on other materials.^[7] Because of such reasons, damage posed by sulfuric acid is potentially more severe than that by other comparable strong acids, such as hydrochloric acid and nitric acid.

Sulfuric acid must be stored carefully in containers made of nonreactive material (such as glass). Solutions equal to or stronger than 1.5 M are labeled «CORROSIVE», while solutions greater than 0.5 M but less than 1.5 M are labeled «IRRITANT». However, even the normal laboratory «dilute» grade (approximately 1 M, 10%) will char paper if left in contact for a sufficient time.

The standard first aid treatment for acid spills on the skin is, as for other corrosive agents, irrigation with large quantities of water. Washing is continued for at least ten to fifteen minutes to cool the tissue surrounding the acid burn and to prevent secondary damage. Contaminated clothing is removed immediately and the underlying skin washed thoroughly.

Dilution hazards[edit]

Preparation of the diluted acid can be dangerous due to the heat released in the dilution process. To avoid splattering, the concentrated acid is usually added to water and not the other way around. A saying used to remember this is «Do like you oughta, add the acid to the water».^{[54][better source needed]} Water has a higher heat capacity than the acid, and so a vessel of cold water will absorb heat as acid is added.

Comparison of sulfuric acid and water

Physical property	H2SO4	Water	Units
Density	1.84	1.0	kg/L
Volumetric heat capacity	2.54	4.18	kJ/L
Boiling point	337	100	°C

Also, because the acid is denser than water, it sinks to the bottom. Heat is generated at the interface between acid and water, which is at the bottom of the vessel. Acid will not boil, because of its higher boiling point. Warm water near the interface rises due to convection, which cools the interface, and prevents boiling of either acid or water.

In contrast, addition of water to concentrated sulfuric acid results in a thin layer of water on top of the acid. Heat generated in this thin layer of water can boil, leading to the dispersal of a sulfuric acid aerosol or worse, an explosion.

Preparation of solutions greater than 6 M (35%) in concentration is dangerous, unless the acid is added slowly enough to allow the mixture sufficient time to cool. Otherwise, the heat produced may be sufficient to boil the mixture. Efficient mechanical stirring and external cooling (such as an ice bath) are essential.

Reaction rates double for about every 10-degree Celsius increase in temperature.^[55] Therefore, the reaction will become more violent as dilution proceeds, unless the mixture is given time to cool. Adding acid to warm water will cause a violent reaction.

On a laboratory scale, sulfuric acid can be diluted by pouring concentrated acid onto crushed ice made from de-ionized water. The ice melts in an endothermic process while dissolving the acid. The amount of heat needed to melt the ice in this process is greater than the amount of heat evolved by dissolving the acid so the solution remains cold. After all the ice has melted, further dilution can take place using water.

Industrial hazards[edit]

Sulfuric acid is non-flammable.

The main occupational risks posed by this acid are skin contact leading to burns (see above) and the inhalation of aerosols. Exposure to aerosols at high concentrations leads to immediate and severe irritation of the eyes, respiratory tract and mucous membranes: this ceases rapidly after exposure, although there is a risk of subsequent pulmonary edema if tissue damage has been more severe. At lower concentrations, the most commonly reported symptom of chronic exposure to sulfuric acid aerosols is erosion of the teeth, found in virtually all studies: indications of possible chronic damage to the respiratory tract are inconclusive as of 1997. Repeated occupational exposure to sulfuric acid mists may increase the chance of lung cancer by up to 64 percent.^[56] In the United States, the permissible exposure limit (PEL) for sulfuric acid is fixed at 1 mg/m³: limits in other countries are similar. There have been reports of sulfuric acid ingestion leading to vitamin B12 deficiency with subacute combined degeneration. The spinal cord is most often affected in such cases, but the optic nerves may show demyelination, loss of axons and gliosis.

Legal restrictions[edit]

International commerce of sulfuric acid is controlled under the United Nations Convention Against Illicit Traffic in Narcotic Drugs and Psychotropic Substances, 1988, which lists sulfuric acid under Table II of the convention as a chemical frequently used in the illicit manufacture of narcotic drugs or psychotropic substances.^[57]

See also[edit]

• Aqua regia
• Diethyl ether – also known as «sweet oil of vitriol»
• Piranha solution
• Sulfur oxoacid
• Sulfuric acid poisoning

References[edit]

External links[edit]

• International Chemical Safety Card 0362
• Sulfuric acid at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
• CDC – Sulfuric Acid – NIOSH Workplace Safety and Health Topic
• External Material Safety Data Sheet Archived 11 October 2007 at the Wayback Machine
• Calculators: surface tensions, and densities, molarities and molalities of aqueous sulfuric acid
• Sulfuric acid analysis – titration freeware
• Process flowsheet of sulfuric acid manufacturing by lead chamber process

Серная кислота
Систематическое наименование	серная кислота
Хим. формула	H2SO4
Состояние	жидкость
Молярная масса	98,078 ± 0,006 г/моль
Плотность	1,8356 г/см³
Динамическая вязкость	0,027534 Па·с
Кинематическая вязкость	0,1501 см²/с  (при 20 °C)
Т. плав.	10,38 °C
Т. кип.	337 °C
Удельная теплота плавления	10,73 Дж/кг
Давление пара	0,001 ± 0,001 мм рт.ст.
pKa	-3
Растворимость в воде	смешивается
Показатель преломления	1.397
Дипольный момент	2.72 Д
ГОСТ	ГОСТ 2184-77 ГОСТ 667-73 ГОСТ 14262-78 ГОСТ 4204-77
Рег. номер CAS	7664-93-9
PubChem	1118
Рег. номер EINECS	231-639-5
SMILES	OS(O)(=O)=O
InChI	1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4) QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N
Рег. номер EC	231-639-5
Кодекс Алиментариус	E513
RTECS	WS5600000
ChEBI	26836 и 45693
Номер ООН	1830
ChemSpider	1086
ЛД50	510 мг/кг
NFPA 704
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Серная кислота H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха, с кислым «медным» вкусом. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO₃. Если молярное отношение SO₃ : H₂O < 1, то это водный раствор серной кислоты, если > 1 — раствор SO₃ в серной кислоте (олеум).

Название

В XVIII—XIX веках серу для пороха производили из серного колчедана (пирит) на купоросных заводах. Серную кислоту в то время называли «купоросным маслом», очевидно отсюда происхождение названия её солей (а точнее именно кристаллогидратов) — купоросы.

Получение серной кислоты

Основная статья: Производство серной кислоты

Промышленный (контактный) способ

В промышленности серную кислоту получают окислением диоксида серы (сернистый газ, образующийся в процессе сжигания серы или серного колчедана) до триоксида (серного ангидрида) с последующим взаимодействием SO₃ с водой. Получаемую данным способом серную кислоту также называют контактной (концентрация 92-94 %).

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

H₂O + SO₃ = H₂SO₄

Нитрозный (башенный) способ

Раньше серную кислоту получали исключительно нитрозным методом в специальных башнях, а кислоту называли башенной (концентрация 75 %). Сущность этого метода заключается в окислении диоксида серы диоксидом азота в присутствии воды. Именно таким способом произошла реакция в воздухе Лондона во время Великого смога.

SO₂ + NO₂ + H₂O = H₂SO₄ + NO ↑

Другой способ

В тех редких случаях, когда сероводород (H₂S) вытесняет сульфат(SO₄^—) из соли (с металлами Cu,Ag,Pb,Hg) побочным продуктом является серная кислота

H₂S + CuSO₄ = CuS + H₂SO₄

Сульфиды данных металлов обладают высочайшей прочностью, а также отличительным чёрным окрасом,

но могут быть окислены до сульфатов, например, азотной кислотой при кипении:

CuS + 8HNO₃ → CuSO₄ + 8NO₂↑ + 4H₂O

Физические и физико-химические свойства

Очень сильная кислота, при 18^оС pK_a (1) = −2,8, pK_a (2) = 1,92 (К₂ 1,2 10⁻²); длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S—OH 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит, образуя азеотропную смесь (98,3 % H₂SO₄ и 1,7 % H₂O с температурой кипения 338,8^оС). Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H₂SO₄, имеет состав (%): H₂SO₄ 99,5, HSO₄⁻ — 0,18, H₃SO₄⁺ — 0,14, H₃O⁺ — 0,09, H₂S₂O₇, — 0,04, HS₂O₇⁻ — 0,05. Смешивается с водой и SO₃, во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на H₃O⁺, HSO₃⁺, и 2HSO₄⁻. Образует гидраты H₂SO₄·nH₂O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

Олеум

Основная статья: Олеум

Растворы серного ангидрида SO₃ в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H₂SO₄·SO₃ и H₂SO₄·2SO₃.

Олеум содержит также пиросерные кислоты, получающиеся по реакциям:

H₂SO₄ + SO₃ → H₂S₂O₇ Сульфит

H₂SO₄ + 2SO₃ → H₂S₃O₁₀

Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом её концентрации и достигает максимума при содержании 98,3 % H₂SO₄.

Свойства водных растворов серной кислоты и олеума 

Содержание % по массе	Плотность при 20 ℃, г/см³	Температура плавления, ℃	Температура кипения, ℃
H2SO4	SO3 (свободный)
10	—	1,0661	−5,5	102,0
20	—	1,1394	−19,0	104,4
40	—	1,3028	−65,2	113,9
60	—	1,4983	−25,8	141,8
80	—	1,7272	−3,0	210,2
98	—	1,8365	0,1	332,4
100	—	1,8305	10,4	296,2
104,5	20	1,8968	−11,0	166,6
109	40	1,9611	33,3	100,6
113,5	60	2,0012	7,1	69,8
118,0	80	1,9947	16,9	55,0
122,5	100	1,9203	16,8	44,7

Температура кипения олеума с увеличением содержания SO₃ понижается. При увеличении концентрации водных растворов серной кислоты общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3 % H₂SO₄ достигает минимума. С увеличением концентрации SO₃ в олеуме общее давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами серной кислоты и олеума можно вычислить по уравнению:

 lg ⁡p = A   −   B    +   2,126 ,

                   T

величины коэффициентов А и В зависят от концентрации серной кислоты. Пар над водными растворами серной кислоты состоит из смеси паров воды, H₂SO₄ и SO₃, при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях серной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.

С повышением температуры усиливается диссоциация:

H₂SO₄ ⟷ H₂O + SO₃ − Q . 

При нормальном давлении степень диссоциации: 10⁻⁵ (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К).

Плотность 100%-ной серной кислоты можно определить по уравнению:

 d = 1,851 7 − 1,1 ⋅ 10⁻³ t + 2 ⋅ 10⁻⁶ t² 

С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоемкость олеума с повышением содержания SO₃ увеличивается.

При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность λ уменьшается:

 λ = 0,518 + 0,0016t − ( 0,25 + t/1293 ) ⋅ C/100

где С — концентрация серной кислоты, в %.

Максимальную вязкость имеет олеум H₂SO₄·SO₃, с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации SO₃ и 92 % H₂SO₄ и максимально при концентрации 84 и 99,8 % H₂SO₄. Для олеума минимальное ρ при концентрации 10 % SO₃. С повышением температуры ρ серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопическая постоянная 6,12, эбулиоскопическая постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется в зависимости от температуры; D = 1,67·10⁻⁵T^3/2 см²/с.

 

Химические свойства

Серная кислота в концентрированном виде при нагревании — довольно сильный окислитель.

Окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов.

8HI + H₂SO₄ = 4I₂ ↓ + H₂S↑ + 4H₂O

2HBr + H₂SO₄ = Br₂↓ + SO₂↑ + 2H₂O

Углерод до CO₂, серу — до SO₂.

C + 2H₂SO₄ = 2SO₂↑ + CO₂ ↑ + 2H₂O

S + 2H₂SO₄ = 3SO₂↑ + 2H₂O

Окисляет многие металлы (исключения: Au, Pt, Ir, Rh, Ta.). При этом концентрированная серная кислота восстанавливается до SO₂, например:

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O + SO₂

На холоде в концентрированной серной кислоте Fe, Al, Cr, Co, Ni, Ba пассивируются и реакции не протекают.

Наиболее сильными восстановителями концентрированная серная кислота восстанавливается до S и H₂S. Концентрированная серная кислота поглощает водяные пары, поэтому она применяется для сушки газов, жидкостей и твёрдых тел, например, в эксикаторах. Однако концентрированная H₂SO₄ частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Отщепляя воду от органических соединений и оставляя при этом чёрный углерод (уголь), концентрированная серная кислота приводит к обугливанию древесины, сахара и других веществ.

Разбавленная H₂SO₄ взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением, например:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

Окислительные свойства для разбавленной H₂SO₄ нехарактерны. Серная кислота образует два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) H₂SO₅ и пероксодисерная H₂S₂O₈ кислоты.

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

Серная кислота реагирует также с основными оксидами, образуя сульфат и воду:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

На металлообрабатывающих заводах раствор серной кислоты применяют для удаления слоя оксида металла с поверхности металлических изделий, подвергающихся в процессе изготовления сильному нагреванию. Так, оксид железа удаляется с поверхности листового железа действием нагретого раствора серной кислоты:

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O

Концентрированная H₂SO₄ превращает некоторые органические вещества в другие соединения углерода:

HCOOH + H2SO₄(k) = CO↑ + H₂SO₄ ⋅ nH2O

Качественной реакцией на серную кислоту и её растворимые соли является их взаимодействие с растворимыми солями бария, при котором образуется белый осадок сульфата бария, нерастворимый в воде и кислотах, например:

H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2HCl

Применение

Серную кислоту применяют:

• в обработке руд, особенно при добыче редких элементов, в том числе урана, иридия, циркония, осмия и т. п.;
• в производстве минеральных удобрений;
• как электролит в свинцовых аккумуляторах;
• для получения различных минеральных кислот и солей;
• в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ;
• в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;
• в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513 (эмульгатор);
• в промышленном органическом синтезе в реакциях:
  • дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);
  • гидратации (этанол из этилена);
  • сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);
  • алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.;
  • для восстановления смол в фильтрах на производстве дистиллированной воды.

Мировое производство серной кислоты около 200 млн тонн в год. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На P₂O₅ фосфорных удобрений расходуется в 2,2—3,4 раза больше по массе серной кислоты, а на (NH₄)₂SO₄ серной кислоты 75 % от массы расходуемого (NH₄)₂SO₄. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Токсическое действие

Серная кислота и олеум — очень едкие вещества. Они поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Предельно допустимая концентрация аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности II. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

В РФ оборот серной кислоты концентрации 45% и более — ограничен.

Исторические сведения

Серная кислота известна с древности, встречаясь в природе в свободном виде, например, в виде озёр вблизи вулканов. Возможно, первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса «зеленого камня», встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну.

В IX веке персидский алхимик Ар-Рази, прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO₄•7H₂O и CuSO₄•5H₂O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус, живший в XIII веке.

Схема получения серной кислоты из железного купороса — термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси

2FeSO₄ + 7H₂O → Fe₂O₃ + SO2 + H₂O + O₂

2SO₂ + 2H₂O + O₂ ⇄ 2H₂SO₄

В трудах алхимика Валентина (XIII в) описывается способ получения серной кислоты путём поглощения водой газа (серный ангидрид), выделяющегося при сжигании смеси порошков серы и селитры. Впоследствии этот способ лег в основу т. н. «камерного» способа, осуществляемого в небольших камерах, облицованных свинцом, который не растворяется в серной кислоте. В СССР такой способ просуществовал вплоть до 1955 г.

Алхимикам XV в известен был также способ получения серной кислоты из пирита — серного колчедана, более дешевого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. Впоследствии, в связи с развитием катализа этот метод вытеснил камерный способ синтеза серной кислоты. В настоящее время серную кислоту получают каталитическим окислением (на V₂O₅) оксида серы (IV) в оксид серы (VI), и последующим растворением оксида серы (VI) в 70 % серной кислоте с образованием олеума.

В России производство серной кислоты впервые было организовано в 1805 году под Москвой в Звенигородском уезде. В 1913 году Россия по производству серной кислоты занимала 13 место в мире.

Дополнительные сведения

Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы. Получившаяся взвесь, из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата. Например, в результате извержения вулкана Ксудач (Полуостров Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже. Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году, отправивший в атмосферу 3⋅10⁷ тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994.

Стандарты

• Кислота серная техническая ГОСТ 2184-77
• Кислота серная аккумуляторная. Технические условия ГОСТ 667-73
• Кислота серная особой чистоты. Технические условия ГОСТ 14262-78
• Реактивы. Кислота серная. Технические условия ГОСТ 4204-77