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硫酸(Sulfuric acid)

2020-07-27来源:航空生物
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简介
硫酸,分子式为 $$H_2SO_4$$,是一种无色无味的液体,也是一种强酸,亦是矿物酸之一,容易溶于水,可以和水做任意比例的混合,是重要的化工原料,因此也被称为化学工业之母,一个国家工业生产力可由其硫酸的製造量来评断。

硫酸的製备

古法(中国唐朝)

加热蓝色硫酸铜晶体产生无水白色硫酸铜,继续加热硫酸铜分解产生氧化铜及三氧化硫,三氧化硫与水反应即得硫酸,反应式如下:

$$CuSO_4\cdot 5H_2O\overset{\Delta}{\longrightarrow}CuSO_{4(s)}+5H_2O$$

$$CuSO_{4(s)}\overset{\Delta}{\longrightarrow}CuO_{(s)}+SO_{3(g)}$$

$$SO_{3(g)}+H_2O\longrightarrow H_2SO_{4(aq)}$$

铅室法(Chamber process,17世纪):

古老製备硫酸的方法,以二氧化硫为原料,由于二氧化硫氧化成三氧化硫不易进行,需要是当催化剂增加反应速率,因此以一氧化氮和二氧化氮为催化剂,再将产生的三氧化硫溶于水可得到约70%浓度的硫酸。
因为其所得的硫酸纯度较低,且又无法去除一氧化氮及二氧化氮而混有亚硝酸及硝酸在其中,因此在工业上已经被接触法所取代。
相关反应式:

$$SO_2+\frac{1}{2}O_2\overset{NO,NO_2}{\longrightarrow}SO_3$$

$$SO_3+H_2O\longrightarrow H_2SO_4$$

接触法(Contact process):

目前工业上製造硫酸的方法,主要分成四个部分。首先,先在空气中燃烧硫磺产生二氧化硫气体,经过净化和除去杂质后,让二氧化硫和氧气再以五氧化二钒(V2O5)为催化剂的高温环境中,进行可逆反应生成三氧化硫,之后再用浓硫酸吸收三氧化硫,形成发烟硫酸(H2S2O7),最后把发烟硫酸用水稀释,形成98%的硫酸。因为这个方法可以得到纯度就高的硫酸,因此是现在工业上最普遍使用的方法。
相关反应式:

$$SO_2+\frac{1}{2}O_2\overset{V_2O_5}{\longrightarrow}SO_3$$

$$SO_3+H_2SO_4\longrightarrow H_2S_2O_7$$

$$H_2S_2O_7+H_2O\longrightarrow 2H_2SO_4$$

硫酸的性质及应用

加热浓硫酸至338℃时,硫酸分子将释放出水及三氧化硫。浓硫酸是黏稠油状液体,具有脱水性,它可以将碳水化合物中的氢、氧以2:1的比例脱去,留下海绵状、黑色的碳。因此在使用浓硫酸应该非常小心。浓流酸具有强氧化性,是强氧化剂,可以和活泼的金属像是锌、铁、锰、镁、铝等,产生硫或硫化氢。与不活泼的金属像是铜等反应,被还原成二氧化硫。相关半反应式:

$$SO_{4}^{2-}+8e^-+10H^+\longrightarrow H_2S+4H_2O$$

$$SO_{4}^{2-}+6e^-+8H^+\longrightarrow S+4H_2O$$

$$SO_{4}^{2-}+2e^-+4H^+\longrightarrow SO_2+2H_2O$$

浓流酸的强氧化性,可以与非金属碳或硫反应,但这类反应比较缓慢,通常需要加热才能进行,相关反应式:

$$C+2H_2SO_4\longrightarrow CO_2+2SO_2+2H_2O$$

$$S+2H_2SO_4\longrightarrow 3SO_2+2H_2O$$

稀硫酸仅能与活泼金属反应,产生氢气,而不能与其他金属发生反应。譬如

$$Fe+2H_2SO_4\longrightarrow FeSO_4+H_2$$

硫酸是挥发性低的强酸,因此可以利用它的高沸点来製取会挥发或是沸点低的其他酸,像是和硝酸钠反应产生硝酸、和氯化钠反应得到氯化氢等等。但因为浓硫酸有强氧化性,因此製备硫化氢、溴化氢、碘化氢等还原性气体不能使用浓硫酸,会发生氧化还原反应而无法製取所需的产物。相关反应式:

$$2NaNO_{3(s)}+2H_2SO_4\overset{\Delta}{\longrightarrow}2HNO_{3(g)}+Na_2SO_{4(s)}$$

$$2NaCl_{(s)}+H_2SO_4\overset{\Delta}{\longrightarrow}2HCl_{(g)}+Na_2SO_{4(s)}$$

$$2NaBr_{(s)}+2H_2SO_4\overset{\Delta}{\longrightarrow}Br_{2(g)}+SO_{2(s)}+Na_2SO_{4(s)}+2H_2O$$

注意事项

硫酸溶于水会放出大量热,可使水沸腾,因此要稀释浓硫酸时,应该要将浓硫酸缓缓倒入水中,同时不断搅拌,让释出的热可以传导。另外,绝对不可以将水倒入 硫酸中,因为这样会导致水因为密度比较小而服在浓硫酸上,并且接触到的面积较小,容易使水因为放出的热而沸腾,溅出伤人。硫酸是强腐蚀性介质,接触人体会引起严重灼伤,使用时都应该小心,带好手套等防护用具。若不慎接触到硫酸,应立即以大量的清水沖洗并就医。切洋葱之所以有刺激眼睛的感觉,是由于洋葱释放之丙硫醇类之硫的氧化物,与眼睛里的水分接触可反应产生硫酸,因此刺激到眼睛。

参考资料

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