Какие свойства окислительные или восстановительные проявляет серная кислота

В сочинениях монаха-алхимика Василия Валентина, жившего в XV веке, которого многие историки химии считают мифической фигурой, было рекомендовано получать “дух из солей” ( “спиритус салис”) – прокаливанием смеси каменной соли и железного купороса. При этом отгонялась жидкость, которая поражала воображения алхимиков: она дымила на воздухе, вызывала кашель, разъедала ткань, бумагу, металл. О каком веществе идет речь? Какими еще интересными свойствами и почему обладает это вещество? Вот на эти вопросы нам предстоит ответить.

Серная кислота является сильной кислотой. Это объясняется строением ее молекулы так как, электронная плотность от атомов водорода смещается к атомам кислорода и серы, имеющих большую элекроотрицательность, что позволяет протонам водорода легко отщепляться.

Физические свойства серной кислоты

100%-ная H2SO4 (моногидрат, SO3×H2O) кристаллизуется при 10,45 С; t кип 296,2 С; плотность 1,9203 г/см3; теплоёмкость 1,62 Дж/г (К. H2SO4 смешивается с Н2О и SO3 в любых соотношениях, образуя соединения:

H2SO4×4H2O (t пл. – 28,36 С),

H2SO4×3H2O (t пл. – 36,31 С),

H2SO4×2H2O (t пл. – 39,60 С),

H2SO4×H2O (t пл. – 8,48 С),

При нагревании и кипении водных растворов С. к. , содержащих до 70% H2SO4, в паровую фазу выделяются только пары воды. Над более концентрированными растворами появляются и пары С. к. Раствор 98,3%-ной H2SO4 (азеотропная смесь) при кипении (336,5 0С) перегоняется полностью. Серная кислота, содержащая свыше 98,3% H2SO4, при нагревании выделяет пары SO3.

Химические свойства разбавленной серной кислоты а взаимодействие растворов серной кислоты с активными металлами.

Особенно активно идет процесс щелочными и щелочноземельными металлами. В 1808г. английский химик Гемфри Дэви наблюдал, как впервые полученный им металлический барий тонет в концентрированной серной кислоте, а затем всплывает, окруженный пузырьками выделяющегося газа.

Калий и натрий взаимодействует с разбавленной серной кислотой с взрывом. Даже при охлаждении до -50 С происходит воспламенение выделяющегося водорода. Лишь вблизи температуры замерзания кислоты (для 30%- ной Н2sО4 она ниже -70) реакция прекращается.

Нами проводились исследования взаимодействия разбавленной серной кислоты с литием и кальцием.

2Li + H2 SO4 = Li2SO4 + H2 ↑

Li 0 – 1 e → Li+ *2 восстановитель

2H + + 2e → H2 0 окислитель

Ca + H2 SO4 = CaSO4 + H2 ↑

Ca 0 – 2 e → Ca 2+ восстановитель

2H + + 2e → H2 0 окислитель

При взаимодействии серной кислоты с активными металлами продуктом реакции являлся водород.

б Реакции разбавленной серной кислоты с металлами средней активности

При взаимодействии серной кислоты с металлами средней активности продуктами реакции являлись водород и сероводород.

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 ↑

Zn0 – 2e → Zn 2+ восстановитель

2H+ + 2e → H2 окислитель

4Zn + 5H2SO4 = 4Zn SO4 + H2S ↑+ 4H2O

Zn0 – 2e → Zn 2+ восстановитель

SO4 2- +8e +8H+→S 2-+4H2O окислитель

Разбавленная серная кислота не реагирует со свинцом, даже при нагревании.

в Реакции разбавленной серной кислоты с алюминием и железом

При взаимодействии серной кислоты с алюминием и железом продуктами реакции являлись водород и сероводород.

2Al+3 H2 SO4 =Al2(SO4)3+3H2 ↑

Al0 – 3e →Al+3 *2 восстановитель

2H+ + 2e → H2 *3 окислитель

8Al+15 H2 SO4 =4 Al2(SO4)3+3H2 S↑ +12H2O

Al0 – 3e →Al+3 *8 восстановитель

S+6 +8e →S-2 *3 окислитель

2Fe+ 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 +3 H2↑

Fe0 -3e →Fe+3 *2 восстановитель

2H+ + 2e → H2 *3 окислитель г Реакции разбавленной серной кислоты с малоактивными металлами

Разбавленная (50%) серная кислота не взаимодействует с металлами, расположенными в ряду напряжений после водорода.

Химические свойства концентрированной серной кислоты а С концентрированной серной кислотой натрий реагирует медленнее, чем с водой. Но реакция с калием все равно закончиться взрывом. Среди прочих продуктов в результате данных реакций образуются сульфиды этих металлов.

8Na + 4H2 SO4 (k) = 2S + 6Na2S + 4H2O

Na 0 – 1 e → Na+ *8 восстановитель

S+6 +8e →S-2 *1 окислитель б Реакции концентрированной серной кислоты с металлами средней активности

При взаимодействии концентрированной серной кислоты с металлами средней активности продуктами реакции являлись сера, сероводород и сернистый газ.

Zn + 2H2 SO4 = ZnSO4 + H2O + SO2

Zn 0 – 2 e → Zn+ 2 восстановитель

S+6 + 2 e → S+4 окислитель

4Zn + 5H2 SO4 = 4ZnSO4 + 4H2O + H2S

Zn 0 – 2 e → Zn+ 2 *4 восстановитель

S+6 + 8 e → S-2 *1 окислитель

3Zn + 4H2 SO4 = 3ZnSO4 +4 H2O + S

Zn 0 – 2 e → Zn+ 2 *3восстановитель

S+6 + 6 e → S0 *1окислитель в Реакции концентрированной серной кислоты с алюминием и железом

На холоде концентрированная серная кислота пассивирует многие металлы, в том числе РЬ, Cr, Ni, сталь, чугун.

При нагревании реакционной смеси происходит химическая реакция.

8Fe+15 H2 SO4 =4 Fe2(SO4)3+3H2 S↑ +12H2O

Al0 – 3e →Al+3 *8 восстановитель

S+6 +8e →S-2 *3 окислитель г Реакции концентрированной серной кислоты с малоактивными металлами

Может ли концентрированная серная кислота взаимодействовать с металлами, стоящими в ряду напряжений после водорода? Сера имеет степень окисления +6 в серной кислоте, это позволяет предположить, что серная кислота является окислителем за счет сульфат – иона.

Cu + 2H2 SO4 = CuSO4 + H2O + SO2

Cu 0 – 2 e → Cu+ 2 восстановитель

S+6 + 2 e → S+4 окислитель

При взаимодействии концентрированной серной кислоты с малоактивными металлами выделяется сернистый газ.

5. Реакции концентрированной серной кислоты с неметаллами

S + 2H2 SO4 = 2H2O + 3SO2

S 0 – 4 e → S+4 восстановитель

S +6 + 2 e → S+4 *2 окислитель

2P + 5H2 SO4 = 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O

P 0+ 2H2 O -5 e → PO4 2- +4 H+ *2 восстановитель

SO4 2- +4H+ +2e →SO2 + 2H2O *5 окислитель

6. Реакции концентрированной серной кислоты с органическими веществами

Может ли конц. серная кислота взаимодействовать с органическими веществами?

Конц. серная кислота проявляет водоотнимающие свойства. Это свойство можно использовать в химическом процессе для сушки различных продуктов, например, газов.

Она окисляет сахарозу, при этом образуются летучие газы диоксид углерода и диоксид серы, поэтому масса вспучивается и поднимается. Кроме того, она может обугливать целлюлозу.

С12Н22О11 + H2 SO4 = 13 H2O + 2SO2 + 11С + СО2

Серная кислота отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы – ОН. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной серной кислотой приводит к получению этилена или смеси эфиров.

C2H5OH H2 SO4 → CH2=CH2 + H2O

2C2H5OH H2 SO4 → C2H5O C2H5 + H2O

2C2H5OH + H2 SO4 → C2H5OSO3H + H2O

Выводы:

1. Серная кислота реагирует с большинством металлов, но в зависимости от её концентрации и положения металла в ряду напряжения скорость и продукты реакции могут существенно различаться.

2. Степень окисления продукта реакции зависит от активности металла, чем активнее металл, вступающий в реакцию с концентрированной серной кислотой, тем ниже степень окисления продута восстановления серы.

3. Свойства концентрированной серной кислоты существенно отличаются от свойств ее растворов.

4. Концентрированная серная кислота является сильнейшим окислителем.

Окислителем в концентрированной серной кислоте является сульфат- ион, а в ее растворах – протон водорода.

Заключение

В результате работы над проектом: мы провели ряд самостоятельных лабораторных исследований и опытным путем выяснили, какие продукты реакции возможны при взаимодействии серной кислоты с различными веществами при определенных условиях.

Изучили особые свойства концентрированной серной кислоты; закрепили понятие окислитель и восстановитель.

Получили возможность усовершенствовать и развить экспериментальные умения и навыки.

Решение задач на составление  электронных и молекулярных уравнений реакций

Задание 372
Как проявляет себя сероводород в окислительно-восстановительных реакциях? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения реакций взаимодействия раствора сероводорода: а) с хлором; б) с кислородом.
Решение:
Поскольку в Н2S атом серы находится в своей низшей степени окисления -2, то сероводород всегда будет являться восстановителем во всех окислительно-восстановительных реакциях. На воздухе он горит, окисляясь до SO2, в растворах медленно окисляется кислородом воздуха до свободной серы. С галогенами сероводород окисляется до свободной серы, со многими другими окислителями образуется свободная сера или сульфат-ион.

Уравнения реакций взаимодействия сероводорода с хлором и кислородом:

а) реакция сероводорода с хлором

Уравнения электронного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

Cl20 + S2-  = S6+ + 2Cl-

Молекулярное уравнение реакции:

H2S+ Cl2 = S↓ + 2HCl

б) реакция сероводорода с кислородом

Уравнения электронного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

3О20 + 2S2-  = 2S4+ + 2О2-

Молекулярное уравнение реакции:

2H2S + 3О2 = 2SО2 + 2H2О

Задание 375
Какие свойства в окислительно-восстановительных реакциях проявляет серная кислота? Напишите уравнения реакций взаимодействия разбавленной серной кислоты с магнием и концентрированной – с медью. Укажите окислитель и восстановитель.
Решение:
Серная кислота обладает окислительными свойствами, если её концентрация превышает 70%. Только при концентрации больше 70% принято говорить о специфических свойствах H2SO4 как окислителя. Серная кислота проявляет окислительные свойства, потому что атом серы в ней находится в своей высшей степени окисления +6 и может только присоединять электроны, т.е. уменьшать свою степень окисления. Разбавленная серная кислота в реакциях с металлами, стоящими в ряду напряжений металлов левее водорода, взаимодействует с ними с выделением водорода. При этом происходит изменение степени окисления атомов водорода, образующих ион Н+, а не атомов серы. С металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода разбавленная серная кислота не взаимодействует.

Уравнения реакций взаимодействия разбавленной серной кислоты с магнием и концентрированной – с медью

а) взаимодействие разбавленной серной кислоты с магнием

Уравнения электронного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

Mg0 + 2H+ = Mg2+ + H20

Молекулярное уравнение реакции:

Mg0 + H2SO4 = MgSO4+ H2↑

Магний увеличивает свою степень окисления от 0 до +2, т. е. является восстановителем, а водород окислитель, потому что уменьшает свою степень окисления от +1 до 0.

б) взаимодействие концентрированной серной кислоты с медью

Уравнения электронного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

Cu0 + S6+ = Cu2+ + S4+

Молекулярное уравнение реакции:

Cu + 2H2SO4 = CuSO4+ SO2↑ + 2H2O

Задание 384
Чем существенно отличается действие разбавленной азотной кислоты на металлы от действия хлороводородной (соляной) и разбавленной серной кислот? Что является окислителем в первом случае, что – в двух других? Приведите примеры.
Решение:
Действие разбавленной азотной кислоты на металлы заключается в том, что в HNO3 при этом  азот уменьшает свою степень окисления от +5 до +2, +1, 0, -3. Объясняется это тем, что при фиксированной концентрации HNO3 могут  быть «атакованы» большим числом электронов. Это приводит к снижению степени окисления азота  в продуктах восстановления HNO3. Так, для разбавленной HNO3 имеется два случая, характеризующихся выделением NO, при взаимодействии с тяжёлыми металлами, и N2 при взаимодействии окислителя с активными металлами и получаем промежуточный случай для малоактивных металлов продуктом восстановления HNO3 должен  являться N2O. Таким образом, при восстановлении HNO3 (разбавленной) активными металлами(от Mg до Cr) продуктом восстановления является N2, а тяжёлыми металлами (от Sb до Au) – NO. Окислителем является атом азота со степенью окисления +5.  

Соляная и разбавленная серная кислота при взаимодействии с металлами, стоящими в электротехническом ряду напряжений левее водорода взаимодействуют так, что выделяется Н2. В этом случае окислителем являются ионы водорода Н+, входящие в состав молекул HCl и H2SO4. Хлор и сера вообще не участвуют в окислительном процессе. С металлами, стоящими в ряду напряжений после водорода, соляная кислота и разбавленная серная кислота не взаимодействует, водород не выделяется.

а) Действие разбавленной азотной кислоты на металлы:

3Cu0 + 8HN 5+O3 = 3Cu2+(NO3)2 + 2N2+O↑ + 4H2O;
4Zn0 + 10HN5+O3 = 4Zn2+(NO3)2 + N3-H4NO3 + 3H2O;
5Mg + 12HNO3 = 5Mg(NO3)2 + N2↑ + H2O;
4Fe + 10HNO3 = 4Fe(NO3)2 + N2O + 5H2O

б) Действие разбавленной серной кислоты на металлы:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑;
2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2↑

в) Действие соляной кислоты на металлы:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑;
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑

Таким образом, в разбавленной HNO3 (< 65%) роль окислителя играет атом азота в своей степени окисления +5, который уменьшает свою степень окисления от +5 до 0, +1, +2, +4, -3 в зависимости то активности металла. Роль окислителя в соляной кислоте и в разбавленной серной кислоте (< 70%) и который при взаимодействии данных кислот с металла-ми, стоящими в ряду напряжений левее водорода, уменьшает свою степень окисления от +1 до 0.

Задача 863. 
Какие свойства, окислительные или восстановительные, проявляет сернистая кислота при ее взаимодействии: а) с магнием; б) с сероводородом; в) с йодом? Какой из входящих в ее состав ионов обусловливает эти свойства в каждом из указанных случаев?
Решение:
а) Mg + H2SO3 ↔ MgSO3 + H2↑
Уравнения ионно-молекулярного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

Mg0 + 2H+ = Mg2+ + H20 

Молекулярная форма:

Mg + H2SO3 ↔ MgSO3 + H2↑

Таким образом, сернистая кислота проявляет свойства окислителя, уменьшая степень окисления водорода от +2 до 0.

б) H2SO3 + 2H2S ↔ 3S↓ + 3H2O.
Уравнения ионно-молекулярного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

2S2- + SO32- + 6H+ ↔ 3S0 + 3H2O 

Молекулярная форма:

H2SO3 + 2H2S ↔ 3S↓+ 3H2O.

Таким образом, сернистая кислота проявляет свойства восстановителя, увеличивая свою степень окисления серы от -2 до 0.

в) H2SO3 + I2 ↔ SO3 + 2HI
Уравнения ионно-молекулярного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

SO32- + I20 ↔ SO3 + 2I–

Молекулярная форма:

H2SO3 + I2 ↔ SO3 + 2HI.

Таким образом, сернистая кислота проявляет свойства восстановителя, увеличивая степень окисления серы от +4 до +6. 

Тиосульфат натрия

Задача 864. 
Через 100 мл 0,2 н. раствора NаОН пропустили 448 мл SO2 (условия нормальные). Какая соль образовалась? Найти ее массу.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

2NaOH + SO2 ↔ Na2SO3 + H2O

Находим количество NaOH и SO2:

Из уравнения реакции вытекает, что из 2 молей NaOH и 1 моля SO2 образуются 1 моль  Na2SO3, значит , NaOH взято в недостатке, поэтому расчет массы Na2SO3 производим по количеству NaOH. Исходя из этих рассуждений в результате реакции из 0,02 моль NaOH образовалось 0,01 моль Na2SO3.
Рассчитаем массу  Na2SO3, учитывая, что М( Na2SO3) равна  126 г/моль, получим:

m( Na2SO3) = M( Na2SO3) . n( Na2SO3) = 126 .0,01 = 1,26 г.

Ответ: m( Na2SO3) = 126 г.

Тетратионовая кислота

Написать уравнения реакций взаимодействия тиосульфата натрия: а) с хлором (при его недостатке и при его избытке); б) с йодом.
Решение:
а) Взаимодействие тиосульфата натрия с хлором (при его недостатке):

Na2S2O3 + 2Cl2 + H2O ↔ 2NaCl + 2SO2↑ + 2HCl

Уравнения ионно-молекулярного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

S2O32- + 2Cl20 + H2O ↔ 2SO2↑ + 4Cl–+ 2H+

Молекулярная форма:

Na2S2O3 + 2Cl2 + H2O ↔ 2NaCl + 2SO2↑ + 2HCl

В данной реакции тиосульфат натрия выступает в роли восстановителя, увеличивая степень окисления одного атома серы от -2 до +4. 

б) Взаимодействие тиосульфата натрия с хлором (при его избытке):
Na2S2O3 + 4Cl2 + 5H2O ↔ + 2H2SO4 + 2NaCl + 6HCl

Уравнения ионно-молекулярного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

S2O32- + 4Cl20 + 5H2O ↔ 2SO42- + 8Cl- + 10H+

Молекулярная форма:

Na2S2O3 + 4Cl2 + 5H2O ↔ + 2H2SO4 + 2NaCl + 6HCl

В данной реакции тиосульфат натрия выступает в роли восстановителя, увеличивая степень окисления одного атома серы от 0 до +4, другого – от +4 до +6.

в) Под действием слабого окислителя тиосульфат натрия окисляется до соли тетратионовой кислоты H2S4O6.
Взаимодействие тиосульфата натрия с йодом:
2Na2S2O3 + I2 ↔ Na2S4O6 + 2NaI

Уравнения ионно-молекулярного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

2S2O32- + I20 ↔ S4O62- + 2I– 

Молекулярная форма:

2Na2S2O3 + I2 ↔ Na2S4O6 + 2NaI

В данной реакции тиосульфат натрия выступает в роли восстановителя, увеличивая степень окисления одного атома серы от 0 до +4. 

Под действием слабого окислителя йода тиосульфат натрия окисляется до соли тетратионовой кислоты H2S4O6.