Разработка урока химии «Окислительные свойства серной кислоты»; 9 класс

Общее описание

Серная кислота (H2SO4) обладает характерными свойствами кислот и является сильным окислителем. Это наиболее активная неорганическая кислота с температурой плавления 10°C. Кислота закипает при 296°C с выделением воды и оксида серы SO3. Способна поглощать пары воды, поэтому её используют для осушения газов.

Рис. 1. Серная кислота.

Серную кислоту получают промышленным путём из диоксида серы (SO2), который образуется при горении серы или серного колчедана. Два основных способа образования кислоты:

• контактный (концентрация 94 %) – окисление диоксида серы до трёхокиси серы (SO3) с последующим гидролизом:
  2SO2 + O2 → 2SO3; SO3 + H2O → H2SO4;
• нитрозный (концентрация 75 %) – окисление диоксидом азота диоксида серы при взаимодействии воды:
  SO2 + NO2 + H2O → H2SO4 + NO.

Раствор SO3 в серной кислоте называется олеумом. Его также используют для получения серной кислоты.

Рис. 2. Процесс получения серной кислоты.

Реакция с водой способствует выделению большого количества тепла. Поэтому к воде примешивают кислоту, а не наоборот. Вода легче кислоты, она остаётся на поверхности. Если добавить воду в кислоту, вода мгновенно закипит, что приведёт к разбрызгиванию кислоты.

Свойства

Серная кислота образует два вида солей:

• кислые – гидросульфаты (NaHSO4, KHSO4);
• средние – сульфаты (BaSO4, CaSO4).

Химические свойства концентрированной серной кислоты представлены в таблице.

Рис. 3. Реакция с сахаром.

Разбавленная кислота не окисляет малоактивные металлы, стоящие в электрохимическом ряду после водорода. При взаимодействии с активными металлами (литием, калием, натрием, магнием) выделяется водород и образуется соль. Концентрированная кислота проявляет окислительные свойства с тяжёлыми, щелочными и щелочноземельными металлами при нагревании. Отсутствует реакция с золотом и платиной.

Серная кислота (разведённая и концентрированная) на холоде не взаимодействует с железом, хромом, алюминием, титаном, никелем. Благодаря пассивации металлов (образования защитной оксидной плёнки) серную кислоту можно перевозить в металлических цистернах. Оксид железа разрушается при нагревании.

Кислородсодержащие соединения серы (VI)

Химические свойства концентрированной серной кислоты. Выделяют две особенности этой кислоты:

• чрезвычайная гигроскопичность, т. е. способность к присоединению воды;
• сильные окислительные свойства, обусловленные высокоокисленным атомом серы (+6) в составе молекулы.

При проведении опытов с концентрированными кислотами (серной, азотной, хлороводородной, фосфорной и др.) надо строго соблюдать правила техники безопасности:

1. Проводить опыты в вытяжном шкафу химического кабинета. 2. Проводить опыты с небольшим количеством реактивов в тонкостенной чистой посуде. 3. Иметь наготове нейтрализующие вещества. 4. Надевать защитные очки, предотвращающие попадание брызг кислоты в глаза. Наблюдать реакции в некотором удалении от глаз. 5. Не оставлять химическую посуду грязной. 6. Привести после окончания опытов рабочее место в порядок, обработать поверхность стола, куда могли попасть капли кислоты, нейтрализующими растворами и водой, протереть насухо.

1. Концентрированная серная кислота — сильный окислитель. Она окисляет простые вещества (неметаллы, металлы) и сложные.

а) Окисление неметаллов. Уголь и сера окисляются серной кислотой до их диоксидов:

б) Окисление сложных веществ:

в) Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами. В отличие от разбавленной серной кислоты концентрированная кислота окисляет почти все металлы, стоящие в ряду активности до водорода, за исключением алюминия, железа, хрома и никеля, которые под ее воздействием покрываются твердой нерастворимой оксидной пленкой (это свойство используется для хранения и перевозки безводной серной кислоты в стальных баллонах). Взаимодействуя с активными металлами (Na, К, Са), сера восстанавливается до атомов в степени окисления -2.

С металлами средней активности сера восстанавливается до атомов в степени окисления +4 и 0.

Концентрированная серная кислота реагирует и с малоактивными металлами, стоящими в ряду активности после водорода (медь, серебро, ртуть). С платиной и золотом она не реагирует. Реакции идут при нагревании.

Убедимся в реальности протекания одной из таких реакций и ее условий.

Демонстрационный опыт.
Реакция концентрированной серной кислоты с медью.
1. В демонстрационную пробирку положим несколько кусочков медной стружки или медной проволоки и прильем концентрированной серной кислоты. Изменений не наблюдается.

2. На край пробирки поместим влажную лакмусовую бумажку. Пробирку осторожно нагреем. Выделяется сернистый газ (его определяют по запаху или покраснению смоченной водой лакмусовой бумажки), раствор в пробирке приобретает голубую окраску, образуется сульфат меди, идет окислительно-восстановительная реакция окисления меди кислотой.

Этот процесс включает в себя две реакции: окислительно-восстановительную и обменную реакцию солеобразования, идущую без изменения степеней окисления.

2. Концентрированная серная кислота активно взаимодействует с водой, образуя гидраты:

H2SO4 + nН2O = H2SO4 • nН2O + Q

Это свойство широко используется в лаборатории и промышленности для осушки газов и для обезвоживания некоторых веществ.

Серная кислота настолько жадно присоединяет к себе воду, что даже способна отнимать от веществ элементы, входящие в состав воды (водород и кислород), например из органических веществ, состоящих из элементов углерода, водорода и кислорода, — сахара, клетчатки, крахмала и др. Убедимся в этом на опытах.

Демонстрационные опыты.

1. Обугливание лучины и бумаги, а) Опустим лучину в концентрированную серную кислоту. Она почернела. Ополоснем ее в воде. Рассмотрим лучину: на ее поверхности образовался уголь

— она обуглилась. б) Положим лист белой бумаги на кафельную плитку. Лучину опустим в раствор серной кислоты (1:5) и затем напишем на листе бумаги формулу серной кислоты. Осторожно нагреем лист над пламенем спиртовки. Кислота становится более концентрированной и обугливает бумагу, на которой отчетливо проявляется надпись: H2SO4.

2. Обугливание сахара. В небольшой химический стакан поместим около 10 г растертого в порошок сахара (сахарной пудры). К нем)7 по стеклянной палочке осторожно прильем около 5 мл концентрированной серной кислоты и быстро перемешаем до образования густой кашицы, оставив палочку посередине стакана. Происходит реакция, сахар обугливается (при этом уголь частично превращается в углекислый газ за счет восстановления серной кислоты до сернистого газа). Выделяющиеся газы (СO2, SO2) вспучивают остальную массу углерода, которая выходит из стаканчика (рис. 23). С помощью стеклянной палочки эту пористую углеродную массу можно вынуть в виде «эскимо»:

С12Н22O11 + H2SO4 → 12С + H2SO4 • 11Н2O

Промышленное значение и применение серной кислоты. Серная кислота — важнейший продукт химической промышленности. В промышленно развитых странах производство серной кислоты занимает первое место среди других химических производств. По производству и использованию серной кислоты судят о развитии промышленности в целом и о химической промышленности в частности. Серная кислота применяется практически во всех областях народного хозяйства и относится к стратегическим видам продуктов производства.

Серную кислоту расходуют в огромных количествах (более 50 % всей получаемой кислоты) для производства минеральных удобрений (суперфосфата, сульфата аммония и др.). Ее используют для получения других кислот (соляной, уксусной, плавиковой, фосфорной и др.) из их солей. Много серной кислоты идет на очистку нефтепродуктов от вредных примесей. Серная кислота необходима при производстве взрывчатых веществ, пластмасс, искусственных волокон, красителей. Ее применяют в машиностроении для очистки поверхности металлов перед их электродным покрытием другими металлами (никелирование, хромирование, цинкование). Серную кислоту используют в аккумуляторах, применяемых в транспортных средствах.

Широкое применение находят и соли серной кислоты. Сульфаты аммония и калия используются в качестве удобрений; сульфат натрия — в медицине (в качестве слабительного средства), в производстве соды и стекла. Сульфат кальция (в виде кристаллогидратов: гипса, алебастра и др.) широко применяется в строительном деле и в медицине; купоросы (железный и медный) применяют для борьбы с вредителями растений при опрыскивании, сульфат цинка — для производства минеральных красок и в медицине. Сложно перечислить все области применения серной кислоты и ее солей. Незаменимы они и в химических лабораториях для научных исследований и обучения.

Основные понятия

Оксид серы (VI) • Свойства серной кислоты • Качественная реакция на сульфат-ион • Сульфаты • Серная кислота

Вопросы и задания

1. Дайте характеристику строения и свойств оксида серы (VI).

2. Охарактеризуйте серную кислоту как электролит, запишите уравнения диссоциации серной кислоты и раскройте их суть.

3. Опишите физические свойства и окислительные способности концентрированной серной кислоты. Дайте им научное обоснование. Составьте уравнения реакций концентрированной серной кислоты с магнием и ртутью и схемы их электронного баланса. Почему в этих реакциях образуются разные продукты?

4. При взаимодействии раствора серной кислоты массой 32 г с избытком раствора нитрата бария выделился нерастворимый в воде и кислотах осадок массой 11,4 г. Определите массовую долю серной кислоты в исходном растворе.

5. Чему равен объем (л), который занимает 8,0 г оксида серы(IV) при н. у.: 1) 2,8; 2) 5,6; 3) 11,2; 4) 22,4?

6. В газовой смеси, состоящей из оксида серы (IV) и кислорода с относительной плотностью смеси по водороду (dH2), равной 24, часть оксида серы (IV) прореагировала и образовалась газовая смесь с dH2 на 25% больше, чем плотность исходной смеси. Рассчитайте состав равновесной смеси в объемных процентах.

7. Что можно сказать о гигроскопичности концентрированной серной кислоты и какие меры предосторожности следует соблюдать при разведении ее водой? Предложите рисунки, загадки, рассказ, отражающие это явление.

8. Составьте кроссворд по теме «Кислородные соединения серы».