microbik.ru
1
Районная научно — практическая конференция учащихся и педагогов

Тема:

Серная кислота

Предмет «Химия»

Номинация «Практико - ориентированный проект»

Автор: Окшина Татьяна учащаяся 8 класса

МОУ «Рыбкинская средняя общеобразовательная школа»

Руководители: Козина Мария Ивановна учитель химии

Окшина Людмила Алексеевна учитель информатики.

Тема: Серная кислота

Цель: Почему серная кислота занимает главенствующую роль среди кислот? Задачи:

  1. Узнать история серной кислоты.

  2. Рассмотреть свойства кислоты.

  3. Серная кислота и вода: их взаимодействие.

  4. Естественные производители серной кислоты.

  5. Получение серной кислоты человеком.

Самой первой кислотой, которую научился получать и использовать человек, была, видимо, уксусная.

С серной кислотой люди познакомились значительно позднее, примерно в 10 в. Честь ее открытия приписывается персидскому химику Абубекеру-але-Рези. Но это установлено не совсем точно. По крайней мере серную кислоту человек знает около 1000 лет. В сочинениях Альберта Великого (1193 - 1280) содержится упоминание о получении серной кислоты нагреванием железного купороса (отсюда и название - купоросный спирт) и квасцов, а также нагреванием серы с селитрой.

Гораздо раньше люди научились использовать ее соли. В красильном производстве еще издавна применялись квасцы- вещества, состоящие из сульфата алюминия. Без предварительной обработки ткани в растворе квасцов многие красители вообще не впитывались тканью, как, например, вода не впитывается куском жира. Квасцы были дорогими, ввозились в Европу из Африки. Потому химики исследовали их состав, чтобы попытаться получить их искусственно. При исследовании квасцов удалось выделить квасцовый спирт - так назвали тогда серную кислоту. Позднее ее выделили и из купоросов, например из железного купороса, и соответственно назвали «купоросным маслом». Именно серная кислота была известна в России. В России «купоросное масло» (серную кислоту) в небольших количествах получали в аптеках, первая из которых была основана в 1581 г. в царствование Ивана Грозного.

В природе серная кислота в свободном состоянии не встречается, так как она химически активна, легко реагирует со многими металлами, неметаллами, оксидами, гидроксидами, солями. Поэтому месторождение серной кислоты на Земле не обнаружено. Но «естественные заводы» по ее производству, оказывается, есть. Это установила в 30-е годы экспедиция крупнейшего советского геохимика А.Е. Ферсмана, обнаружив в центре огромной пустыни Каракумы многочисленные холмы, состоящие из смеси песка и серы, геологи набрали большое количество образцов серы. Как и положено в таких случаях, образцы завернули в бумагу, снабдили этикеткам, упаковали в ящики и, окончив экспедицию, отправили в Ленинград. Когда же по прибытии стали распаковывать образцы, многие этикетки оказались чем-то изъедены, ящики местами прожжены, а из некоторых кусков серы капала маслянистая жидкость. Анализ жидкости показал, что это серная кислота.

Серная кислота известна, пожалуй, наибольшему числу людей. Современные автомобили и мотоциклы снабжены кислотными аккумуляторами, и их владельцам нередко приходится готовить электролит из аккумуляторной кислоты. Это и есть концентрированный (92-96%-ный) раствор серной кислоты.

При обычных условиях чистая H2S04- маслообразная, тяжелая жидкость (q=l830 кг/м3) без запаха и цвета. Кипеть она начинает лишь при 280° С, затвердевает при 10,4 0 С, образуя кристаллы, похожие на лед.

Большая вязкость и высокая температура кипения указывает на то, что молекулы серной кислоты сильно ассоциированы. Действительно, из структурных исследований следует, что в кристаллическом состоянии H2SO4 слоистую структуру, причем каждая ее молекула соединена с четырьмя соседними молекулами прочными водородными связями, образуя единый пространственный каркас. У жидкой H2S04 структура почти такая же, как у твердой, только целостной пространственного каркаса нарушена, и его можно представить как коллектив микрокристалликов, постоянно меняющих свои очертания.

Несмотря на некоторые различия серной кислоты и воды, у них наблюдается удивительная «привязанность» друг к другу. Смешиваются они в любых соотношениях, и не просто смешиваются, а вступают в химическое взаимодействие, образуя пять гидратов с общей формулой: H2S04 * nH20, где n = 1; 2; 3; 4; 6. При этом выделяется теплота, причем так много, что смесь может даже вскипеть.

Относительно смешивания серной кислоты с водой у химиков с давних пор существует строгое правило: «сначала вода, потом кислота, иначе произойдет ужасное» Проще говоря, при смешивании нужно вливать кислоту в воду, а не наоборот. Причем лить кислоту нужно тонкой струей, осторожно перемешивая раствор легким вращательным движение сосуда. Понятно, что сосуд должен быть тонкостенным из специального химического стекла. Толстостенная бытовая стеклянная посуда здесь не годится, так как может лопнуть из-за резкого перепада температур при нагревании. В момент смешивания хорошо видно, как тяжелая струя кислоты опускается на дно сосуда и, попадает под слой воды, постепенно реагирует с ней. Нагревает раствор.

Если же химик по неопытности начнет вливать воду в кислоту, то первой порции воды, оставшись наверху (вода легче кислоты в два раза) и взаимодействует с кислотой, разогреваются так сильно, что вскипают и разбрызгивают вместе с кислотой, а значит, попадают в глаза, на лицо и костюм такого химика.

Большое пристрастие серной кислоты к воде выражается и в том, что она жадно отнимает воду у органических веществ, причем не только целыми молекулами, но и частями, т. е. в одном месте она «отщипывает» атом Н, в другом - группу ОН. И если кислота взята в достаточном количестве, она может «общипать» органическое вещество так, что останется лишь углеродный скелет. Вещество при этом обугливается.

Обугливание древесины хорошо демонстрирует также известный занимательный опыт, в которой пипеткой с концентрированной серной кислотой делают какую-нибудь надпись на свежеоструганной деревянной доске. Бесцветная вначале надпись становится через несколько секунд черной, как сажа.

При энергичном взаимодействии серной кислоты с водой выделяется такое количество теплоты, которое вполне хватает, чтобы разорвать почти все молекулы кислоты на ионы. Поэтому в разбавленных водных растворов серная кислота диссоциирована практически полностью и считается сильным электролитом.

Кстати, из-за такой высокой энергии гидратации сульфат - иона почти все соли серной кислоты хорошо растворимы в воде. Исключение составляют сульфаты свинца, кальция, стронция и бария, причем они нерастворимы ни в воде, ни в большинстве кислот. Химики учли это обстоятельство и разработали надежную качественную реакцию на сульфат - ионы. Если последние присутствуют в растворе, то при давлении любой растворимой соли бария образуется характерный белый осадок BaS04, нерастворимый ни в кислотах, ни в щелочах.

Высокая химическая инертность сульфата бария широко используется химиками при синтезах некоторых нестойких соединений. Например, известный пергидроль (30%- ный раствор пероксида водорода) получают обменной реакцией в водном растворе:

| Ва02 + H2S04 = BaS04 + Н202

При этом сульфат бария практически полностью выпадает в осадок, а в растворе остается чистый пероксид водорода.

Свое главенствующее положение серная кислота сохранила и по сей день.

Разгадка пришла довольно скоро. Оказалось, что найденные серные холмы - не что иное, как естественные производители серной кислоты. В условиях жаркой пустыни сера довольно легко окисляется в оксид серы (IV), а за тем в оксид серы (VI) под действием атомного кислорода, образуется при интенсивной солнечной реакции. Катализатором, как выяснилось, служат оксиды металлов, содержащие в песке. Хотя подобные «заводы» работали тысячи лет, озер из чистой серной кислоты найти не удалось. Реагируя с почвой, кислота превращается в сульфат, которые затем грунтовыми водами выносятся в моря.

Несколько позднее выяснилось, что серная кислота производятся не только серными холмами, но и атмосферой за счет окисления поступающего в нее сернистого газа. Сейчас этого газа в атмосферу поступает все больше и больше. На сегодняшний день он стал главным загрязнителем окружающей среды. Если раньше основными его поставщиками были вулканы, то сейчас, кроме них, промышленность всего мира выбрасывает в воздух примерно 140 - 150 млн. т сернистого газа в год. Это вдвое больше, чем его расходуется на промышленное производство серной кислоты.

В атмосфере большая часть сернистого газа окисляется озоном в серную кислоту, которая тут же возвращается на землю в виде кислотных дождей.

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу - диоксиды серы S02 и оксида азота NOx.

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу бывают главным образом вулканы и лесные пожары (примерно 20 млн. тонн в год). Впервые кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в частности в Скандинавии, и Северной Америке в 50-х гг. В настоящее время эта проблема существует во всем индустриальном мире и приобрела особое значение в связи с возросшими технологиями выбросами оксида серы и азота.

В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америке и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т. серы в год в виде кислотных осадков.

В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и суммы выпадений оксидов азота (до 750 кг/км2в год) на значительные по площади ареалах (несколько тысяч км2) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах - в Северо - Западном, Центральном, Центрально- Черноземном, Уральском и некоторых других экономических районах.

Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую среду. В первую очередь их отрицательному воздействию подвергаются водоемы, почва и растительность.

Первыми жертвами кислотных дождей стали озера и реки. В Швеции кислотные дожди привели к резкому снижению продуктивности 2500 озер. В Норвегии повышенная кислотность привела к исчезновению рыбы в 1750 озерах (из 5000). В Канаде в провинции Онтарио от закисления пострадало 20% озер, а в провинции Квебек - до 60 % озер.

При повышении кислотности воды (еще до критического порога выживания водной биоты, например, для моллюсков такой порог равен 6, для окуней - 4,5) в водоемах быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидрооксида алюминия природных пород с кислотой:

А1(ОН)з+ ЗН+= А13+ ЗН20

Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/ л) в водоемах смертельна для рыб. Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов - кадмия, свинца и других, которые прежде входили в состав нерастворимых в воде соединений и не представляли угрозы живым организмам. Вследствие подкисления почвы, следует отметить нарушение питания растений, разрушение их корневой системы.

Почвенные подкисления считается одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны Северного полушария. Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оценивается в 118 млн м древесины в год (из них около 35 млн м на европейской территории России). Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации и фотосинтеза за счет разрушения хлорофилла.

Воздействие кислотообразующих газов и кислотных осадков подвергаются органические материалы - кожа, бумага, ткани. Известняк, мел, мрамор, туф, содержащие карбонат кальция, под действием кислотных дождей разрушаются: СаСОз + H2S04 = CaS04+C02 + Н20

Под угрозой полного разрушения в результате действия кислотных осадков находится более 50 тыс. скульптур скального «Города Будд» под Юньанем в Китае, построенного 15 веков назад.

Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксиды серы, особенно опасно для пожилых людей, страдающих сердечно- сосудистыми и легочными заболеваниями, в тяжелых случаях может возникнуть отек легких. Вредно это и для здоровых людей, поскольку диоксиды серы и сульфатные частицы обладают канцерогенным действием. Многочисленные исследования показали увеличение числа людей с заболеваниями дыхательных путей в районах, воздух которых загрязнен диоксидом азота. Попадая в дыхательные пути, он взаимодействует с гемоглобином крови, затрудняя перенос кислорода к органам и тканям, вызывает респираторные, астматические и сердечные заболевания.

Начало 6 в. Буддийские пещерные храмы Китая расположены в трудно доступных горах, изрезанных многочисленными нишами, вырубленными порой без единого и четкого плана, монастыри украшали скульптурные изображения будды и рельефы, расписанные красками. Самый древний пещерный буддийский монастырь — Юньган (Храм Заоблачных Высот). Почти на 2 км тянется скала высотой 60 м, в которой на различной высоте находится свыше 20 пещер.

Промышленное производство серной кислоты впервые было организовано в Англии в 1740 г: смесь серы и селитры сжигались в ковше, подвешенном в стеклянном баллоне, куда предварительно было залито небольшое количество воды. Позже возник башенный способ производства серной кислоты. Долгое время он был основным промышленным способом получения этого ценного для практики продукта. Лишь в конце XIX века был создан другой промышленный способ производства серной кислоты - контактный, впоследствии вытеснивший башенный. Первое промышленное производство серной кислоты контактным способом было создано на Тентелевском химическом заводе в Петербурге в 1903г.

Широкое применение серная кислота находит в различных областях промышленности: в производстве минеральных удобрений (простой и двойной суперфосфат, преципитат, сульфат аммония и др.), многочисленных солей, при переработке руд редких металлов, для очистки поверхностей металлов в цехах гальванических покрытий, для обнаружения трещин при прокате стали в металлургии и т.д.

Вывод: при работе над этим проектом я просмотрела книги и журналы по химии, из которых узнала много интересного про серную кислоту.

  1. Про нее узнали одной из первых;

  2. Она обладает интересными физическими и химическими свойствами;

  3. Широко применяется на практике.

Поэтому я думаю серная кислота не зря занимает главенствующую роль среди остальных кислот. И про все ее свойства очень хорошо и интересно рассказано в сказке.

Сказка.

Приключения серной кислоты.

В одном химическом королевстве жила волшебница, звали ее Серной кислотой. С виду она была не так уж и плоха: бесцветная жидкость, вязкая как масло, без запаха. Серная кислота хотела бы быть знаменитой и поэтому решила отправиться в путешествие.

Она шла уже пять часов, а так как день был слишком жаркий, ей очень захотелось пить. И вдруг она увидела колодец.

«Вода!» - воскликнула Кислота и, подбежав к колодцу, прикоснулась к воде. Вода страшно зашипела. С криком испуганная Кислота бросилась прочь. Конечно же, молодая Кислота не знала, что при смешивании серной кислоты с водой выделяется большое количество теплоты.

«Если вода соприкасается с серной кислотой, то вода, не успев смешаться с кислотой, может закипеть и выбросить брызги серной кислоты». Эта запись появилась в дневнике молодой путешественницы, а затем вошла в учебники.

Так как Кислота не утолила жажду, то, увидев раскидистое дерево, решила прилечь и отдохнуть в тени. Но это у нее не получилась. Как только Серная Кислота дотронулась

до дерева, оно стало обугливаться. Не зная причины этого, испуганная Кислота убежала прочь.

Вскоре она пришла в город и решила зайти в первый попавшийся на ее пути магазин. Им оказался ювелирный. Подойдя к витринам, кислота увидела множество прекрасных колец. Серная кислота решила померить одно колечко. Попросив у продавца золотое кольцо, она надела его на свой длинный, красивый палец. Кислоте очень понравилось кольцо и она решила его купить. Вот чем могла похвастаться перед своими друзьями.

Выйдя из города, Кислота отправилась домой. В пути ее не оставляла мысль, почему же вода и дерево вели себя так странно при соприкосновении с ней, а с этой золотой вещицей ничего не произошло? «Да потому, что золото в серной кислоте не окисляется». Это были последние слова, записанные Кислотой в своем дневнике.

Задания для контроля знаний.

Анализируя рисунок, ответьте на вопросы:

  1. Как отразится на биоценозе водоема воздействие кислотных дождей, образовавшихся с участием SCb, выпавших на почву?

  2. Каким образом могут быть устранены изменения, происшедшие в водоеме под воздействием попавшего туда S02?

  3. С давних пор для стерилизации питьевой воды использовали кипячение, а древние греки добавляли в воду сухое вино, что создавало кислую среду, в которой погибали многие болезнетворные микробы. Могут ли эти методы быть эффективны при использовании питьевой воды из указанных на рисунке источников? Ответ поясните.

  4. Вы - директор предприятия, изображенного на рисунке. Экспертами - экологами были обнаружены отклонения от нормы состава воды из ближайшего озера и установлена причина: большие выбросы SCb вашим предприятием. Что вы предпримите:

    1. закроете предприятие;

Б) усовершенствуете очистные сооружения;

    1. займетесь очисткой воды в озере?

Обоснуйте выбранный вами вариант.

Литература.

      1. Журнал «Химия в школе» №6 1991 г

      2. Журнал «Химия в школе» №8 2001 г

      3. Книга для чтения по неорганической химии. Составитель: В.А.Крицман.

      4. Л.С. Гузей. Химия. Учебник для 8 класса.

      5. Л.С. Гузей. Химия. Учебник для 9 класса.