- Серная кислота, H₂SO₄, – сильная едкая минеральная кислота и самое производимое химическое вещество в мире (около 250–270 млн тонн в год).
- Её получают контактным методом: сера или металлургические газы → SO₂ → SO₃ на ванадиевом катализаторе → абсорбция в концентрированной кислоте.
- Больше половины серной кислоты идёт на производство фосфорных удобрений; остальное – в химическую промышленность, металлургию, производство аккумуляторов, целлюлозно-бумажную отрасль и водоподготовку.
- Олеум (дымящая серная кислота) – это раствор триоксида серы SO₃ в концентрированной серной кислоте.
- При разбавлении всегда вливают кислоту в воду, а не наоборот; концентрированная кислота вызывает тяжёлые ожоги (H314).
Коротко: серная кислота с формулой H₂SO₄ – сильная едкая минеральная кислота, бесцветная маслянистая жидкость тяжелее воды (плотность концентрированной кислоты около 1,84 г/см³). Её называют «королевой химикатов», потому что ни одного другого вещества промышленность не производит больше. Её получают контактным методом из серы или металлургических газов. Больше половины продукции идёт на фосфорные удобрения, а остальное используют химическая промышленность, металлургия, нефтепереработка, целлюлозно-бумажная отрасль, производство аккумуляторов и водоподготовка. Олеум (дымящая серная кислота) – это раствор SO₃ в концентрированной кислоте. Концентрированная кислота сильно обезвоживает, вызывает тяжёлые ожоги, а при разбавлении выделяет много тепла – поэтому кислоту всегда вливают в воду.
Что такое серная кислота?
Серная кислота (англ. sulfuric acid) – неорганическая кислородсодержащая кислота серы с формулой H₂SO₄. Сера в ней имеет степень окисления +6 – этим она отличается от сернистой кислоты (H₂SO₃), в которой степень окисления серы +4. Раньше её называли купоросным маслом, потому что получали прокаливанием сульфатов железа и меди, известных как купоросы.
Серную кислоту называют «королевой химикатов», а объём её потребления иногда считают показателем промышленного развития страны. В мире её производят около 250–270 млн тонн в год – больше, чем любого другого химического вещества.
В природе серная кислота встречается редко и в небольших концентрациях: она образуется в атмосфере из диоксида серы (кислотные дожди), в вулканических газах и при окислении сульфидных минералов, например пирита. Вся кислота, используемая в промышленности, производится синтетически.
Какими свойствами обладает серная кислота?
Концентрированная серная кислота – бесцветная или слегка желтоватая маслянистая жидкость без запаха. Основные параметры:
| Параметр | Серная кислота |
|---|---|
| Химическая формула | H₂SO₄ |
| Молярная масса | 98,08 г/моль |
| Номер CAS | 7664-93-9 |
| Плотность (около 98%) | около 1,84 г/см³ |
| Температура плавления (100%) | около 10°C |
| Температура кипения (98,3%) | около 337°C |
| Сила кислоты | сильная двухосновная кислота (pKa₁ около –3, pKa₂ около 1,99) |
| Типичные товарные концентрации | 94–98% (концентрированная), 37% (аккумуляторный электролит), разбавленные растворы, олеум |
Серная кислота сильно гигроскопична и обладает водоотнимающим действием – поглощает влагу из воздуха и отнимает воду у других соединений. Поэтому концентрированная кислота обугливает сахар, бумагу, древесину и хлопчатобумажные ткани. Горячая концентрированная кислота действует также как окислитель и растворяет медь с выделением диоксида серы. Разбавленная кислота реагирует со многими металлами (например, с железом, цинком) с выделением водорода, а концентрированная пассивирует железо, благодаря чему её можно хранить в стальных ёмкостях.
Смешивание серной кислоты с водой сопровождается выделением очень большого количества тепла. Если влить воду в концентрированную кислоту, она может резко вскипеть и разбрызгать едкую жидкость. Поэтому действует правило «сначала вода, потом кислота»: всегда вливайте кислоту в воду, медленно и при перемешивании.
Что такое олеум (дымящая серная кислота)?
Дымящая серная кислота, или олеум, – это раствор триоксида серы (SO₃) в концентрированной серной кислоте. Её состав описывают содержанием свободного SO₃ – в продаже обычно встречается олеум 20%, 25%, 30% или 65%. Упрощённая формула – H₂SO₄·xSO₃, а при эквимолярном составе образуется пиросерная (дисерная) кислота H₂S₂O₇.
Название связано с тем, что олеум на влажном воздухе выделяет белый дым – пары SO₃ реагируют с водяным паром, образуя туман серной кислоты. Олеум – полупродукт контактного метода, а в промышленности его применяют для сульфирования и нитрования органических соединений, в том числе при производстве моющих средств, красителей, лекарств и взрывчатых веществ. Он ещё более едкий и реакционноспособный, чем концентрированная серная кислота.
Как производят серную кислоту?
Почти всю серную кислоту получают контактным методом, который состоит из трёх стадий:
- Получение SO₂ – сжигание серы (часто извлекаемой при переработке нефти и природного газа) или использование диоксида серы из металлургических газов, образующихся при выплавке меди, цинка и свинца.
- Окисление SO₂ до SO₃ – на катализаторе из оксида ванадия(V) (V₂O₅) при температуре около 400–600°C.
- Абсорбция SO₃ – триоксид серы поглощают концентрированной (98–99%) серной кислотой, а не водой, потому что с водой он образовал бы трудноулавливаемый кислотный туман. Получается олеум или кислота более высокой концентрации, которую разбавляют до нужного значения.
Современные установки работают по схеме двойного контактирования и двойной абсорбции, что позволяет превратить более 99,7% SO₂ и сократить выбросы. Тепло реакции используют для выработки пара и электроэнергии. Применяется также мокрый процесс (WSA), в котором кислоту получают из газов, содержащих сероводород или SO₂, например на нефтеперерабатывающих заводах. Исторический камерный (нитрозный) метод давал кислоту более низкой концентрации и сегодня не применяется.
В Польше серную кислоту производят, в частности, медеплавильные заводы KGHM (из металлургических газов) и химические предприятия Grupa Azoty, которые используют её для производства удобрений.
Для чего используется серная кислота?
Серная кислота – сырьё почти для каждой отрасли промышленности. Основные области применения:
- удобрения – больше половины мирового производства идёт на разложение фосфоритов и получение фосфорной кислоты, суперфосфатов и фосфатов аммония, а также на производство сульфата аммония; подробнее о фосфорной кислоте читайте в статье Фосфорная кислота как регулятор кислотности и универсальное средство для промышленности,
- химическая промышленность – производство сульфатов (например, алюминия, железа, меди, натрия), фтороводородной кислоты, диоксида титана, вискозных волокон, красителей и лекарств; о некоторых сульфатах мы пишем в статьях о сульфате меди и сульфате кальция,
- моющие средства – сульфирование при производстве анионных ПАВ, таких как LAS и SLES (см.: поверхностно-активные вещества),
- металлургия – выщелачивание медных, цинковых и урановых руд, травление стали (удаление ржавчины и окалины), электрорафинирование и гальваника,
- аккумуляторы – разбавленная серная кислота (около 30–37%) служит электролитом в свинцово-кислотных аккумуляторах,
- нефтепереработка – катализатор алкилирования при производстве высокооктановых компонентов бензина и средство для очистки нефтепродуктов,
- целлюлозно-бумажная промышленность – регулирование pH и производство диоксида хлора для отбеливания,
- водоподготовка и очистка сточных вод – снижение pH воды, производство коагулянтов, например сульфата алюминия, регенерация ионообменников,
- сельское хозяйство – подкисление щелочных почв и поливной воды, а также подкисление навозной жижи для снижения выбросов аммиака.
Применяется ли серная кислота в пищевой промышленности?
Да, но в ограниченном объёме и, как правило, как технологическое вспомогательное средство, а не как типичная добавка, присутствующая в готовом продукте. В международной системе обозначений серная кислота имеет номер E513. Её применяют, в частности:
- для регулирования pH технологической воды и растворов на пищевых предприятиях,
- при производстве модифицированного крахмала (крахмал, гидролизованный кислотой) и сиропов,
- в сахарной промышленности и при производстве дрожжей,
- для регенерации ионитов и очистки оборудования.
Для таких целей используют пищевую серную кислоту, то есть кислоту с чистотой, соответствующей требованиям для пищевых продуктов, – с низким содержанием тяжёлых металлов, мышьяка и других примесей. Техническую серную кислоту нельзя применять в производстве пищевых продуктов.
Можно ли чистить серной кислотой?
Концентрированная серная кислота входит в состав сильных средств для прочистки труб – она разлагает волосы, жир, бумагу и другие органические загрязнения. В промышленности её используют для травления и очистки металлических поверхностей, а также для удаления накипи и отложений из оборудования.
В быту серная кислота, однако, не подходит в качестве чистящего средства. Она очень едкая, выделяет тепло при контакте с водой, разрушает многие материалы (в том числе ткани, древесину, часть пластиков, бетон и металлы) и может бурно реагировать с другими средствами, например с отбеливателями на основе гипохлорита, высвобождая токсичный хлор. Для удаления накипи безопаснее использовать лимонную кислоту или сульфаминовую (амидосерную) кислоту, которая является твёрдым веществом, менее агрессивна и популярна в средствах от накипи.
Устойчивы к серной кислоте полиэтилен, полипропилен и PTFE, поэтому её хранят в ёмкостях и канистрах из этих пластиков или в стальных ёмкостях (концентрированную кислоту).
Чем серная кислота отличается от сернистой и сероводородной?
Сера образует несколько кислот со схожими названиями, которые легко перепутать:
| Кислота | Формула | Характеристика | Применение |
|---|---|---|---|
| Серная кислота | H₂SO₄ | сильная устойчивая кислородсодержащая кислота с сильным водоотнимающим действием | удобрения, химия, металлургия, аккумуляторы |
| Сернистая кислота | H₂SO₃ | слабая неустойчивая кислота – раствор SO₂ в воде; легко разлагается и окисляется | отбеливание, консервирование (сульфиты), дезинфекция |
| Сероводородная кислота | H₂S (водный раствор) | очень слабая бескислородная кислота с запахом тухлых яиц; сероводород сильно токсичен | химический анализ, производство серы и сульфидов |
| Сульфаминовая (амидосерная) кислота | H₃NSO₃ | твёрдая кристаллическая кислота, удобная в хранении | средства от накипи, очистка оборудования |
| Тиосерная кислота | H₂S₂O₃ | неустойчива; применяются её соли – тиосульфаты | фотография, аналитика, дехлорирование воды |
Среди минеральных кислот серную чаще всего сравнивают с соляной – о ней мы пишем в статье Соляная кислота – применение в пищевой и фармацевтической промышленности.
Опасна ли серная кислота?
Да. Концентрированная серная кислота классифицируется как вещество, вызывающее серьёзные ожоги кожи и повреждения глаз (H314), и может вызывать коррозию металлов (H290). Опасности:
- кожа и глаза – глубокие химические и термические ожоги (из-за теплоты обезвоживания), при попадании в глаза – риск потери зрения,
- дыхательные пути – туман и пары кислоты раздражают нос, горло и лёгкие; туманы сильных неорганических кислот, содержащие серную кислоту, признаны канцерогенными для человека при профессиональном воздействии,
- проглатывание – тяжёлые ожоги пищевода и желудка, угроза жизни,
- реакции – бурные реакции с водой, щелочами, металлами (водород), органическими веществами и окислителями.
При работе с кислотой необходимо использовать кислотостойкие перчатки (например, из бутилкаучука или неопрена), очки или защитный щиток для лица, защитную одежду и обеспечить хорошую вентиляцию. После попадания на кожу или в глаза их нужно немедленно промывать большим количеством воды не менее 15 минут, снять загрязнённую одежду и вызвать медицинскую помощь.
Серная кислота также является прекурсором взрывчатых веществ, на который распространяются правила ЕС, – о подозрительных сделках, исчезновениях и кражах этого вещества необходимо сообщать в соответствующие службы.
Что означают пиктограмма GHS05 и другие знаки опасности на этикетках химических веществ, мы объясняем в статье Химические пиктограммы – что это такое и что они означают?.
Как нейтрализовать и утилизировать серную кислоту?
Пролитую серную кислоту нейтрализуют веществами со щелочной реакцией:
- карбонатом или гидрокарбонатом натрия (кальцинированная сода, пищевая сода) – реакция мягкая, но выделяются CO₂ и пена,
- известью (гидроксидом или карбонатом кальция) – образуется гипс, то есть сульфат кальция,
- гидроксидом натрия – эффективным, но сильно экзотермичным; его применяют главным образом в контролируемых условиях на предприятиях, о чём мы пишем в статье Что такое гидроксид натрия и где он применяется?
Крупные разливы сначала засыпают инертным сорбентом (песок, диатомит), а нейтрализующее средство добавляют постепенно, контролируя pH. Нельзя сливать серную кислоту в канализацию или на почву. Отработанная кислота и растворы после нейтрализации являются опасными отходами – их передают компании, имеющей разрешение на их приём. Отработанные аккумуляторы сдают в пункты сбора, где электролит регенерируют или нейтрализуют.
Как купить серную кислоту для компании?
При закупке серной кислоты для промышленности стоит определить:
- концентрацию – чаще всего 94–98% (концентрированная), разбавленные растворы или олеум,
- класс чистоты – техническая, аккумуляторная, пищевая или аналитическая,
- упаковку – канистры, бочки, контейнеры IBC 1000 л или поставки автоцистернами,
- транспортировку – серную кислоту перевозят как опасный груз класса 8 (UN 1830, а растворы до 51% – как UN 2796),
- документацию – паспорт безопасности, сертификат качества и спецификацию.
Серную кислоту продают в основном компаниям; в связи с правилами о прекурсорах взрывчатых веществ продавец может запросить информацию о её назначении. Foodcom поставляет серную кислоту различных концентраций и в разной упаковке, а также другие промышленные химикаты, в том числе гидроксид натрия. По вопросам спецификаций, цен и наличия свяжитесь с нашим отделом продаж.
