IV. NGUYÊN TỐ S, Se, Te
b.Các loại phản ứng của H2SO4 đặc
H2SO4 cho ba loại phản ứng dựa trên ba tính chất sau đây:
- Tính oxi hĩa:
Tính oxi hĩa của H2SO4 do anion SO42-
SO42- + 4H+ + 2e → H2SO3 + H2O E0 = 0,17 V
Phần lớn các kim loại đều tan trong H2SO4 đặc, nĩng (trừ kim loại qúi như Au, Pt) vì H2SO4 là chất ơxi hĩa mạnh. Trong trường hợp này sản phẩm là SO2 (sản phẩm khử của SO42-)
2H2SO4 + Cu → CuSO4 + SO2 + 2H2O
Phản ứng này đơi khi được dùng để điều chế SO2 trong phịng thí nghiệm.
Cĩ nhiều trường hợp H2SO4 được dùng làm chất ơxi hĩa, thì sản phẩm khử của nĩ khơng phải là một mà nhiều hơn, trong đĩ cĩ sản phẩm chiếm ưu thế tùy thuộc vào nồng độ và nhiệt độ của phản ứng. Axit càng đặc và càng nĩng thì tính oxi hĩa càng
2H2SO4 + Zn → ZnSO4 + SO2 + 2H2O
4H2SO4 + 3Zn → 3ZnSO4 + S + 4H2O
5H2SO4 + 4Zn → 4ZnSO4 + H2S + 4H2O
Fe, Al, Cr, Ni bị thụ động hĩa trong H2SO4 đặc(trên 75%), nên người ta dùng những bồn chứa bằng sắt để đựng H2SO4 đặc
H2SO4 đặc oxi hĩa được các anion Br-, I-, S2- nên người ta khơng dùng nĩ để điều chế HBr, HI hoặc làm khơ khí H2S.
- Tính háo nước:
H2SO4 đặc rất háo nước, nĩ hấp thụ mạnh nước, nên nĩ được dùng làm khơ nhiều chất rắn, chất lỏng, chất khí khơng tác dụng với nĩ. Nĩ lấy cả nước của chất hữu cơ, đặc biệt là loại cacbon hidrat C.(H2O)n như là xenlulozơ, đường
Hidro và cacbon trong cacbon hidrat cĩ tỉ lệ giống như trong nước. Axit sunfuric chiếm lấy H và O từ cacbon hidrat, hidro và oxi tạo thành nước, cịn cacbon thốt ra dưới dạng than cĩ màu đen:
nH2SO4 + C.(H2O)n → nH2SO4. H2O + C
Ví dụ C12H22O11 + 11H2SO4 → 11H2SO4. H2O + 12C
HCOOH + H2SO4 → H2SO4. H2O + CO
- Tính khĩ bay hơi:
Là một axit mạnh và khĩ bay hơi vì cĩ nhiệt độ sơi cao, nên nĩ được dùng để đẩy các axit cĩ nhiệt độ sơi thấp hơn nĩ ra khỏi muối của chúng và ngay cả muối của axit mạnh hơn nĩ như HF, HCl, HNO3 và HClO4
CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF
NaCl + H2SO4 → NaHSO4 + HCl
KNO3 + H2SO4 → KHSO4 + HNO3
KClO4 + H2SO4 → KHSO4 + HClO4
c. Điều chế và ứng dụng
Cĩ hai phương pháp điều chế H2SO4 trong cơng nghiệp (chỉ cĩ cơng nghiệp mới điều chế H2SO4)
- Phương pháp phịng chì: (cịn gọi là phương pháp tháp)
Đây là phương pháp cổ điển (ra đời 1758). Người ta oxi hĩa SO2 bằng O2 với sự hiện diện của hỗn hợp khí NO và NO2 làm chất xúc tác trong những phịng cĩ vách bằng chì và cho hợp nước đồng thời. Cơ chế xúc tác được giải thích như sau
2SO2 + O2 + H2O + NO + NO2 2NOHSO4
2NOHSO4 + 2H2O 2H2SO4 + NO + NO2
Quá trình phản ứng khơng cho trực tiếp SO3 hay H2SO4 mà cho sản phẩm trung gian là nitrozil hidrosunfat. Phương pháp này chỉ cho được axit sunfuric cĩ nồng độ từ 75 - 78% và cĩ lẫn tạp chất.
-Phương pháp tiếp xúc
Đây là phương pháp hiện đại (ra đời 1831). Người ta dùng oxi, oxi hĩa SO2 thành
SO3. Như đã biết, đây là phản ứng thuận nghịch và phát nhiệt. Theo nguyên lí Le Chatelier, cân bằng càng chuyển dịch về phía tạo thành SO3 ở nhiệt độ thấp, nhưng nhiệt độ khơng thể hạ thấp quá một giới hạn được, vì ở nhiệt độ thấp, tốc độ phản ứng chậm. Do đĩ phải cần chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng. Các khí tác dụng với nhau tiếp xúc trên bề mặt chất xúc tác (Pt, V2O5, Fe2O3, CuO) vì thế mà được gọi là phương pháp tiếp xúc. Hỗn hợp khí SO2 và O2 dùng trong phương pháp này phải được lọc thật sạch, vì nếu cĩ một lượng nhỏ tạp chất, đặc biệt là hợp chất của asen như As2O3 sẽ làm cho chất xúc tác mất hiệu lực, ta nĩi chất xúc tác bị ngộ độc. Sau đĩ thay vì cho SO3 tan vào nước để được H2SO4, thì ta cho SO3 tan vào dung dịch H2SO4 98% vì thực nghiệm cho thấy SO3 được hấp thụ mạnh hơn và êm diệu hơn trong H2SO4 98%. Sản phẩm thu được là oleum, tức là axit sunfuric bốc khĩi cĩ cơng thức H2SO4.nSO3, thực chất thì đây là hỗn hợp của một loạt các axit polisunfuric: H2S2O7, H2S3O10, ..., H2Sn+1O3n+4.
Muốn được H2SO4 nguyên chất hoặc lỗng hơn thì ta pha lỗng oleum. Phương pháp này cho phép điều chế axit sunfuric rất tinh khiết và cĩ nồng độ bất kỳ.
- Ứng dụng
H2SO4 là hĩa chất cơ bản trong cơng nghiệp hĩa chất, nĩ cĩ nhiều ứng dụng nhất và cĩ số lượng tiêu thụ lớn nhất. Phần lớn axit sunfuric được dùng để sản xuất các loại phân bĩn hĩa học như phân supephotphat Ca(H2PO4)2, phân amoni sunfat, dùng trong tinh chế dầu mỏ, trong các ngành tổng hợp hữu cơ như thuốc nổ, thuốc nhuộm, dược phẩm và làm chất điện li trong acquy chì. Nĩ cũng được dùng để điều chế các axit khác như HCl, HNO3, H3PO4, ...