Концентрована сульфатна кислота: взаємодія з магнієм, цинком і міддю

Сульфатна кислота H₂SO₄ — сильна двоосновна кислота, одна з найважливіших хімічних речовин у промисловості. У цьому розділі ти ознайомишся з її концентрованою формою, фізичними властивостями та правилами безпечної роботи.

Фізичні властивості концентрованої H₂SO₄

Концентрована сульфатна кислота — це безбарвна, важка, олієподібна рідина. Її масова частка в промислових зразках становить близько 96–98 %. Густина такої кислоти приблизно дорівнює 1,84 г/см³ — майже вдвічі більша за густину води. Кислота нелетка, тому її пари майже відсутні за кімнатної температури. Вона змішується з водою в будь-яких співвідношеннях, і цей процес супроводжується виділенням великої кількості теплоти (екзотермічна реакція).

Правило розведення: кислоту — у воду

Через сильне нагрівання під час змішування концентрованої сульфатної кислоти з водою існує суворе правило безпеки: кислоту тонким струменем вливають у воду, постійно перемішуючи, — але не навпаки. Якщо лити воду в концентровану кислоту, вода, маючи меншу густину, залишається на поверхні, миттєво закипає й розбризкує кислоту. Це може призвести до тяжких опіків і руйнування посуду.

Запам'ятай: спочатку вода, потім кислота тонкою цівкою. Ніколи не навпаки!

Водовідбірна дія

Концентрована сульфатна кислота має сильну водовідбірну (гігроскопічну) здатність. Вона активно поглинає вологу з повітря, тому її використовують для осушування газів. Ще важливіше те, що вона відбирає хімічно зв'язану воду від органічних речовин. Наприклад, якщо додати концентровану H₂SO₄ до цукру (сахарози), відбувається обвуглення:

$${\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{22}{\mathrm{O}}_{11}\stackrel{{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{конц}.)}{\to }12C+11{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Так само обвуглюються папір, деревина, тканини. Це не розчинення, а хімічна реакція, під час якої вуглевод (сахароза, целюлоза) втрачає елементи води й залишається чорний вуглець.

Безпека під час роботи

Концентрована сульфатна кислота спричиняє тяжкі хімічні опіки шкіри та слизових оболонок. Якщо кислота потрапила на шкіру, необхідно негайно змити її великою кількістю проточної води. Працювати з концентрованою кислотою слід у хімічних рукавичках і захисних окулярах, у витяжній шафі.

Розведена сульфатна кислота — це водний розчин H₂SO₄ з невеликою масовою часткою (зазвичай до 10–15 %). У водному розчині вона дисоціює на катіони Гідрогену та сульфат-аніони: H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻. Завдяки наявності H⁺ вона виявляє всі загальні властивості кислот.

Загальні властивості розведеної H₂SO₄

Як і інші кислоти, розведена сульфатна кислота реагує з основними оксидами (наприклад, CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O), основами (H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O) та солями. Особливо важливою є якісна реакція на сульфат-іони:

$$\mathrm{BaC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4\to \mathrm{BaS}{\mathrm{O}}_4\downarrow +2HCl$$

Білий дрібнокристалічний осад барій сульфату BaSO₄ не розчиняється ні у воді, ні в кислотах — це надійний спосіб виявити сульфат-іони в розчині.

Взаємодія з металами: окисник — H⁺

У розведеній сульфатній кислоті окисником є катіон Гідрогену H⁺. Він приймає електрони й відновлюється до молекулярного водню:

$$2{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2^0$$

Тому з металами, що стоять у ряду активності лівіше від Гідрогену, розведена кислота реагує з виділенням водню. Сульфур при цьому залишається зі ступенем окиснення +6 у складі сульфат-іону — він не відновлюється.

Приклади реакцій:

• Mg + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂↑ — магній активно реагує вже за кімнатної температури

• Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑ — цинк реагує повільніше, але теж із виділенням водню

• Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑ — залізо реагує, утворюючи ферум(II) сульфат

Метали, які не реагують із розведеною кислотою

Метали, що стоять у ряду активності правіше від Гідрогену (Cu, Ag, Hg, Au, Pt), не можуть відновити H⁺ до H₂, тому з розведеною сульфатною кислотою не реагують. Це важливий момент: мідь не розчиняється в розведеній H₂SO₄, хоча багато хто помилково вважає навпаки.

Ключова відмінність: у розведеній H₂SO₄ окисник — H⁺, а S⁺⁶ у складі SO₄²⁻ окисником не працює. Тому з металами виділяється водень, а Сульфур не змінює ступінь окиснення.

Коли сульфатна кислота концентрована (понад 60–70 %), її хімічна поведінка кардинально змінюється. Води в ній мало, а в 96–98 % кислоті H₂SO₄ дисоціює лише незначною мірою й перебуває переважно у вигляді молекул. Головне ж те, що окисником тепер стає Сульфур у найвищому ступені окиснення +6.

S⁺⁶ — окисник замість H⁺

У концентрованій сульфатній кислоті окисником є S⁺⁶, який приймає електрони й відновлюється. Водень (H⁺) у цих умовах не виділяється з жодним металом — ні з активним, ні з пасивним. Можливі три продукти відновлення Сульфуру залежно від активності металу та умов:

Взаємодія міді з концентрованою H₂SO₄

Мідь — метал, що стоїть у ряду активності правіше від Гідрогену. З розведеною сульфатною кислотою вона не реагує. Однак концентрована кислота під час нагрівання окиснює мідь:

$$\mathrm{Cu}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{конц}.)\stackrel{\mathrm{t}}{\to }\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4+\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2\uparrow +2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Розберемо електронний баланс:

• Cu⁰ − 2e⁻ → Cu⁺² — мідь окиснюється (відновник)

• S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴ — Сульфур відновлюється (окисник)

Коефіцієнти збігаються: 1 атом Cu віддає 2 електрони, 1 атом S⁺⁶ приймає 2 електрони. Одна молекула H₂SO₄ виконує роль окисника (відновлюється до SO₂), а друга — утворює сіль CuSO₄. Сума коефіцієнтів у рівнянні: 1 + 2 + 1 + 1 + 2 = 7.

Ознаки реакції

SO₂ — безбарвний газ із різким задушливим запахом (нагадує запах запаленого сірника). Якщо після реакції розбавити суміш водою, розчин набуває блакитного забарвлення — це колір аквакомплексу Cu²⁺.

Пасивація заліза й алюмінію

Концентрована сульфатна кислота на холоді пасивує залізо та алюміній: на поверхні металу утворюється щільна оксидна плівка, яка припиняє подальшу реакцію. Саме тому концентровану H₂SO₄ перевозять у сталевих цистернах. Золото й платина з концентрованою сульфатною кислотою не реагують навіть під час нагрівання.

Запам'ятай: концентрована H₂SO₄ — сильний окисник завдяки S⁺⁶. Водень із нею не виділяється ніколи. Мідь реагує лише з концентрованою кислотою, а з розведеною — ні.

Активніші метали — цинк і магній — здатні відновлювати Сульфур із концентрованої сульфатної кислоти глибше, ніж мідь. Продукт відновлення залежить від активності металу, концентрації кислоти та температури. У реальній реакції зазвичай утворюється суміш кількох продуктів, але в завданнях НМТ продукт задає умова.

Цинк із концентрованою H₂SO₄

Цинк може відновлювати Сульфур до трьох різних ступенів. Розглянемо кожен випадок:

1. Відновлення до SO₂ (S⁺⁴):

$$\mathrm{Zn}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{конц}.)\to \mathrm{ZnS}{\mathrm{O}}_4+\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2\uparrow +2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

1. Відновлення до S⁰ (сірка випадає в осад):

$$3Zn+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{конц}.)\to 3ZnS{\mathrm{O}}_4+\mathrm{S}\downarrow +4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

1. Відновлення до H₂S (S⁻²):

$$4Zn+5{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{конц}.)\to 4ZnS{\mathrm{O}}_4+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}\uparrow +4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Зверни увагу на закономірність: що глибше відновлюється Сульфур, то більше електронів він приймає, і тим більше атомів цинку (відновників) потрібно. Відповідно зростає й коефіцієнт перед кислотою.

Магній із концентрованою H₂SO₄

Магній — ще активніший метал, ніж цинк. Він так само може відновлювати Сульфур до SO₂, S або H₂S. Рівняння аналогічні до цинкових, тільки замість ZnSO₄ утворюється MgSO₄. Наприклад, реакція з утворенням сірководню:

$$4Mg+5{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{конц}.)\to 4MgS{\mathrm{O}}_4+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}\uparrow +4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Електронний баланс для цієї реакції:

• Mg⁰ − 2e⁻ → Mg⁺² — магній окиснюється (відновник)

• S⁺⁶ + 8e⁻ → S⁻² — Сульфур відновлюється до H₂S (окисник)

Щоб зрівняти кількість електронів, множимо перший напівпроцес на 4: 4Mg⁰ − 8e⁻ → 4Mg⁺². Тоді 4 атоми Mg віддають 8 електронів, які приймає 1 атом S⁺⁶. Звідси коефіцієнти: 4 перед Mg і MgSO₄, 1 перед H₂S, а перед H₂SO₄ — 5 (4 на утворення солі + 1 на відновлення).

Порівняння з нітратною кислотою

Нітратна кислота HNO₃ і концентрована сульфатна H₂SO₄ — обидві є кислотами-окисниками. Їхня спільна риса: з металами вони не виділяють водень, а відновлюються за рахунок центрального атома (N⁺⁵ або S⁺⁶). Обидві здатні розчиняти мідь. Відмінність: нітратна кислота виявляє окисні властивості за будь-якої концентрації (і розведена, і концентрована), тоді як сульфатна — лише в концентрованому вигляді. Розведена H₂SO₄ — звичайна кислота з окисником H⁺.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему концентрованої сульфатної кислоти. Кожен приклад супроводжується покроковим розв'язанням.

Приклад 1. Продукти реакції міді з концентрованою H₂SO₄

Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Які продукти утворюються під час нагрівання міді з концентрованою сульфатною кислотою?

Розв'язання:

1. Визначаємо концентрацію кислоти: концентрована. Отже, окисник — S⁺⁶, водень не виділяється.

2. Мідь — метал правіше від H₂, але концентрована кислота окиснює її під час нагрівання.

3. Записуємо рівняння: Cu + 2H₂SO₄ (конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

4. Продукти: купрум(II) сульфат, сульфур(IV) оксид і вода.

Відповідь: CuSO₄, SO₂ і H₂O.

Чому інші варіанти неправильні:

• CuSO₄ і H₂ — водень із концентрованою кислотою не виділяється.

• CuO і SO₃ — мідь не окиснюється до оксиду, а утворює сульфат; SO₃ не утворюється, бо S⁺⁶ відновлюється до S⁺⁴, а не лишається +6.

• Реакція не відбувається — помилка: мідь правіше від H₂, але це правило діє лише для розведеної кислоти; концентрована H₂SO₄ реагує з міддю.

Приклад 2. Логічні пари: реагент — газ

Завдання (логічні пари 1–3 → А–Д): Установи відповідність між реагентами та газом, що виділяється.

Розв'язання:

1. 1 — Zn + H₂SO₄ (розв.): розведена кислота, окисник H⁺, виділяється водень H₂. Отже, 1 → А.

2. 2 — Cu + H₂SO₄ (конц., нагрівання): концентрована кислота, окисник S⁺⁶, виділяється SO₂. Отже, 2 → Б.

3. 3 — Cu + HNO₃ (конц.): концентрована нітратна кислота, окисник N⁺⁵, виділяється NO₂ (нітроген(IV) оксид). Отже, 3 → В.

Відповідь: 1А, 2Б, 3В.

Приклад 3. Сума коефіцієнтів

Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Яка сума коефіцієнтів у рівнянні Cu + H₂SO₄ (конц.) → CuSO₄ + SO₂ + H₂O після зрівнювання?

Розв'язання:

1. Записуємо зрівняне рівняння: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

2. Коефіцієнти: 1 (Cu) + 2 (H₂SO₄) + 1 (CuSO₄) + 1 (SO₂) + 2 (H₂O) = 7.

Відповідь: 7.

Чому інші варіанти неправильні:

• 5 — не враховано другу молекулу кислоти (записали Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O без коефіцієнта 2).

• 6 — помилка в кількості молекул води.

• 10 — зайві коефіцієнти, наприклад подвоєння всіх речовин.

Приклад 4. Два твердження

Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Оціни правильність двох тверджень.

I. І розведена, і концентрована сульфатна кислота реагують з цинком.

II. Концентрована сульфатна кислота виділяє з міддю водень.

Розв'язання:

1. Твердження I: правильне. Розведена H₂SO₄ реагує з Zn (Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑). Концентрована H₂SO₄ теж реагує з Zn (наприклад, Zn + 2H₂SO₄ (конц.) → ZnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O).

2. Твердження II: неправильне. Концентрована сульфатна кислота з міддю виділяє SO₂, а не водень. Водень із концентрованою H₂SO₄ не виділяється взагалі.

Відповідь: правильне лише I.

Приклад 5. Коефіцієнт перед H₂SO₄

Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Який коефіцієнт стоїть перед H₂SO₄ у рівнянні 4Zn + …H₂SO₄ (конц.) → 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O?

Розв'язання:

1. Підраховуємо атоми Сульфуру: у 4ZnSO₄ — 4 атоми S, у H₂S — 1 атом S. Усього 5 атомів S у продуктах, отже, перед H₂SO₄ має бути 5.

2. Перевіряємо Гідроген: у 5H₂SO₄ — 10 атомів H, у продуктах: H₂S (2 H) + 4H₂O (8 H) = 10 H. Усе збігається.

3. Перевіряємо Оксиген: у 5H₂SO₄ — 20 атомів O, у продуктах: 4ZnSO₄ (16 O) + 4H₂O (4 O) = 20 O. Збігається.

Відповідь: 5.

Чому інші варіанти неправильні:

• 4 — не враховано Сульфур у H₂S (4 атоми S у ZnSO₄ + 1 у H₂S = 5).

• 8 — подвоєння, не відповідає балансу.

• 9 — довільне число, не підтверджене балансом.

Під час вивчення теми учні часто припускаються однотипних помилок. Розгляньмо найпоширеніші з них.

• Вважати, що концентрована H₂SO₄ з міддю виділяє водень або що мідь з нею не реагує. Насправді концентрована кислота окиснює мідь до Cu²⁺, а сама відновлюється до SO₂. Водень не виділяється, бо окисник — S⁺⁶, а не H⁺.

• Переносити властивості розведеної кислоти на концентровану й навпаки. Розведена H₂SO₄ з міддю не реагує (мідь правіше від H₂), а концентрована — реагує. Розведена з цинком дає H₂, а концентрована — SO₂, S або H₂S.

• Наливати воду в концентровану кислоту. Це грубе порушення техніки безпеки: вода закипає й розбризкує кислоту. Правильно: кислоту тонким струменем у воду.

• Забувати молекулу кислоти, що утворює сіль. У рівнянні Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O без коефіцієнта 2 не збігається кількість атомів Оксигену й Гідрогену. Правильний запис: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

• Плутати продукт відновлення SO₂ з SO₃. SO₃ — ангідрид сульфатної кислоти (S⁺⁶), а SO₂ — сульфур(IV) оксид (S⁺⁴), який утворюється під час відновлення концентрованої H₂SO₄. Також плутають обвуглення цукру з розчиненням: це хімічна реакція дегідратації, а не фізичне розчинення.

• Вважати, що залізо й алюміній розчиняються в холодній концентрованій сульфатній кислоті. Насправді на холоді концентрована H₂SO₄ пасивує ці метали — утворює захисну оксидну плівку, яка припиняє реакцію. Тому кислоту перевозять у сталевих цистернах.

Програма НМТ з хімії (тема 2.1.1) вимагає складати рівняння реакцій концентрованої сульфатної кислоти з магнієм, цинком і міддю та порівнювати властивості нітратної й концентрованої сульфатної кислот.

Форми завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (№ 1–18, 1 бал) — завдання на продукти реакції, газ, що виділяється, коефіцієнт у рівнянні.

• Логічні пари 1–3 → А–Д (№ 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за пару) — установлення відповідності «кислота + метал → газ».

Приклад із демоваріанту

У демоваріанті НМТ-2026 завдання 8 (1 бал) стосувалося складу сплаву за взаємодією з кислотою за рядом активності. Так міркують для кислоти-неокисника (наприклад, хлоридної або розведеної сульфатної). Для концентрованої H₂SO₄ правило ряду активності не діє, тому що окисником є S⁺⁶, а не H⁺.

Стратегія розв'язання

Першим кроком завжди визнач концентрацію кислоти:

• Розведена H₂SO₄ — окисник H⁺, діє ряд активності металів, виділяється водень. Мідь не реагує.

• Концентрована H₂SO₄ — окисник S⁺⁶, водень не виділяється з жодним металом. З міддю утворюється SO₂. З активнішими металами (Mg, Zn) можливі SO₂, S або H₂S — продукт задає умова завдання.

Пам'ятай: концентрована сульфатна кислота — це кислота-окисник, як і нітратна. Водень із нею не виділяється ніколи. Не плутай її з розведеною!

• Розведена H₂SO₄: окисник H⁺, метали лівіше від H₂ дають сульфат і водень, мідь не реагує.

• Концентрована H₂SO₄: окисник S⁺⁶, водень не виділяється з жодним металом.

• Cu + 2H₂SO₄ (конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O — сума коефіцієнтів 7.

• Zn і Mg відновлюють Сульфур до SO₂, S або H₂S залежно від активності металу й умов.

• Кислоту вливають у воду, а не навпаки — через сильне екзотермічне нагрівання.

• Концентрована кислота обвуглює органічні речовини (водовідбірна дія).

• На холоді концентрована H₂SO₄ пасивує Fe і Al, тому її перевозять у сталевих цистернах.