浓硫酸(Concentrated sulfuric acid),分子式为H2SO4,俗称“坏水”,是具有强腐蚀性的强矿物酸(质量比不低于70%的硫酸水溶液),与硝酸、高氯酸、盐酸、氢溴酸、氢碘酸并称六大无机强酸,与硝酸、高氯酸并称为无机三大含氧强酸。
- 中文名
- 浓硫酸
- 外文名
- Concentrated sulfuric acid
- 别 名
- 坏水
- 化学式
- H2SO4
- 分子量
- 98.086
- CAS登录号
- 7664-93-9
- EINECS登录号
- 231-639-5
- 熔 点
- 10 ℃
- 沸 点
- 337 ℃
- 水溶性
- 混溶于水
- 密 度
- 1.84 g/cm³(质量分数98.3%)
- 外 观
- 无色、无味、透明且黏稠的气液体
- 应 用
- 氧化剂、电解液、催化剂、冶金、化肥生产、化工原料
- 安全性描述
- S1/2、S26、S30、S45
- 危险性符号
- C,N
- 危险性描述
- R21、R35、R68/21/22
- UN危险货物编号
- 1830(>51%)、2796(≤51%)
- CN危险货物编号
- 81007
- 特 性
- 脱水性,难挥发性,酸性等
- 本 质
- 质量分数大于或等于70%的硫酸水溶液
- MDL号
- MFCD00064589
- RTECS号
- WS5600000
- BRN号
- 2037554
- PubChem号
- 24873388
历史
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西方早期
经过多番的改良后,这个方法在工业上已被采用了将近两个世纪。 由John Roebuck创造的这个生产硫酸的方法能制造出浓度为65%的硫酸,后来,法国化学家约瑟夫·路易·盖-吕萨克以及英国化学家John Glover将其改良,使其能制造出浓度高达78%的硫酸,可是这浓度仍不能满足一些工业上的用途。
中国早期
西方中期
在18世纪初,硫酸的生产都依赖以下的方法:黄铁矿(FeS2)被燃烧成硫酸亚铁(FeSO4),然后再被燃烧,变为能在480 °C下分解成氧化铁以及能用以制造任何浓度硫酸的三氧化硫的硫酸铁(Fe2(SO4)3)。可惜,此过程的庞大成本阻碍了浓硫酸的广泛运用。
近代时期
我国硫酸工业起步于19世纪60年代,多采用古老的塔式法和铅室法生产,江南制造局是我国最早的铅室法硫酸厂;1870年,徐寿父子开始仿效研究铅室法制硫酸;1889年(光绪15年),汉阳兵工厂成立,1909年10月硫酸装置竣工;民办最大的硫酸厂于1929年建成、总厂于天津河东的得利三酸厂 [6]。
理化性质
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物理性质
纯硫酸是一种无色无味油状液体。常用的浓硫酸中H2SO4的质量分数为98.3%,其密度为1.84 g·cm-3。
序号 | 名称 | 单位 | 数据 |
01 | ℃ | 10 | |
02 | ℃ | 337 | |
03 | 相对密度(ρ水 = 1) | — | 1.84 |
04 | 相对蒸气密度(ρ空气= 1) | — | 3.4 |
05 | ℃ | 650.85 | |
06 | bar | 6.4 | |
07 | m³/kmol | 0.177 | |
08 | kJ/mol | 10.71 | |
09 | 临界压缩因子 | — | 0.147 |
10 | Pitzer偏心因子 | — | 0.907 |
11 | D | 2.725 | |
12 | 饱和蒸汽压(145.8 ℃) | kPa | 0.13 |
13 | kJ/mol | -690.003 | |
14 | kJ/mol | -813.989 | |
15 | kJ·kmol-1·K-1 | 156.904 | |
16 | 25 ℃、100 kPa下的摩尔定压热容 | kJ·kmol-1·K-1 | 138.91 |
17 | kJ/mol | 19.6 | |
18 | 电导率(18 ℃) | S/m | 8.5×10-3 |
19 | 标准API重度 | ° | -54.3114 |
20 | 标准液体体积 | m3/kmol | 0.0536 |
21 | 25 ℃下无限稀释的液相生成热 | kJ/mol | -909.27 |
22 | 60 ℉下的相对密度 | — | 1.83317 |
注:1 bar = 100 kPa = 0.1 MPa = 0.9869 atm = 1.02 kg/cm2,摄氏度 = (华氏度-32)×5/9,05~22的数据源于Aspen Plus V14物性数据库.
(1)稀释
硫酸是一种高沸点难挥发的强酸,浓硫酸与水可以任何比例混合,浓硫酸密度比水大得多,直接将水加入浓硫酸会使水浮在浓硫酸表面,大量放热而使酸液沸腾溅出,易造成事故。
(2)吸水性
(3)难挥发性
2NaCl(固) + H2SO4(浓) → Na2SO4 + 2HCl↑
Na2SO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + SO2↑
化学性质
(1)强腐蚀性
浓硫酸具有很强的腐蚀性,若实验时是不小心溅到皮肤或衣服上,应立即用大量水冲洗,不仅能减少浓硫酸在皮肤上停留的时间,还能在第一时间稀释浓硫酸,减少其对人体的伤害,并且就算其溶于水会有热量放出,但是大量事实证明,冲洗时流水会带走热量,产生的热对人体几乎无影响(切记不可用布擦,因为浓硫酸有强脱水性,接触皮肤后会使之炭化,用布擦就会擦掉皮肤组织),再涂上3%~5%的碳酸氢钠溶液(切不可用氢氧化钠等强碱),严重者应立即就医。
(2)脱水性
脱水性是浓硫酸的性质,而非稀硫酸的性质,即浓硫酸有脱水性且脱水性很强。
(3)强氧化性
浓硫酸由于还原剂的量,种类的不同可能被还原为SO2,S或H2S。 [1]
例如,还原剂过量时,HBr,H2S和HI分别将浓硫酸还原为不同物质。 [1]
还原剂量不同时,产物也可能有所不同。 [1]
(4)酸性
酸性位列二元酸之首的硫酸,在水溶液中分完全解离和非完全解离(两步)电离,硫酸氢根相当于中强电解质 [4]。
H2SO4 → H+ + HSO4-
HSO4- ⇌ H+ + SO42- Ka = 0.01
2H2SO4 ⇌ H3SO4+ + HSO4- K283K = 1.7×10-4 mol2⁄kg2
2H2SO4 ⇌ H3O+ + HS2O7- K283K = 3.5×10-5 mol2⁄kg2
H2SO4 + H2O ⇌ H3O+ + HSO4- K283K = 1 mol⁄kg
H2SO4 + H2S2O7 ⇌ H3SO4+ + HS2O7- K283K = 7.0×10-2 mol⁄kg
注:为克服由瑞典物理学家斯万特·奥古斯特·阿伦尼乌斯(Svante August Arrhenius,1859-1927)于1884年提出的经典酸碱理论的不足(仅限于水溶液),Franklin于1905年提出酸碱溶剂理论,将酸碱概念扩至非水溶液,其内容为在特定溶剂中,凡能解离产生阳离子者为酸,产生阴离子者为碱。
(5)构型
(6)其他
(副反应有
等)
注:338℃的沸腾96%浓硫酸中,铂腐蚀速率0.4 mm/年以上;金的腐蚀速率则不超过0.04 mm/年。
Se + 2H2SO4 (浓、热) → H2SeO3 + 2SO2↑ + H2O
As4 + 6H2SO4 (浓、热) → 2As2O3 + 6SO2↑ + 6H2O
Ge + 4H2SO4 (浓、热) → Ge(SO4)2 + 2SO2↑ + 4H2O
Sn + 4H2SO4 (浓、热) → Sn(SO4)2 + 2SO2↑ + 4H2O
H2S + H2SO4(浓) → S↓ + SO2 + 2H2O
8HI + H2SO4(浓) → 4I2↓ + H2S + 2H2O
浓硫酸与浓硝酸的混合
分子结构数据
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计算化学数据
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毒理学数据
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生产
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铅室法
铅室法是早期的硫酸工业化生产方法(硝化法),以硫或含硫矿石(如硫铁矿FeS2)为原料。首先,在焚烧炉中燃烧生成二氧化硫;其次,在氮氧化物的催化下,二氧化硫被氧化为硫酸;最后,经蒸发浓缩在铅皿内可获得78 wt%的硫酸(否则硫酸浓度仅为65 wt%),如需提高浓度,需在铂制或瓷器制皿中进行 [5]。
NO + 0.5O2 → NO2
SO2 + nH2O → SO2·nH2O
SO2·nH2O + NO2 → H2SO4·NO + (n-1)H2O
H2SO4·NO → H2SO4 + NO
4SO2 + 4NO2 + O2 + 2H2O → 4HO-SO2ONO
2H2SO4·NO + NO2 → 2HO-SO2ONO + NO + H2O
3SO2 + 2HNO3(g) + 2H2O(l) → 3H2SO4(l) + 2NO↑
2HO-SO2ONO + H2O → H2SO4 + NO↑ + NO2↑
2HO-SO2ONO + SO2 + 2H2O → 2H2SO4·NO + H2SO4
HO-SO2ONO + HNO3 → H2SO4 + 2NO2 or N2O4
2NO2 ⇋ N2O4
2HO-SO2ONO + SO2 + 2H2O → H2SO4 + 2SO5NH3
SO5NH3 → H2SO4 + NO
接触法
目前,工业化生产硫酸大多采用接触法,以黄铁矿、硫磺、冶铁厂的烟道气为原料。首先,黄铁矿或硫磺在空气中焙烧生成SO2;其次,SO2在催化剂五氧化二钒(V2O5)的作用下(450 ℃左右)转化为SO3;然后,以98.3 wt%的浓硫酸吸收SO3可获得含SO3过量20%的发烟硫酸;最后,以92.5 wt%的硫酸稀释发烟硫酸,即可获得98.3 wt%的商品级浓硫酸。
4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2↑
S + O2 → SO2↑
SO2 + 0.5O2 → SO3
SO3 + H2O → H2SO4
湿硫酸法
应用
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(1)生产磷酸、肥料:93%硫酸可用于制造磷酸,硫酸被用于制造硫酸钙,氟化氢以及磷酸,而磷酸又可用于制造磷肥。
Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 10H2O → 5CaSO4·2H2O + HF↑ + 3H3PO4
Al2O3 + H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2O
H2SO4 + C6H6 → C6H5-SO3H + H2O
Pb + SO42- ⇌ PbSO4 + 2e-
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- → PbSO4 + 2H2O
Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4↓ + 2H2O
市场
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价格
2023年上半年,全球经济增速放缓,中国经济正在恢复,硫酸下游市场表现不佳,上游行情持续低迷,硫酸价格偏弱运行 [7]。
产量
2023年上半年全国硫酸总产量为5284.2吨,同比增长0.9%,由于春耕用肥的支撑,硫酸产量在3月份出现最高点;随着春耕结束,二季度的硫酸产量出现持续性减少,二季度产量比一季度下降6.4% [7]。
进口
2023年上半年我国硫酸进口量上升,进口价格下降,据海关统计,2023年上半年我国进口硫酸17.5万吨,同比增加2.6万吨,增幅为17.4%,剔除高价酸的平均进口价格为18.8美元/吨,同比下降97.3美元/吨,降幅达83.8% [7]。
我国进口硫酸主要来自韩国,上半年从韩国进口的硫酸量占总进口量的91.3%,同比下降1.9百分点;其次是日本,进口量占总进口量的4.4%。
出口
2023年上半年,我国硫酸出口量受到世界经济复苏乏力、国际市场需求严重不足等影响大幅度下滑。据海关统计,2023年上半年我国出口硫酸103.2万吨,较2022年同期减少126.0万吨,降幅为55.0%;平均出口价格为16.7美元/吨,较2022年同期下降113.1美元/吨,降幅为87.2% [7]。
稀硫酸
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区别
① 硫酸的浓稀概念有一个大概的标准:最高的发烟硫酸密度约为2 g/cm3,含游离的SO3约60%。一般地,密度为1.61 g/mL的硫酸称为浓硫酸(浓度70%以上),折合SO3含量达82%,浓度为18 mol/L;
② 而中等浓度的是指密度介于1.5 g/cm3~1.8 g/cm3之间,浓度分别介于9.2 mol/L~16 mol/L;
③ 而稀硫酸是指密度在1.5 g/mL以下,浓度在9.2 mol/L以下。
鉴别
(01)称重法
浓硫酸比稀硫酸密度大(98%的浓硫酸密度为1.84 g/mL),故在相同的体积下,较重者为浓硫酸。
(02)粘度法
浓硫酸是粘稠的液体,而稀硫酸则接近于水的粘度,所以将试剂瓶拿起摇动几下,就可看出哪个是浓硫酸,液体较满时可取少许于试管中振荡。但是在没有对照时不推荐使用。
(03)沸点法
(04)稀释法
将浓硫酸沿着器壁慢慢注入水里,并不断搅拌(切不可将水注入浓硫酸),稀释时放出大量热的是浓硫酸。
(05)铁铝法
分别取少许于试管中,加入铁丝或铝片,无现象的是浓硫酸,有气泡出现的是稀硫酸。因为浓硫酸在常温时可使铁、铝等金属表面快速氧化生成一种致密的氧化膜而发生“钝化”,但是如果在硫酸溶液中加入少量氯离子则会催化氧化膜的分解,一种说法是氯离子与氧化膜形成络合物,还有一种说法是认为氯离子半径小于氧化物分子间间隔,氯离子能进入氧化膜内部,继续参与反应。
(06)铜碳法
(07)胆矾法
分别用玻璃棒蘸取两种酸在纸或木材或棉布上画痕,一段时间后,表面脱水炭化变黑的是浓硫酸。
(09)蔗糖法
(10)露置法
在试管中加入少许工业用盐,然后分别加入酸,产生刺激性气体和红色气体的是浓硫酸,工业盐溶解无刺激性气体产生的是稀硫酸。刺激性气体主要是二氧化氮和二氧化硫。
(12)电导法
取两个碳棒作电极,插入酸中,电路中串联上小灯泡,用两节干电池构成闭合回路,小灯泡发光且较亮的是稀硫酸,因为浓硫酸中水较少,绝大部分硫酸分子没有电离,故自由移动的离子很少,导电性较差。但浓硫酸与碳能发生反应,所以应使用钽等惰性金属丝作电极。(注:浓硫酸因为自偶电离产生自由移动的离子而有较弱导电性,即
)
(13)氯化钠法
在两只试管中加入少许氯化钠(NaCl),然后分别加入酸,产生刺激性气味气体的是浓硫酸,氯化钠溶解无刺激性气味气体产生的是稀硫酸,原因是氯化钠与浓硫酸反应生成硫酸钠(Na2SO4)和有刺激性气味的气体氯化氢(HCl)。
安全与防护
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硫酸具有极高的腐蚀性,特别是高浓度硫酸,对环境有危害,对水体和土壤可造成污染,还可助燃,具强腐蚀性、强刺激性,侵入途径包括吸入、食入等,可致人体灼伤及皮肉碳化。
高浓度的硫酸不光为强酸性,也具有强烈去水及氧化性质:除与肉体里的蛋白质及脂肪发生水解反应并造成严重化学性烧伤之外,它还会与碳水化合物发生高放热性去水反应并将其碳化,造成二级火焰性灼伤,对眼睛及皮肉造成极大伤害。
对皮肤、粘膜等组织有强烈的刺激和腐蚀作用。蒸气或雾可引起结膜炎、结膜水肿、角膜混浊,以致失明;引起呼吸道刺激,重者发生呼吸困难和肺水肿;高浓度引起喉痉挛或声门水肿而窒息死亡。口服后引起消化道烧伤以致溃疡形成;严重者可能有胃穿孔、腹膜炎、肾损害、休克等。皮肤灼伤轻者出现红斑、重者形成溃疡,愈后癍痕收缩影响功能。溅入眼内可造成灼伤,甚至角膜穿孔、全眼炎以至失明。慢性影响包括牙齿酸蚀症、慢性支气管炎、肺气肿和肺硬化。
管制
泄露
迅速撤离泄漏污染区人员至安全区,并进行隔离,严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器,穿防酸碱工作服。不要直接接触泄漏物。尽可能切断泄漏源。防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。
大量泄漏:构筑围堤或挖坑收容。用泵转移至槽车或专用收集器内,回收或运至废物处理场所处置。
操作
密闭操作,注意通风。操作尽可能机械化、自动化。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴自吸过滤式防毒面具(全面罩),穿橡胶耐酸碱服,戴橡胶耐酸碱手套。远离火种、热源,工作场所严禁吸烟。远离易燃、可燃物。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与还原剂、碱类、碱金属接触。搬运时要轻装轻卸,防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。稀释或制备溶液时,应把酸加入水中,避免沸腾和飞溅。
储存
运输
本品铁路运输时限使用钢制企业自备罐车装运,装运前需报有关部门批准。铁路非罐装运输时应严格按照铁道部《危险货物运输规则》中的危险货物配装表进行配装。起运时包装要完整,装载应稳妥。运输过程中要确保容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏。严禁与易燃物或可燃物、还原剂、碱类、碱金属、食用化学品等混装混运。运输时运输车辆应配备泄漏应急处理设备。运输途中应防曝晒、雨淋,防高温。公路运输时要按规定路线行驶,勿在居民区和人口稠密区停留。
应急
标准法规
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(03)化学试剂 硫酸 GB/T 625-2007(代替GB/T 625-1989);
(20)锡-铋合金镀层及电镀锡-铋合金溶液分析方法 第7部分:电位滴定法测定硫酸含量 HB 20056.7-2011;
生产事故
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(1)2005年青岛东方化工股份有限公司硫酸储罐破裂事故
2005年10月15日,位于山东青岛的东方化工股份有限公司发生了一起硫酸储罐破裂事故。
事故起因是该公司在缺少设计和施工资质的情况下自行设计和制造硫酸储罐,并在施工过程中存在违规操作,导致一个1750 m³的硫酸储罐在正常使用过程中突然发生上下贯穿性破裂,罐内2800多吨硫酸泄漏,事故造成6名职工死亡,13人受轻伤 [9]。
(2)2006年天津宜坤精细化工科技开发有限公司爆炸事故