stringtranslate.com

Триоксид серы

Триоксид серы (альтернативное написание триоксид серы , также известный как ниссо сульфан ) представляет собой химическое соединение с формулой SO 3 . Его описывают как «несомненно самый [экономически важный]» оксид серы. [1] Его получают в промышленных масштабах как прекурсор серной кислоты .

Триоксид серы существует в нескольких формах — газообразный мономер, кристаллический тример и твердый полимер. Триоксид серы представляет собой твердое вещество при температуре чуть ниже комнатной с относительно узким диапазоном жидкости. Газообразный SO 3 является основным предшественником кислотных дождей . [6]

Молекулярная структура и связь

Мономер

Молекула SO 3 тригонально -плоская . Как предсказывает теория VSEPR , его структура принадлежит точечной группе D3h . Атом серы имеет степень окисления +6, и ему может быть присвоено формальное значение заряда от 0 (если предполагается, что все три связи сера-кислород являются двойными связями) или до +2 (если предполагается правило октетов). ). [7] Когда формальный заряд отличен от нуля, предполагается, что SO-связь делокализована. В любом случае длины трех связей SO равны друг другу и составляют 1,42 Å. [1] Электрический дипольный момент газообразного триоксида серы равен нулю.

Шаровидная модель циклического тримера SO 3

Тример

Как жидкая, так и газообразная [8] SO 3 существует в равновесии между мономером и циклическим тримером. Природа твердого SO 3 сложна, и известны по меньшей мере три его полиморфные модификации , конверсия между которыми зависит от следов воды. [9]

Абсолютно чистый SO 3 замерзает при 16,8°C с образованием формы γ -SO 3 , которая принимает конфигурацию циклического тримера [S(=O) 2 ( μ -O)] 3 . [10] [1]

Полимер

Ампула триоксида серы


Если SO 3 конденсируется выше 27 °С, то образуется α -SO 3 , температура плавления которого составляет 62,3 °С. α -SO 3 имеет волокнистый вид. Структурно это полимер [S(=O) 2 ( μ -O)] n . Каждый конец полимера имеет на конце ОН-группы. [1] β -SO 3 , как и альфа-форма, является волокнистым, но имеет другую молекулярную массу, состоит из полимера с гидроксильными группами, но плавится при 32,5 °C. И гамма-, и бета-формы метастабильны и в конечном итоге преобразуются в стабильную альфа-форму, если оставить их стоять на достаточное время. Это преобразование вызвано следами воды. [11]

Относительное давление паров твердого SO 3 составляет альфа < бета < гамма при одинаковых температурах, что указывает на их относительную молекулярную массу . Жидкий триоксид серы имеет давление паров, соответствующее гамма-форме. Таким образом, нагрев кристалла α -SO 3 до температуры плавления приводит к внезапному увеличению давления пара, которое может быть достаточно сильным, чтобы разрушить стеклянный сосуд, в котором он нагревается. Этот эффект известен как «альфа-взрыв». [11]

Химические реакции

Триоксид серы вступает во множество реакций. [1]

Гидратация и гидрофторирование

SO 3 представляет собой ангидрид H 2 SO 4 . Таким образом, он подвержен гидратации:

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4  (Δ f H = −200 кДж / моль ) [12]

Газообразный триоксид серы обильно дымит даже в относительно сухой атмосфере вследствие образования тумана серной кислоты. SO 3 агрессивно гигроскопичен . Теплоты гидратации достаточно, чтобы смеси SO 3 и дерева или хлопка могли воспламениться. В таких случаях SO 3 обезвоживает эти углеводы . [11]

Подобно поведению H 2 O, присоединение фтористого водорода дает сернофтористую кислоту :

SO 3 + HF → ФСО 3 H

Деоксигенация

SO 3 реагирует с пятиокисью азота с образованием нитрониевой соли пиросульфата:

2 SO 3 + N 2 O 5 → [NO 2 ] 2 S 2 O 7

окислитель

Триоксид серы является окислителем. Окисляет дихлорид серы до тионилхлорида .

SO 3 + SCl 2 → SOCl 2 + SO 2

кислота Льюиса

SO 3 представляет собой сильную кислоту Льюиса , легко образующую аддукты с основаниями Льюиса. [13] С пиридином образуется комплекс триоксида серы с пиридином . Родственные аддукты образуются из диоксана и триметиламина .

Сульфонирующий агент

Триоксид серы является сильным сульфирующим агентом , т.е. он присоединяет группы SO 3 к субстратам. Часто субстраты являются органическими, как при ароматическом сульфировании . [14] Для активированных субстратов аддукты основания Льюиса с триоксидом серы являются эффективными сульфирующими агентами. [15]

Подготовка

Прямое окисление диоксида серы до триоксида серы на воздухе протекает очень медленно:

SO 2 + 1 ⁄ 2 O 2 → SO 3  (Δ H = −198,4 кДж/моль)

Промышленный

В промышленности SO 3 производится контактным способом . Диоксид серы получают путем сжигания серы или железного пирита (сульфидной руды железа). После очистки электростатическим осаждением SO 2 затем окисляется кислородом воздуха при температуре от 400 до 600°C над катализатором. Типичный катализатор состоит из пятиокиси ванадия (V 2 O 5 ), активированной оксидом калия K 2 O на кизельгуре или кремнеземном носителе. Платина также работает очень хорошо, но она слишком дорога и гораздо легче отравляется (делается неэффективной) примесями. [16] Большая часть триоксида серы, полученного таким способом, превращается в серную кислоту .

Лаборатория

Триоксид серы можно получить в лаборатории двухстадийным пиролизом бисульфата натрия . Пиросульфат натрия является промежуточным продуктом: [17]

  1. Дегидратация при 315 °C:
    2 NaHSO 4 → Na 2 S 2 O 7 + H 2 O
  2. Крекинг при 460 °C:
    Na 2 S 2 O 7 → Na 2 SO 4 + SO 3

Напротив, KHSO 4 не вступает в такую ​​реакцию. [17]

Другой двухэтапный метод, включающий пиролиз соли, начинается с концентрированной серной кислоты и безводного тетрахлорида олова:

  1. Реакция тетрахлорида олова и серной кислоты в мольном соотношении 1:2 при температуре, близкой к температуре кипения (114°C):
    SnCl 4 + 2 H 2 SO 4 → Sn(SO 4 ) 2 + 4 HCl
  2. Пиролиз безводного сульфата олова(IV) при 150–200°С:
    Sn(SO 4 ) 2 → SnO 2 + 2 SO 3

Преимущество этого метода перед методом с использованием бисульфата натрия состоит в том, что он требует гораздо более низких температур и может быть выполнен с использованием обычной боросиликатной лабораторной посуды без риска разбиения. Недостатком является то, что при этом образуются значительные количества газообразного хлористого водорода, который также необходимо улавливать.

SO 3 также можно получить путем дегидратации серной кислоты пятиокисью фосфора . [18]

Приложения

Триоксид серы является реагентом в реакциях сульфирования . Эти процессы позволяют получать моющие средства , красители и фармацевтические препараты . Триоксид серы образуется на месте из серной кислоты или используется в виде раствора в кислоте.

Стабилизированный B 2 O 3 триоксид серы продавался компанией Baker & Adamson под торговой маркой « Сульфан » в 20 веке. [19]

Безопасность

Помимо того, что триоксид серы является окислителем, он обладает высокой коррозионной активностью. Он бурно реагирует с водой с образованием очень агрессивной серной кислоты.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdef Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 703–704. ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ "ТРИОКСИД СЕРЫ КАМЕО Химические вещества NOAA" . Cameochemicals.noaa.gov .
  3. ^ Аб Лернер, Л. (2011). Малотоннажный синтез лабораторных реагентов с моделированием реакций. ЦРК Пресс. п. 10. ISBN 9781439813133. LCCN  2010038460.
  4. ^ «Вещество: триоксид серы - Learn Chemistry Wiki» . Rsc.org .
  5. ^ «Триоксид серы 227692» (PDF) . СО3 . Архивировано из оригинала 01 сентября 2020 г. Проверено 1 сентября 2020 г.
  6. ^ Томас Лёртинг ; Клаус Р. Лидл (2000). «К устранению расхождений между теорией и экспериментом: константа скорости атмосферного превращения SO3 в H2SO4». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (16): 8874–8878. Бибкод : 2000PNAS...97.8874L. дои : 10.1073/pnas.97.16.8874 . ПМК 16788 . ПМИД  10922048. 
  7. ^ Хаускрофт, Кэтрин Э.; Шарп, Алан Г. (2012). Неорганическая химия (4-е изд.). Эссекс, Англия: Пирсон. п. 575.
  8. ^ Лавджой, RW; Колвелл, Дж. Х.; Эггерс, Д.Ф.; Хэлси, Джорджия (февраль 1962 г.). «Инфракрасный спектр и термодинамические свойства газообразного триоксида серы». Журнал химической физики . 36 (3): 612–617. Бибкод : 1962JChPh..36..612L. дои : 10.1063/1.1732581.
  9. ^ Холлеман, Арнольд Фредерик; Виберг, Эгон (2001), Виберг, Нильс (ред.), Неорганическая химия , перевод Иглсона, Мэри; Брюэр, Уильям, Сан-Диего/Берлин: Academic Press/De Gruyter, ISBN 0-12-352651-5
  10. ^ Вестрик, Р.; Мак Гиллаври, CH (1941). «Кристаллическая структура льдоподобной формы триоксида серы (γ-модификация)». Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas . 60 (11): 794–810. дои : 10.1002/recl.19410601102.
  11. ^ abc Индекс химических веществ и лекарств Merck , 9-е изд. монография 8775
  12. ^ «Производство серной кислоты и суперфосфата» (PDF) . Химические процессы в Новой Зеландии. Архивировано из оригинала (PDF) 27 января 2018 г. Проверено 22 апреля 2016 г.
  13. ^ Коттон, Ф. Альберт ; Уилкинсон, Джеффри ; Мурильо, Карлос А.; Бохманн, Манфред (1999), Передовая неорганическая химия (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5
  14. ^ Вейль, Дж. К.; Бистлайн-младший, Р.Г.; Стиртон, Эй Джей (1956). «α-сульфопальмитиновая кислота». Органические синтезы . 36 : 83. дои : 10.15227/orgsyn.036.0083.
  15. ^ Рондестведт-младший, Кристиан С.; Бордвелл, Ф.Г. (1954). «β-стиролсульфонат натрия и β-стиролсульфонилхлорид». Органические синтезы . 34 : 85. дои : 10.15227/orgsyn.034.0085.
  16. ^ Герман Мюллер «Серная кислота и триоксид серы» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, Вайнхайм. 2000 год : 10.1002/14356007.a25_635
  17. ^ ab KJ де Врис; П. Дж. Геллингс (май 1969 г.). «Термическое разложение пиросульфата калия и натрия». Журнал неорганической и ядерной химии . 31 (5): 1307–1313. дои : 10.1016/0022-1902(69)80241-1.
  18. ^ «Как сделать триоксид серы — YouTube». www.youtube.com . Проверено 1 сентября 2020 г.
  19. ^ Хабаши, Фатхи; Дагдейл, Рэймонд (июнь 1973 г.) [1972-11-06]. «Действие триоксида серы на халькопирит». Металлургические и сырьевые операции . Б-4 (6): 1553–1556. Бибкод : 1973MT......4.1553H. дои : 10.1007/BF02668007. S2CID  93744787. с. 1553: Использовался триоксид серы в виде чистой бесцветной жидкости SO3, продаваемой Бейкером и Адамсоном под торговым названием Sulfan.

Источники