ТРИОКСИД СЕРЫ (SO3): СОСТАВ, СВОЙСТВА, РИСКИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Триоксид серы представляет собой неорганическое соединение , образующееся в результате объединения атома серы (S) и 3 атомов кислорода (O). Его молекулярная формула - SO ₃ . При комнатной температуре SO ₃ представляет собой жидкость, выделяющую газы в воздух.

Структура газообразного SO ₃ плоская и симметричная. Все три атома кислорода равномерно расположены вокруг серы. SO ₃ бурно реагирует с водой. Реакция экзотермическая, что означает выделение тепла, другими словами, она становится очень горячей.

Молекула триоксида серы SO ₃ . Автор: Benjah-bmm27. Источник: Wikimedia Commons.

Когда жидкий SO ₃ охлаждается, он превращается в твердое вещество, которое может иметь три типа структуры: альфа, бета и гамма. Наиболее стабильным является альфа-канал, состоящий из слоев, объединенных в сеть.

Газообразный триоксид серы используется для приготовления дымящей серной кислоты, также называемой олеумом, из-за ее сходства с маслом или маслянистыми веществами. Еще одно его важное применение - сульфирование органических соединений, то есть добавление к ним групп -SO ₃ -. Таким образом, могут быть получены полезные химические вещества, такие как моющие средства, красители, пестициды и многие другие.

SO ₃ очень опасен, он может вызвать сильные ожоги, повреждение глаз и кожи. Его также нельзя вдыхать или проглатывать, так как это может вызвать смерть от внутренних ожогов во рту, пищеводе, желудке и т. Д.

По этим причинам с ним нужно обращаться с большой осторожностью. Он не должен контактировать с водой или горючими материалами, такими как дерево, бумага, ткани и т. Д., Поскольку это может привести к пожару. Его нельзя утилизировать или попадать в канализацию из-за опасности взрыва.

Газообразный SO _3, образующийся в промышленных процессах, не должен выбрасываться в окружающую среду, поскольку он является одним из виновников кислотных дождей, которые уже повредили большие площади лесов в мире.

Структура

Молекула триоксида серы SO ₃ в газообразном состоянии имеет треугольную планарную структуру.

Это означает, что и сера, и три атома кислорода находятся в одной плоскости. Кроме того, распределение кислорода и всех электронов симметрично.

Резонансные структуры Льюиса. Электроны распределяются в SO ₃ равномерно . Автор: Марилу Стеа.

В твердом состоянии известны три типа структуры SO ₃ : альфа (α-SO ₃ ), бета (β-SO ₃ ) и гамма (γ-SO ₃ ).

Форма гамма-γ-SO ₃ содержит циклические тримеры, то есть три единицы SO _3, вместе образующие циклическую молекулу или молекулу в форме кольца.

Твердая кольцевая молекула триоксида серы гамма-типа. Автор: Марилу Стеа.

Фаза бета-β-SO ₃ имеет бесконечные спиральные цепочки тетраэдров состава SO _4, соединенных вместе.

Структура цепи твердого триоксида серы бета-типа. Автор: Марилу Стеа.

Наиболее стабильной формой является альфа-α-SO ₃ , подобная бета, но со слоистой структурой, с цепями, соединенными в сеть.

Номенклатура

-Триоксид серы

-Серный ангидрид

-Оксид серы

-SO ₃ гамма, γ-SO ₃

-SO ₃ бета, β-SO ₃

-SO ₃ альфа, α-SO ₃

Физические свойства

Физическое состояние

При комнатной температуре (около 25 ºC) и атмосферном давлении SO ₃ представляет собой бесцветную жидкость, которая выделяет дым в воздух.

Когда жидкий SO ₃ является чистым при 25 ºC, он представляет собой смесь мономерного SO ₃ (одиночная молекула) и тримерного (3 соединенных молекулы) формулы S ₃ O ₉ , также называемого SO ₃ гамма γ-SO ₃ .

При понижении температуры, если SO ₃ становится чистым, когда достигает 16,86 ºC, он затвердевает или замерзает до γ-SO ₃ , также называемого «льдом SO ₃ ».

Если он содержит небольшое количество влаги (даже следы или очень небольшие количества) SO ₃ полимеризуется в форму бета-β-SO _3, которая образует кристаллы с шелковистым блеском.

Затем образуются новые связи, образующие структуру альфа-α-SO ₃ , которая представляет собой игольчатое кристаллическое твердое вещество, напоминающее асбест или асбест.

Когда альфа и бета сливаются, они создают гамму.

Молекулярный вес

80,07 г / моль

Температура плавления

SO ₃ гамма = 16,86 ºC

Тройная точка

Это температура, при которой присутствуют три физических состояния: твердое, жидкое и газообразное. В альфа-форме тройная точка находится при 62,2 ºC, а в бета-форме - при 32,5 ºC.

Нагревание альфа-формы имеет большую тенденцию к сублимации, чем к плавлению. Сублимировать означает переходить из твердого состояния в газообразное напрямую, минуя жидкое состояние.

Точка кипения

Все формы SO ₃ кипят при 44,8 ° C.

плотность

Жидкий SO ₃ (гамма) имеет плотность 1,9225 г / см ³ при 20 ºC.

Газообразный SO ₃ имеет плотность 2,76 относительно воздуха (воздух = 1), что означает, что он тяжелее воздуха.

Давление газа

SO ₃ альфа = 73 мм рт. Ст. При 25 ºC

SO ₃ beta = 344 мм рт. Ст. При 25 ºC

Гамма SO ₃ = 433 мм рт. Ст. При 25 ºC

Это означает, что гамма-форма имеет тенденцию испаряться легче, чем бета и бета-форма, чем альфа.

стабильность

Альфа-форма является наиболее стабильной структурой, остальные - метастабильными, то есть менее стабильными.

Химические свойства

SO ₃ бурно реагирует с водой с образованием серной кислоты H ₂ SO ₄ . При реакции выделяется много тепла, поэтому водяной пар быстро выделяется из смеси.

При контакте с воздухом SO ₃ быстро впитывает влагу, выделяя плотные пары.

Это очень сильный обезвоживающий агент, а это значит, что он легко удаляет воду из других материалов.

Сера в SO ₃ имеет сродство к свободным электронам (то есть электронам, которые не находятся в связи между двумя атомами), поэтому она имеет тенденцию образовывать комплексы с соединениями, которые обладают ими, такими как пиридин, триметиламин или диоксан.

Комплекс между триоксидом серы и пиридином. Benjah-bmm27. Источник: Wikimedia Commons.

Образуя комплексы, сера «заимствует» электроны у другого соединения, чтобы восполнить их недостаток. Триоксид серы все еще присутствует в этих комплексах, которые используются в химических реакциях для подачи SO ₃ .

Это мощный сульфирующий реагент для органических соединений, что означает, что он используется для легкого добавления группы –SO ₃ - к молекулам.

Он легко реагирует с оксидами многих металлов с образованием сульфатов этих металлов.

Он вызывает коррозию металлов, тканей животных и растений.

SO ₃ представляет собой сложный в обращении материал по нескольким причинам: (1) его температура кипения относительно низкая, (2) он имеет тенденцию к образованию твердых полимеров при температурах ниже 30 ºC и (3) он имеет высокую реакционную способность практически по отношению ко всем органические вещества и вода.

Может взрывоопасно полимеризоваться, если не содержит стабилизатора и присутствует влага. Диметилсульфат или оксид бора используются в качестве стабилизаторов.

получение

Его получают в результате реакции при 400 ºC между диоксидом серы SO ₂ и молекулярным кислородом O ₂ . Однако реакция протекает очень медленно, и для увеличения скорости реакции требуются катализаторы.

2 SO ₂ + O ₂ ⇔ 2 SO ₃

К соединениям, ускоряющим эту реакцию, относятся металлическая платина Pt, пентоксид ванадия V ₂ O ₅ , оксид железа Fe ₂ O ₃ и оксид азота NO.

Приложения

При приготовлении олеума

Одно из его основных применений - приготовление олеума или дымящей серной кислоты, названной так потому, что она выделяет пары, видимые невооруженным глазом. Для его получения SO ₃ абсорбируют концентрированной серной кислотой H ₂ SO ₄ .

Олеум или дымящая серная кислота. Вы можете увидеть белый дым, выходящий из бутылки. W. Oelen. Источник: Wikimedia Commons.

Это делается в специальных башнях из нержавеющей стали, где концентрированная серная кислота (которая является жидкостью) опускается вниз, а газообразный SO ₃ поднимается вверх.

Жидкость и газ вступают в контакт и объединяются, образуя олеум, который представляет собой маслянистую жидкость. Он содержит смесь H ₂ SO ₄ и SO ₃ , но также содержит молекулы дисерной кислоты H ₂ S ₂ O ₇ и трисерной кислоты H ₂ S ₃ O ₁₀ .

В химических реакциях сульфирования

Сульфирование - ключевой процесс в крупномасштабных промышленных применениях для производства детергентов, поверхностно-активных веществ, красителей, пестицидов и фармацевтических препаратов.

SO ₃ служит в качестве сульфирующего агента для приготовления сульфированных масел и алкиларилсульфированных детергентов, среди многих других соединений. Ниже показана реакция сульфирования ароматического соединения:

ArH + SO ₃ → ArSO ₃ H

Сульфирование бензола SO ₃ . Pedro8410. Источник: Wikimedia Commons.

Для реакций сульфирования можно использовать олеум или SO ₃ в форме его комплексов с пиридином или с триметиламином, среди прочего.

При добыче металлов

Газ SO ₃ использовался при очистке полезных ископаемых. Простые оксиды металлов можно превратить в гораздо более растворимые сульфаты, обработав их SO ₃ при относительно низких температурах.

Сульфидные минералы, такие как пирит (сульфид железа), халькозин (сульфид меди) и миллерит (сульфид никеля), являются наиболее экономичными источниками цветных металлов, поэтому обработка SO ₃ позволяет легко получить эти металлы. и по невысокой цене.

Сульфиды железа, никеля и меди реагируют с газообразным SO ₃ даже при комнатной температуре, образуя соответствующие сульфаты, которые очень растворимы и могут быть подвергнуты другим процессам для получения чистого металла.

В различных применениях

SO ₃ используется для получения хлорсерной кислоты, также называемой хлорсульфоновой кислотой HSO ₃ Cl.

Трехокись серы - очень мощный окислитель, который используется при производстве взрывчатых веществ.

риски

На здоровье

SO ₃ представляет собой высокотоксичное соединение при всех путях, то есть при вдыхании, проглатывании и контакте с кожей.

Раздражает и разъедает слизистые оболочки. Вызывает ожоги кожи и глаз. Его пары очень токсичны при вдыхании. Возникают внутренние ожоги, одышка, боль в груди и отек легких.

Трехокись серы SO3 очень агрессивна и опасна. Автор: OpenIcons. Источник: Pixabay.

Это ядовито. Его проглатывание вызывает сильные ожоги рта, пищевода и желудка. Кроме того, предполагается, что он канцероген.

От пожара или взрыва

Он представляет опасность пожара при контакте с материалами органического происхождения, такими как дерево, волокна, бумага, масло, хлопок и др., Особенно если они влажные.

Также существует риск при контакте с основаниями или восстановителями. Он взрывоопасно соединяется с водой, образуя серную кислоту.

При контакте с металлами может образовываться водород H _2, который легко воспламеняется.

Следует избегать нагрева в стеклянных банках, чтобы предотвратить возможный сильный разрыв емкости.

Воздействие на окружающую среду

SO ₃ считается одним из основных загрязнителей, присутствующих в атмосфере Земли. Это связано с его ролью в образовании аэрозолей и его вкладом в кислотные дожди (из-за образования серной кислоты H ₂ SO ₄ ).

Лес, поврежденный кислотными дождями в Чехии. Ловеч. Источник: Wikimedia Commons.

SO ₃ образуется в атмосфере в результате окисления диоксида серы SO ₂ . Когда образуется SO ₃ , он быстро реагирует с водой с образованием серной кислоты H ₂ SO ₄ . Согласно недавним исследованиям, существуют и другие механизмы преобразования SO ₃ в атмосфере, но из-за большого количества воды, присутствующей в атмосфере, все еще считается более вероятным, что SO ₃ превращается в основном в H ₂ SO ₄ .

Газ SO ₃ или газообразные промышленные отходы, содержащие его, нельзя сбрасывать в атмосферу, потому что это опасный загрязнитель. Это высокореакционный газ, и, как упоминалось выше, в присутствии влажности в воздухе SO ₃ превращается в серную кислоту H ₂ SO ₄ . Таким образом, в воздухе SO ₃ сохраняется в форме серной кислоты, образуя мелкие капли или аэрозоли.

Если капли серной кислоты попадают в дыхательные пути человека или животных, они быстро увеличиваются в размере из-за присутствующей там влаги, поэтому у них появляется шанс проникнуть в легкие. Один из механизмов, с помощью которого кислотный туман H ₂ SO ₄ (то есть SO ₃ ) может вызывать сильную токсичность, заключается в том, что он изменяет внеклеточный и внутриклеточный pH живых организмов (растений, животных и людей).

По мнению некоторых исследователей, туман SO ₃ является причиной увеличения числа астматиков в одном районе Японии. Туман SO ₃ оказывает очень коррозионное воздействие на металлы, поэтому металлические конструкции, построенные людьми, такие как некоторые мосты и здания, могут серьезно пострадать.

Жидкий SO ₃ нельзя сбрасывать в канализацию или канализацию. В случае попадания в канализацию может возникнуть опасность пожара или взрыва. В случае случайного проливания не направляйте струю воды на продукт. Он никогда не должен попадать в опилки или другие горючие абсорбенты, так как это может вызвать пожар.

Он должен быть абсорбирован сухим песком, сухой землей или другим полностью сухим инертным абсорбентом. SO ₃ не должен попадать в окружающую среду, и нельзя допускать его контакта. Его следует хранить вдали от источников воды, потому что при этом он производит серную кислоту, вредную для водных и наземных организмов.

Ссылки

1. Sarkar, S. et al. (2019). Влияние аммиака и воды на судьбу триоксида серы в тропосфере: теоретическое исследование путей образования сульфаминовой кислоты и серной кислоты. J Phys Chem A. 2019; 123 (14): 3131-3141. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.
2. Мюллер, Т.Л. (2006). Серная кислота и триоксид серы. Кирк-Отмер Энциклопедия химической технологии. Том 23. Получено с сайта onlinelibrary.wiley.com.
3. Национальная медицинская библиотека США. (2019). Трехокись серы. Получено с pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
4. Кикучи, Р. (2001). Экологический менеджмент выбросов триоксида серы: влияние SO ₃ на здоровье человека. Environmental Management (2001) 27: 837. Получено с сайта link.springer.com.
5. Коттон, Ф. Альберт и Уилкинсон, Джеффри. (1980). Продвинутая неорганическая химия. Четвертое издание. Джон Вили и сыновья.
6. Исмаил, Мичиган (1979). Извлечение металлов из сульфидов с использованием триоксида серы в псевдоожиженном слое. J. Chem. Tech. Biotechnol. 1979, 29, 361-366. Получено с сайта onlinelibrary.wiley.com.