Оксид серы(VI) (SO3): формула, структура, свойства и экономическое значение. Важнейшее соединение серы, тригональная плоская молекула. Химия и применение.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Триоксид серы (альтернативное написание — серный ангидрид, также известный как ниссо сульфан) — химическое соединение с формулой SO3. Его называют «несомненно самым экономически важным оксидом серы».
Sulfur trioxide (alternative spelling sulphur trioxide, also known as nisso sulfan) is the chemical compound with the formula SO3. It has been described as "unquestionably the most [economically] important sulfur oxide".
Мономер
Молекула SO3 имеет тригональную плоскую геометрию. Как предсказывает теория VSEPR, её структура относится к точечной группе D3h. Атом серы имеет степень окисления +6 и может иметь формальный заряд от 0 (если предположить, что все три связи серы-кислород являются двойными) до +2 (если соблюдается правило октета). При ненулевом формальном заряде считается, что связь S–O делокализована. В любом случае, три длины связи S–O равны между собой и составляют 1,42 Å. SO3 существует в равновесии между мономером и циклическим тримером. Природа твердого SO3 сложна, известно как минимум 3 полиморфные модификации, переход между которыми зависит от следов воды. Абсолютно чистый SO3 замерзает при 16,8 °C, образуя γ-SO3, который принимает конфигурацию циклического тримера [S(=O)2(μ-O)]3. Относительные давления паров твердого SO3 таковы: альфа < бета < гамма при одинаковых температурах, что указывает на их относительные молекулярные массы. Жидкий триоксид серы имеет давление паров, соответствующее γ-форме. Таким образом, нагревание кристалла α-SO3 до температуры плавления приводит к резкому увеличению давления пара, которое может быть достаточно сильным, чтобы разрушить стеклянный сосуд, в котором он нагревается. Этот эффект известен как «альфа-взрыв». Газообразный триоксид серы интенсивно выделяет пары даже в относительно сухой атмосфере из-за образования тумана серной кислоты. SO3 агрессивно гигроскопичен. Теплота гидратации настолько велика, что смеси SO3 с древесиной или хлопком могут воспламениться. В таких случаях SO3 обезвоживает эти углеводы. С пиридином образует комплекс триоксида серы с пиридином. Аналогичные аддукты образуются с диоксаном и триметиламином.
The molecule SO3 is trigonal planar. As predicted by VSEPR theory, its structure belongs to the D3h point group. The sulfur atom has an oxidation state of +6 and may be assigned a formal charge value as low as 0 (if all three sulfur oxygen bonds are assumed to be double bonds) or as high as +2 (if the Octet Rule is assumed). When the formal charge is non zero, the S O bonding is assumed to be delocalized. In any case the three S O bond lengths are equal to one another, at 1.42 Å. SO3 exists in an equilibrium between the monomer and the cyclic trimer. The nature of solid SO3 is complex and at least 3 polymorphs are known, with conversion between them being dependent on traces of water. Absolutely pure SO3 freezes at 16.8 °C to give the γ SO3 form, which adopts the cyclic trimer configuration [S(=O)2(μ O)]3. Relative vapor pressures of solid SO3 are alpha < beta < gamma at identical temperatures, indicative of their relative molecular weights. Liquid sulfur trioxide has a vapor pressure consistent with the gamma form. Thus heating a crystal of α SO3 to its melting point results in a sudden increase in vapor pressure, which can be forceful enough to shatter a glass vessel in which it is heated. This effect is known as the "alpha explosion". Gaseous sulfur trioxide fumes profusely even in a relatively dry atmosphere owing to formation of a sulfuric acid mist. SO3 is aggressively hygroscopic. The heat of hydration is sufficient that mixtures of SO3 and wood or cotton can ignite. In such cases, SO3 dehydrates these carbohydrates. With pyridine, it gives the sulfur trioxide pyridine complex. Related adducts form from dioxane and trimethylamine.
Сульфонизатор
Триоксид серы – сильный сульфонирующий агент, то есть он присоединяет группы SO3 к субстратам. Чаще всего субстратами служат органические соединения, как, например, при ароматическом сульфонировании. Для активированных субстратов эффективными сульфонирующими агентами являются аддукты триоксида серы с основаниями Люиса.
Sulfur trioxide is a potent sulfonating agent, i. e. it adds SO3 groups to substrates. Often the substrates are organic, as in aromatic sulfonation. For activated substrates, Lewis base adducts of sulfur trioxide are effective sulfonating agents.
Промышленный
В промышленном производстве SO3 получают контактным способом. Диоксид серы получают при сжигании серы или пирита железа (сульфидной руды железа). После очистки электростатическим осаждением SO2 окисляется атмосферным кислородом при температуре от 400 до 600 °C в присутствии катализатора. Типичный катализатор состоит из пентоксида ванадия (V2O5), активированного оксидом калия K2O на носителе из кизельгура или диоксида кремния. Платина также очень эффективна, но слишком дорога и гораздо легче отравляется (теряет активность) из-за примесей. Большая часть полученного таким образом триоксида серы перерабатывается в серную кислоту.
Industrially SO3 is made by the contact process. Sulfur dioxide is produced by the burning of sulfur or iron pyrite (a sulfide ore of iron). After being purified by electrostatic precipitation, the SO2 is then oxidised by atmospheric oxygen at between 400 and 600 °C over a catalyst. A typical catalyst consists of vanadium pentoxide (V2O5) activated with potassium oxide K2O on kieselguhr or silica support. Platinum also works very well but is too expensive and is poisoned (rendered ineffective) much more easily by impurities. The majority of sulfur trioxide made in this way is converted into sulfuric acid.
Приложения
Триоксид серы является реагентом в реакциях сульфонирования. В результате этих процессов получают моющие средства, красители и фармацевтические препараты. Триоксид серы генерируется непосредственно в реакционной смеси из серной кислоты или используется в виде раствора в кислоте. В 20-м веке триоксид серы, стабилизированный B2O3, продавался компанией Baker & Adamson под торговой маркой "Sulfan".
Sulfur trioxide is a reagent in sulfonation reactions. These processes afford detergents, dyes, and pharmaceuticals. Sulfur trioxide is generated in situ from sulfuric acid or is used as a solution in the acid. B2O3 stabilized sulfur trioxide was traded by Baker & Adamson under the tradename "Sulfan" in the 20th century.