سولفوریک اسید

سولفوریک اسید
نام‌گذاری آیوپاک سولفوریک اسید
دیگر نام‌ها سولفات هیدروژن جوهر گوگرد
شناساگرها
شماره ثبت سی‌ای‌اس	۷۶۶۴-۹۳-۹
شمارهٔ آرتی‌ئی‌سی‌اس	WS5600000
خصوصیات
فرمول مولکولی	H2SO4
جرم مولی	98/078 g/mol
شکل ظاهری	مایع شفاف، بی‌رنگ و بی‌بو
چگالی	1.84 g cm−3 liquid
دمای ذوب	10°C
دمای جوش	‎290°C bp of pure acid. 98% solution boils at 338 °C
انحلال‌پذیری در آب	حل‌پذیری کامل (گرماده) انتالپی منفی
گرانروی	26.7 cP at 20 °C
خطرات
طبقه‌بندی ئی‌یو	C
کدهای ایمنی	R۳۵
شماره‌های نگهداری	(S1/2), S26, S۳۰, S45
لوزی آتش	W
نقطه اشتعال	غیر مشتعل
ترکیبات مرتبط
مرتبط با اسیدهای قوی	نیتریک اسید هیدروکلریک اسید هیدروبرمیک اسید پرکلریک اسید
ترکیبات مرتبط	سولفید هیدروژن اسید سولفورو پروکسی‌مونوسولفوریک اسید تری‌اکسید سولفور Oleum
به استثنای جایی که اشاره شده‌است در غیر این صورت، داده‌ها برای مواد به وضعیت استانداردشان داده شده‌اند (در 25 °C (۷۷ °F)، ۱۰۰ kPa)
Infobox references

سولفوریک اسید با فرمول H_۲SO_۴ که در گذشته جوهر گوگرد یا هیدروژن سولفات خوانده می‌شد، اسیدی با چگالی بالا، بی‌رنگ و بسیار قوی است که با هر درصدی در آب حل می‌شود. این ماده یکی از مهم‌ترین مواد شیمیایی موجود در جهان است که از واکنش آب با سولفور تری‌اکسید (که خود از ترکیب سولفور دی‌اکسید و اکسیژن از طریق فرایند تماسی یا فرایند محفظه‌ای بدست می‌آید) ساخته می‌شود. این ماده گاهی به عنوان «سلطان مواد شیمیایی» خوانده می‌شود چرا که حجم تولید آن در جهان بسیار زیاد است. در حقیقت این اسید به قدری با اهمیت است که سرانه مصرف آن به ازای هر فرد، یکی از شاخص‌های تعیین پیشرفت فنی کشورهاست.

تاریخچه

سولفوریک اسید برای نخستین بار توسط جابر بن حیان کشف شد. او با تقطیر کانی‌های سولفات آهن (معروف به زاج سبز) (آهن سولفات هفت آبه به فرمول FeSO₄.7H₂O) و مس(II) سولفات، این اسید را به دست آورد. در قرن هجدهم، جان گلوبر، اسید سولفوریک را از سوزاندن گوگرد و نیترات پتاسیم در مجاورت بخار آب تهیه کرد.

در سال‌های بعد، جان روبک اسید سولفوریک را با غلظت ۴۰–۳۵٪ در ظروف سربی تولید می‌کرد.

در سال ۱۸۲۷ با معرفی برج‌های سربی برای بازیافت اکسیدهای نیتروژن توسط ژوزف گیلوساک قدم مهمی در تولید اسید سولفوریک برداشته شد و نخستین بهینه‌سازی انجام یافته بر روی آن مبتنی بر افزودن هوای محیط به سیستم به منظور پیشرفت بیشتر واکنش بود. همچنین به جای استفاده از سیستم ناپیوسته (batch) از سیستم پیوسته سوزاندن گوگرد در آن استفاده گردید. ۳۲ سال بعد جان گلاور اولین برج حذف نیتروژن و افزایش غلظت اسید سولفوریک را معرفی نمود. برج‌های گیلوساک و گلاور اولین برج حذف نیتروژن و افزایش غلظت اسیدسولفوریک را معرفی نمود. برج‌های گیلوساک و گلاور بخش‌های اصلی سیستمی را که ما امروزه به نام فرایند تولید اسید سولفوریک در اتاق سربی می‌شناسیم را تشکیل می‌دهند.

کارهای ابتدایی روی فرایند مجاورت (تماسی) توسط فیلیپس در سال ۱۸۳۱ انجام گرفت. در آن زمان تحقیقات روی انجام واکنش بین گوگرد دی‌اکسید و اکسیژن با نسبت‌های استوکیومتری متمرکز بود.

در سال ۱۹۰۱ با گشوده شدن رموز پارامترهای فرایندی واکنش اکسیداسیون کاتالیکی گوگرد دی‌اکسید توسط شرکت BASF فرایند مدرن مجاورت (تماسی) متولد شد و اولین کارخانه تولید اسید سولفوریک به روش مجاورت (تماسی) توسط آن شرکت و در آمریکا ساخته شد. حال با گذشت بیش از یک قرن از معرفی فرایند مجاورت (تماسی)، اگرچه مبانی مورد استفاده آن در کارخانه‌های تولید اسید سولفوریک ثابت باقی مانده ولی واحدها، بزرگتر و پیچیده‌تر شده‌اند و با اینکه صنعت تولید اسید سولفوریک یک صنعت قدیمی محسوب می‌شود ولی توسعه پیوسته آن برای ساخت واحدهای بهینه‌تر ادامه دارد. در واحدهای امروزی ساخت اسید سولفوریک هدف بر روی کاهش آلودگی‌ها، بهبود بازده و ایمنی، کاهش هزینه‌های ساخت و بهره‌برداری متمرکز شده‌است.

کاربرد

از سولفوریک اسید در تهیه کودهای شیمیایی، مواد منفجره (مانند تی ان تی)، آب باتری اتومبیل، صنایع معدنی و فلزی، چرم سازی، لاستیک سازی، نساجی و شوینده استفاده می‌شود.

خواص فیزیکی

این ماده دارای مولکول‌های دارای گشتاور قطبی است که می‌توانند با یک‌دیگر پیوند هیدروژنی برقرار کنند. پس سولفوریک اسید مایعی است با نقطه جوش بالا و هم چنین یک مایع ویسکوز (دارای گران روی زیاد) محسوب می‌شود. همین شرایط مولکولی باعث می‌شوند که سولفوریک اسید به خوبی در آب حل شود و محلول‌های اسیدی مختلف تولید کند.

ساختار مولکولی و خصلت اسیدی

این ماده از مولکول‌هایی شامل یک اتم گوگرد، چهار اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن ساخته شده‌است. از آن‌جا که هیدروژن‌ها به اتم اکسیژن متصل هستند، حامل بار مثبت جزئی می‌باشند و قادرند به عنوان هیدروژن اسیدی عمل کنند. با از دست دادن اولین هیدروژن، آنیون هیدروژن‌سولفات تولید می‌شود که با توجه به ساختارهای رزونانسی، بسیار پایدار است؛ بنابراین اولین تفکیک سولفوریک اسید، به شکل کامل انجام می‌شود:

H₂SO₄ + H₂O → HSO₄^- + H₃O⁺ (1

برای دومین مرحله، باید هیدروژن به شکل کاتیون، آنیون هیدروژن‌سولفات را ترک کند که چندان راحت نیست؛ بنابراین تفکیک دومین هیدروژن اسیدی در سولفوریک اسید، کامل نیست و یک واکنش تعادلی است:

HSO₄^- + H₂O ⇔ H₃O⁺ + SO₄^2- (2

تولید سولفوریک اسید

فرایند مجاورت

سولفوریک اسید، یکی از مهم‌ترین مواد شیمیایی صنعتی است که با استفاده از فرایند مجاورت تولید می‌شود. در مرحله نخست گوگرد در مجاورت اکسیژن، اکسید شده و گوگرد دی‌اکسید به دست می‌آید:

S(s) + O₂(g) → SO₂(g) (1

در مرحله بعد گوگرد دی‌اکسید در مجاورت یک کاتالیزگر و در واکنش با اکسیژن اضافی به SO_۳ اکسیده می‌شود:

SO₂(g) + O₂(g) → SO₃(g) (2

این واکنش گرماده است و انتروپی (بی نظمی) آن کاهش می‌یابد چون عامل انتروپی نامساعد است (پدیده‌های جهان به سمت بی نظمی بیشتر می‌روند) یک عامل نامساعد ترمودینامیکی دارد پس برگشت‌پذیر است.

واکنش بالا در دمای معمولی بسیار کند است؛ لذا در روش صنعتی، از دماهای بالاتر (۴۰۰C تا۷۰۰C) و از یک کاتالیزور (مانند پنتا اکسید وانادیم V_۲O_۵ یا اسفنج پلاتین، که البته امروزه کمتر به کار می‌رود) استفاده می‌شود. از واکنش گوگرد تری‌اکسید با آب، محلول سولفوریک اسید تشکیل می‌شود:

SO₃(g) + H₂O(l) → H₂SO₄(aq) (3

با تکرار مراحل بالا و دمیدن گوگرد تری‌اکسید درون محلول سولفوریک اسید، پیروسولفوریک اسید (H₂S₂O₇) تشکیل می‌شود:

H₂SO₄(l) + SO₃(g) → H₂S₂O₇(l) (4

سپس با افزودن آب به پیروسولفوریک اسید، محلول سولفوریک اسید را تهیه می‌کنند:

H₂S₂O₇(l) + H₂O(l) → 2H₂SO₄(l) (۵

کنترل این روش که در آن، پیروسولفوریک اسید تشکیل می‌شود، آسان‌تر از واکنش مستقیم گوگرد تری‌اکسید با آب است؛ بنابراین از این واکنش برای تولید سولفوریک اسید با درصد معین و غلظت دل‌خواه استفاده می‌شود.

دیگر روش‌ها

سولفوریک اسید را می‌توان در آزمایشگاه از واکنش گاز گوگرد دی‌اکسید با هیدروژن پراکسید (آب اکسیژنه) به دست آورد.

(g) + H_۲O2 (l) → H_۲SO_۴ (l)SO₂

روش دیگر تولید سولفوریک اسید در آزمایشگاه با استفاده از الکترولیز محلول مس (ll)سولفات می‌باشد که کاتد باید از فلزی باشد که رسانایی خوبی دارد، مانند مس و آند نیز باید از جنس پلاتین یا زغال باشد تا با محلول واکنش ندهد.