Žveplova kislina

Žveplova kislina, točneje žveplova(VI) kislina, je zelo korozivna močna mineralna kislina s kemijsko formulo . Je brezbarvna ali rahlo rumena viskozna tekočina, ki se pri vseh koncentracijah popolnoma topi v vodi. Med proizvodnim procesom je včasih umetno temno rjavo obarvana, s čimer se zaposlene opozorilo na nevarnost.Sulfuric acid . Njeno zgodovinsko ime je vitriolno olje.

Je diprotična kislina, ki ima pri različnih koncentracijah različne lastnosti. Najedanje kovin, kamnin, kože, oči, tkiv in drugih snovi lahko pripišemo predvem njenim močno kislim lastnostim, pri visokih koncentracijah pa pridejo do izraza tudi njene dehidracijske in oksidacijske lastnosti. Je higroskopna in veže vlago iz zraka.

Zaradi tako različnih kemijskih lastnosti ima zelo široko področje uporabe na primer kot elektrolit v svinčevih akumulatorjih, sredstvo za rafiniranje mineralnih olj in obdelavo odpadnih voda, v proizvodnji umetnih gnojil, titanovega dioksida () in eksplozivov, kemijskih sintezah in v raznih čistilih za industrijsko in domačo rabo.

Proizvaja se po kontaktnem postopku, komornem postopku in nekaj drugih postopkih.

Zgodovina left|thumb|Daltonov zapis žveplove kisline iz leta 1808 prikazuje centralni žveplov atom, na katerega so vezani trije kisikovi atomi; prikazan je torej anhidrid žveplove kisline žveplov trioksid

Preučevanje vitriola se je začelo že v davnini. Sumerci so poznali cel niz vitriolov, ki so jih razvrščali po barvi. Nekaj najzgodnejših razprav o nastanku in lastnostih vitriola je v delih grškega zdravnika Pedanija Dioskura (1. stoletje n. št.) in rimskega naravoslovca Plinija Starejšega (23–79). Galen (129-200) je pisal tudi o njegovi rabi v zdravilstvu. V razpravi Fizika in mistika grškega mistika in alkimista Zosima iz Panapolisa (350-400) in v Leydenskem papirusu X so opisi uporabe vitriolnih substanc v metalurgiji.V. Karpenko, J.A. Norris (2001), Vitriol in the history of Chemistry, Karlova univerza v Pragi

Islamski alkimisti Jābir ibn Hayyān (okoli 721–okoli 815), Razi (865 – 925) in Jamal Din al-Watwat (umrl 1318, napisal knjigo Mabāhij al-fikar wa-manāhij al-'ibar) so v svojo razvrstitev mineralov uvrstili tudi vitriol. Ibn Sina se je posvetil medicinski rabi različnih vrst vitriola.

Srednjevropski alkimisti so žveplovo kislino imenovali vitriolovo olje. Omenjeno je v delih Vincenta Bovejskega in delu Compositum de Compositis, ki ga pripisujejo Albertu Velikemu. Za odlomek iz Psevdo-Geberjevega dela Summa Perfectionis se je dolgo časa domnevalo, da je prva receptura za pripravo žveplove kisline, vendar se je kasneje izkazalo, da gre za napačno tolmačenje.

V 17. stoletju je nemško-nizozemski kemik Johann Glauber pripravil žveplovo kislino s sežigom zmesi žvepla in kalijevega nitrata () v prisotnosti vodne pare. je med segrevanjem oksidiral v , ki se je z vodo spojil v žveplovo kislino. Leta 1736 je londonski farmacevt Joshua Ward začel po tej metodi prvi proizvajati žveplovo kislino v velikih količinah.

Leta 1746 je John Roebuck iz Birminghama postopek izboljšal in začel proizvajati kislino v s svincem obloženih komorah, ki so bile bolj odporne, cenejše in predvsem večje od prejšnjih steklenih posod. Komorni postopek je omogočil hitro industrializacijo proizvodnje žveplove kisline. Po več izboljšavah je postal standardni postopek, po katerem so kislino proizvajali skoraj dve stoletji.

Kislina, proizvedena po tem postopku, je dosegla koncentracijo do 65 %. Kasnejše izboljšave postopka, ki sta jih uvedla francoski kemik Joseph Louis Gay-Lussac in britanski kemik John Glover so koncentracijo povečala na 78 %. Proizvodnja nekaterih barvil in drugi kemijski procesi so zahtevali še bolj koncentrirano kislino. V 18. stoletju je bilo to mogoče doseči samo s suho destilacijo mineralov na način, ki je podoben izvirnim alkimističnim postopkom. Pirit (železov sulfid, ) je med segrevanjem v zraku prešel v železov(II) sulfat (), ki si je pri nadaljnjem segrevanju v zraku oksidiral v železov(III) sulfat (). Nastali produkt je pri 480 °C razpadel v železov(III) oksid () in . Z raztapljanjem v vodi je bilo moč doseči kakršnokoli koncentracijo žveplove kisline. Obširnejšo rabo tako proizvedene kisline je preprečevala njena visoka cena.

Leta 1831 je britanski trgovec s kisom Peregrine Phillips patentiral kontaktni postopek za proizvodnjo žveplovega trioksida in žveplove kisline, ki je bil mnogo bolj gospodaren od prejšnjih postopkov. V današnjem času se skoraj vsa žveplova kislina proizvede po kontaktnem postopku.

Fizikalne lastnosti Kakovostni razredi žveplove kisline Industrijska žveplova kislina ima lahko koncentracijo do skoraj 99 %. Takšna kislina pri temperaturi vrelišča oddaja , tako da iz nje nastane 98,3 % kislina. Ta oblika je med skladiščenjem bolj stabilna in se običajno imenuje kar "koncentrirana žveplova kislina".

Za različne namene se uporablja različno koncentrirana žveplova kislina. Nekatere najpogostejše koncentracije so:

Masni delež Gostota(kg/L) Koncentracija(mol/L) Običajno ime 10 % 1,07 ~1 razredčena žveplova kislina 29–32 % 1,25–1,28 4,2–5 akumulatorska kislina(za svinčeve akumulatorje) 62–70 % 1,52–1,60 9.6–11.5 komorna kislina,kislina za umetna gnojila 78–80 % 1,70–1,73 13.5–14 stolpna kislina,Gloverjeva kislina 98 % 1,83 ~18 koncentrirana žveplova kislina

Komorna kislina in stolpna kislina sta dve kakovosti žveplove kisline, ki se proizvaja po komornem postopku. Komorna kislina se proizvaja v svinčevih komorah in ima koncentracijo manjšo od 70 %, da se prepreči kontaminacija z nitrozilžveplovo kislino. Stolpna kislina je kislina, ki se odvaja z dna Gloverjevega stolpa. Poimenovanje je zastarelo, ker se iz koncentrirane kisline lahko pripravi kislino s poljubno koncentracijo.

Sodobni ekvivalent komorne kisline je 10M kislina, ki se zelo pogosto uporablja v analizni kemiji. Pripravlja se iz 98 % žveplove kisline, ki se počasi med intenzivnim mešanjem dodaja enakemu volumnu vode. Raztopina se med pripravo lahko segreje do 80 °C ali celo več.

Z raztapljanjem plinastega v koncentrirani žveplovi kislini nastane pirožveplova kislina , ki se imenuje tudi kadeča žveplova kislina, oleum ali, manj pogosto, Nordhausenova kislina. Koncentracije oleuma se izražajo ali s % ali s % . Običajni koncentraciji oleuma sta 40 % (109 % ) in 65 % (114,6 % ). Čista pirožveplova kislina je trdna snov s tališčem 36 °C.

Čista žveplova kislina je viskozna bistra tekočina podobna olju, od tod tudi njeno staro ime vitriolovo olje.

Žveplova kislina se trži v več različnih stopnjah čistosti. Tehnična vsebuje nečistoče in je pogosto obarvana. Uporabna je na primer za proizvodnjo umetnih gnojil. Proizvaja se tudi zelo čista žveplova kislina, ki je primerna za farmacevtsko industrijo in industrijo barvil, in kislina za analizno kemijo.

Polarnost in prevodnost thumb|Protonski tunel skozi niz vodikovih vezi med hidronijevimi ioni in molekulami vode

Brezvodna je zelo polarna tekočina z dielektrično konstanto probližno 100. Je zelo dober električni prevodnik, ker disociira s protoniranjem same sebe. Pojav se imenuje avtoprotoliza:

Ravnotežna konstanta avtoprotolize je

Kap(25 °C)= = 2,7×10−4

Za primerjavo: ravnotežna konstanta vode Kv pri enakih pogojih je 10−14, se pravi, da je 1010 krat manjša.

Ravnotežje je v resnici mnogo bolj zapleteno, ker 100 % v ravnotežnih pogojih vsebuje naslednje ione (v milimolih na kg topila): (15,0), (11,3), (8,0), (4,4), (3,6) in (0,1).

Ionski prevodnosti in sta kljub visoki viskoznosti kisline visoki zaradi mehanizma medmolekularnega protonskega stikala, ki je podoben Grotthussovemu mehanizmu v vodi. V tem mehanizmu "odvečni" proton ali protonski defekt difundira skozi mrežo vodikovih vezi ali preko tvorjenja ali cepljenja kovalentnih vezi.

Žveplova kislina je odlično topilo za mnoge kemijske reakcije.

Reakcija žveplove kisline z vodo (hidratacija) je zelo eksotermna, zato se mora pri redčenju kisline vedno dodajati kislina v vodo in ne obratno. Ker je reakcija ravnotežna v korist hitrega protoniranja vode, dodajanje kisline v vodo zagotovlja, da je kislina omejevalni reagent. Med reakcijo nastajajo hidronijevi ioni:

H2SO4 + H2O → H3O+ + HSO4−; K1 = 2,4×106 (močna kislina) HSO4− + H2O → H3O+ + SO42−; K2 = 1,0×10−2 (šibka kislina)

HSO4- je hidrogensulfatni anion, SO42- je sulfatni anion, K1 and K2 pa disociacijski konstanti kisline.

Ker je hidratacija žveplove kisline termodinamsko ugodna in afiniteta kisline do vode dovolj velika, je žveplova kislina odličen reagent za odvzemanje vode. Koncentrirana ževeplova kislina odvzema vodo iz drugih snovi, na primer iz sladkorja in drugih ogljikovodikov, pri čemer nastajajo oglje, toplota, vodna para in bolj razredčena kislina s povečano vsebnostjo hidronijevih in hidrogensulfatnih ionov HSO4-.

V laboratoriju se proces običajno prikaže s pomakanjem kocke sladkorja (saharoze) v žveplovo kislino. Sladkor najprej spremeni barvo iz bele v temno rjavo in nato črno, ker poogljeni:‪Poskus 8: delovanje žveplove kisline na kocko sladkorja (stara različica‬‏). YouTube. Pridobljeno dne 18. julija 2011.

C12H22O11 (saharoza) + žveplova kislina → 12 C (porozna črna pena) + 11 H2O (vodna para) + zmes žveplova kislina/voda

Podobno se obnašata tudi škrob in celuloza, na primer papir in bombažna tkanina. Papir dobi videz, kot bi bil ožgan:

(C6H10O5)n + žveplova kislina → 6n C + 5n H2O

V laboratoriju se lahko dehidracijske sposobnosti žveplove kisline prikažejo tudi z odstranjevanjem kristalno vezane vode iz bakrovega(II) sulfata (halkantit, modra galica). Modra barva kristalov začne prehajati iz modre v belo:

CuSO4•5H2O (moder kristal) + žveplova kislina → CuSO4 (bel prah) + 5 H2O

Kislo bazične lastnosti Razredčena žveplova kislina se obnaša kot kislina in reagira z večino baz, pri čemer tvori ustrezne sulfate. Primer: modri bakrov(II) sulfat, ki se uporablja za galvansko bakrenje in kot fungicid, se običajno pripravlja z raztapljanjem bakrovega(II) oksida v žveplovi kislini:

CuO (s) + H2SO4 (aq) → CuSO4 (aq) + H2O (l)

Žveplova kislina se lahko uporablja tudi za izpodrivanje šibkejših kislin iz njihovih soli. Primer: reakcija z natrijevim acetatom izpodrine ocetno kislino in tvori natrijev hidrogensulfat:

H2SO4 + CH3COONa → NaHSO4 + CH3COOH

Na enak način reagira s kalijevim nitratom. Slednja reakcija se uporablja za pridobivanje dušikove kisline in kalijevega hidrogensulfata:

KNO3 + H2SO4 → HNO3 + KHSO4

Vreakciji z dušikovo kislino se žveplova kislina obnaša istočasno kot kislina in dehidracijski reagent in tvori nitronijeve ione, ki so pomembni v nitracijskih reakcijah, na primer v elektrofilni aromatski substituciji. Tovrstne reakcije, v katerih se protoniranje dogaja na kisikovem atomu, so pomembne v mnogih organskih kemijskih reakcijah, na primer v Fischerjevi esterifikaciji in dehidraciji alkoholov.

2 H2SO4 + HNO3 → 2 HSO4− + NO2+ + H3O+

Reakcije s kovinami in močne oksidacijske lastnosti Razredčena žveplova kislina reagira s kovinami v enojnih substitucijskih reakcijah, ki so značilne tudi za druge kisline. V reakciji nastajata plinasti vodik in kovinski sulfat. Reagira z vsemi kovinami, ki so v elektrokemijski napetostni vrsti levo od bakra, na primer z železom, aluminijem, cinkom, manganon, magnezijem in nikljem:

Fe (s) + H2SO4 (aq) → H2 (g) + FeSO4 (aq)

Koncentrirana žveplova kislina deluje kot močan oksidant in ne kot kislina. V reakcijah zato namesto vodika in soli nastajajo žveplov dioksid (SO2), voda in sulfatni ioni SO42-:

2 H2SO4 + 2 e- → SO2 + 2 H2O + SO42-

Žveplova kislina lahko oksidira tudi neaktivne kovine, na primer kositer in baker:

Cu + 2 H2SO4 → SO2 + 2 H2O + SO42- + Cu2+

Žveplova kislina

Źródło i licencja