Axít sulfuric
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
| Axít sulfuric | |
|---|---|
 |
|
| Tổng quan | |
| Tên hệ thống | Axít sulfuric |
| Tên khác | Dầu sulfat |
| Công thức phân tử | H2SO4 |
| Phân tử gam | 98,08 g/mol |
| Biểu hiện | Dầu trong suốt, không màu, không mùi |
| Số CAS | [7664-93-9] |
| Thuộc tính | |
| Tỷ trọng và pha | 1,84 g/cm3, lỏng |
| Độ hòa tan trong nước | Có thể trộn lẫn (tỏa nhiệt!) |
| Điểm nóng chảy | 10 °C (283 K) |
| Điểm sôi | 337 °C (610 K) |
| pKa | -3,0 1,99 |
| pKb | |
| Độ nhớt | 26,7 cP ở 20 °C |
| Nguy hiểm | |
| MSDS | MSDS ngoài |
| Các nguy hiểm chính | Ăn mòn mạnh |
| NFPA 704 |    |
| Điểm bắt lửa | Không cháy |
| Rủi ro/An toàn | R: 35 S: 26, 30, 45 |
| Số RTECS | WS5600000 |
| Trang dữ liệu bổ sung | |
| Cấu trúc & thuộc tính | n εr, v.v. |
| Dữ liệu nhiệt động lực | Các trạng thái rắn, lỏng, khí |
| Dữ liệu quang phổ | UV, IR, NMR, MS |
| Các hợp chất liên quan | |
| Các hợp chất tương tự | axít selenic axít clohiđric axít nitric |
| Các hợp chất liên quan | Hiđrô sulfua axít sulfurơ axít perôxymônôsulfuric axít phốtphoric |
| Ngoại trừ có thông báo khác, các dữ liệu được lấy ở 25°C, 100 kPa Thông tin về sự phủ nhận và tham chiếu |
|
Axít sulfuric hay axít sulphuric, H2SO4, là một axít vô cơ mạnh. Nó hòa tan trong nước theo bất kỳ tỷ lệ nào. Tên gọi cổ của nó là dầu sulfat. Axít sulfuric có nhiều ứng dụng, và nó được sản xuất với một sản lượng lớn hơn bất kỳ chất hóa học nào, ngoại trừ nước. Sản lượng của thế giới năm 2001 là 165 triệu tấn, với giá trị xấp xỉ 8 tỷ USD. Sử dụng chủ yếu của nó bao gồm sản xuất phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa học, xử lý nước thải và tinh chế dầu mỏ.
Mục lục |
[sửa] Các thuộc tính vật lý
[sửa] Các dạng của axít sulfuric
Mặc dù có thể sản xuất axít sulfuric 100%, nhưng nó sẽ mất SO3 ở điểm sôi để tạo ra axít 98,3%. Axít 98% cũng ổn định hơn khi lưu trữ, vì thế nó là dạng thông thường của axít sulfuric đậm đặc. Các nồng độ khác của axít sulfuric được sử dụng cho các mục đích khác nhau. Một số nồng độ phổ biến là:
- 33,5%, axít cho ắc quy (sử dụng trong các ắc quy axít-chì)
- 62,18%, axít trong bể (chì) hay để sản xuất phân bón
- 77,67%, axít trong tháp sản xuất hay axít Glover.
- 98%, đậm đặc
Cũng có nhiều loại cấp độ tinh khiết khác nhau. Loại H2SO4 kỹ thuật là không tinh khiết và thường có màu, nhưng nó thích hợp cho việc sản xuất phân bón. Loại tinh khiết như loại US Pharmacopoeia (USP) được sử dụng để sản xuất các loại dược phẩm và thuốc nhuộm.
Khi có nồng độ cao của SO3(khí) được bổ sung vào axít sulfuric, thì H2S2O7 được tạo ra. Nó được gọi là axít sulfuric bốc khói hay ôleum, hoặc ít thông dụng hơn là axít Nordhausen. Nồng độ của ôleum hoặc được biểu diễn theo % SO3 (gọi là % ôleum) hoặc như là "% H2SO4 (lượng được tạo thành nếu đã bổ sung thêm nước H2O); các nồng độ chủ yếu là 40% ôleum (109% H2SO4) và 65% ôleum (114,6% H2SO4). H2S2O7 tinh khiết trên thực tế là một chất rắn có nhiệt độ nóng chảy là 36 °C.
[sửa] Tính phân cực và tính dẫn điện
H2SO4 khan là một chất lỏng phân cực, với hằng số điện môi khoảng 100. Điều này là do nó có thể phân ly bằng cách tự proton hóa chính nó, một quá trình được biết đến như là tự proton hóa, nó diễn ra ở mức độ cao hơn khoảng 10 tỷ lần so với nước:
- 2 H2SO4 → H3SO4+ + HSO4−
Điều này cho phép các proton có tính linh động hơn trong H2SO4. Nó cũng làm cho axít sulfuric là một dung môi tốt cho nhiều phản ứng. Trên thực tế, cân bằng hóa học phức tạp hơn so với điều nêu trên. 100% H2SO4 chứa các loại ion sau ở trạng thái cân bằng (số được nêu tính theo mmol trên 1 kg dung môi): HSO4− (15,0), H3SO4+ (11,3), H3O+ (8,0), HS2O7− (4,4), H2S2O7 (3,6), H2O (0,1).
[sửa] Thuộc tính hóa học
[sửa] Phản ứng với nước
Phản ứng ngậm nước (hyđrat hóa) của axít sulfuric là một phản ứng tỏa nhiệt cao. Nếu nước được thêm vào axít sulfuric đậm đặc thì nó bị sôi và bắn ra rất nguy hiểm. Phải luôn ghi nhớ là thêm axít vào nước chứ không phải thêm nước vào axít. Lưu ý rằng một phần của vấn đề này là do các tỷ trọng tương đối của hai chất lỏng. Nước có tỷ trọng thấp hơn axít sulfuric và có xu hướng nổi lên trên axít. Phản ứng này tốt nhất được coi là tạo ra các ion hiđrôni, như sau:
H2SO4 + H2O → H3O+ + HSO4-.
Do sự hyđrat hóa của axít sulfuric là phản ứng thuận xét theo nhiệt động lực học (ΔH = 880 kJ/mol), axít sulfuric là một chất hấp thụ nước rất tốt, và nó được sử dụng trong sản xuất nhiều loại hoa quả khô. Ái lực của axít sulfuric đối với nước là đủ mạnh để chiếm lấy các nguyên tử hiđrô và ôxy từ các hợp chất chứa chúng; ví dụ, đường glucoza (C6H12O6) với axít sulfuric đậm đặc sẽ tạo ra cacbon nguyên tố và nước để nó hấp thụ (nó sẽ loãng ra một chút): C6H12O6 → 6C + 6H2O.
[sửa] Các phản ứng khác
Như là một axít, axít sulfuric phản ứng với phần lớn các bazơ để tạo ra muối sulfat tương ứng. Ví dụ, đồng(II) sulfat, một muối màu xanh lam quen thuộc của đồng được sử dụng trong mạ điện và làm thuốc diệt nấm, được điều chế bằng phản ứng của đồng(II) ôxít với axít sulfuric:
- CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O
Axít sulfuric cũng có thể sử dụng để đẩy các axít yếu hơn ra khỏi muối của chúng, ví dụ natri axetat tạo ra axít axetic:
H2SO4 + CH3COONa → NaHSO4 + CH3COOH
Tương tự, phản ứng của axít sulfuric với kali nitrat có thể sử dụng để sản xuất axít nitric, cùng với sự tạo thành của kali bisulfat. Với chính bản thân axít nitric thì axít sulfuric có phản ứng như là một axít cũng như là một chất khử nước, tạo ra các ion nitronium NO2+, là quan trọng trong các phản ứng nitrat hóa có diễn ra thay thế vòng thơm ái lực điện tử. Loại phản ứng này có sự proton hóa diễn ra trên nguyên tử ôxy, là quan trọng trong nhiều phản ứng của hóa hữu cơ, chẳng hạn este hóa Fischer và khử nước của rượu.
Axít sulfuric phản ứng với phần lớn các kim loại trong phản ứng thế đơn để tạo ra khí hđrô và muối sulfat của kim loại. Axít H2SO4 loãng phản ứng với sắt, nhôm, kẽm, mangan và niken, nhưng thiếc và đồng thì cần phải dùng axít đặc nóng. Chì và vonfram lại có khả năng chống lại sự ăn mòn của axít sulfuric. Phản ứng của sắt chỉ ra dưới đây là phổ biến cho nhiều kim loại, nhưng phản ứng với thiếc là không bình thường trong đó điôxít lưu huỳnh (sulfur điôxít) được tạo ra chứ không phải hiđrô.
- Sn(rắn) + 2 H2SO4(l) → SnSO4 + 2 H2O + SO2
[sửa] Khía cạnh môi trường
Axít sulfuric là thành phần của các trận mưa axít, được tạo ra do phản ứng của khí sulfur điôxít với nước có trong khí quyển. Sulfur điôxít là sản phẩm chính được tạo ra khi các loại nhiên liệu có chứa lưu huỳnh như than hay dầu mỏ bị đốt cháy.
Axít sulfuric là thành phần chính trong bầu khí quyển nóng của Kim Tinh, nó gây ra nhiều khó khăn cho việc thám hiểm hành tinh này bằng các loại tàu vũ trụ.
[sửa] Lịch sử
Sự phát hiện ra axít sulfuric được gắn với bác sĩ và là nhà giả kim thuật Hồi giáo thế kỷ 9 Ibn Zakariya al-Razi (Rhases), là người đã thu được chất này bằng cách chưng cất khô các loại khoáng chất như sắt (II) sulfat ngậm 7 phân tử nước (FeSO4 • 7H2O), khi đó gọi là sulfat lục và đồng(II) sulfat ngậm 5 phân tử nước (CuSO4 • 5H2O), gọi là sulfat lam. Khi bị nung nóng, các hợp chất này bị phân hủy tương ứng thành sắt(II) ôxít và đồng(II) ôxít, giải phóng nước và sulfur triôxít, chúng kết hợp với nhau tạo thành một dung dịch loãng của axít sulfuric. Phương pháp này đã được phổ biến tới châu Âu thông qua việc dịch các luận thuyết và sách Hồi giáo bởi các nhà giả kim thuật châu Âu, chẳng hạn như người Đức Albertus Magnus (thế kỷ 13). Vì lý do này, axít sulfuric đã được các nhà giả kim thuật châu Âu thời Trung cổ gọi là dầu sulfat và phần hồn của sulfat trong số các tên gọi khác nhau.
Trong thế kỷ 17, nhà hóa học người Đức-Hà Lan Johann Glauber đã điều chế axít sulfuric bằng cách đốt lưu huỳnh cùng với xanpet (kali nitrat, KNO3), với sự có mặt của hơi nước. Khi xanpet bị phân hủy, nó ôxi hóa lưu huỳnh thành SO3, là chất kết hợp với nước để tạo ra axít sulfuric. Trong năm 1736, Joshua Ward, một dược sĩ người London đã sử dụng phương pháp này để bắt đầu việc sản xuất hàng loạt axít sulfuric lần đầu tiên.
Năm 1746 ở Birmingham, John Roebuck bắt đầu sản xuất axít sulfuric theo cách này trong các bể chì, là những thiết bị khỏe hơn và ít đắt tiền hơn cũng như có thể chế tạo to hơn so với các loại đồ chứa bằng thủy tinh đã sử dụng trước đây. Công nghệ bể chì này cho phép công nghiệp hóa việc sản xuất axít sulfuric hiệu quả hơn và cùng với một số cách làm tinh khiết thì nó đã là phương pháp chuẩn để sản xuất trong gần như hai thế kỷ.
Axít sulfuric của John Roebuck chỉ chứa khoảng 35–40% a xít. Các phương thức làm tinh khiết sau này trong công nghệ bể chì của nhà hóa học người Pháp Joseph-Louis Gay-Lussac và nhà hóa học người Anh John Glover đã cải thiện nó tới 78%. Tuy nhiên, việc sản xuất một số thuốc nhuộm và các hóa chất khác đòi hỏi phải có sản phẩm đậm đặc hơn, và trong suốt thế kỷ 18 điều này chỉ có thể thực hiện bằng cách chưng cất khô các khoáng chất với kỹ thuật tương tự như các công nghệ nguyên thủy của giả kim thuật. Pyrit (sắt đisulfua, FeS2) đã bị nung nóng trong không khí để tạo ra sắt (II) sulfat (FeSO4), chất này bị ôxi hóa bằng cách nung nóng tiếp trong không khí để tạo ra sắt(III) sulfat (Fe2(SO4)3), là chất khi bị nung tới 480 °C bị phân hủy để tạo ra sắt(III) ôxít và sulfur triôxít, chất này cho qua nước để tạo thành axít sulfuric với nồng độ bất kỳ. Chi phí cao của công nghệ này đã ngăn cản việc sản xuất/sử dụng đại trà axít sulfuric đậm đặc.
Năm 1831, nhà buôn dấm người Anh Peregrine Phillips đã lấy bằng sáng chế cho công nghệ kinh tế hơn để sản xuất sulfur triôxít và axít sulfuric đậm đặc, ngày nay được biết đến như là công nghệ tiếp xúc. Cuối cùng thì tất cả các nguồn cung cấp axít sulfuric trên thế giới ngày nay đều sản xuất theo phương pháp này.
[sửa] Sản xuất
Axít sulfuric được sản xuất từ lưu huỳnh, ôxy và nước theo công nghệ tiếp xúc. Trong giai đoạn đầu lưu huỳnh bị đốt để tạo ra sulfur điôxít. Nó bị ôxi hóa thành sulfur triôxít bởi ôxy với sự có mặt củachất xúc tác vanadi(V) ôxít. Cuối cùng sulfur triôxít được xử lý bằng nước (trong dạng 97-98% H2SO4) để sản xuất axít sulfuric 98-99%. Bên cạnh đó, SO3 cũngbị hấp thụ bởi H2SO4 để tạo ra ôleum (H2S2O7), chất này sau đó bị làm loãng để tạo thành axít sulfuric.
(2) 2 SO2 + O2(khí) → 2 SO3(khí) (có mặt V2O5)
(3) SO3(khí) + H2O(lỏng) → H2SO4(lỏng)
Năm 1993, sản xuất axít sulfuric của Mỹ khoảng 36,4 triệu tấn. Sản lượng cả thế giới năm 2001 là 165 triệu tấn.
[sửa] Sử dụng
Axít sulfuric là hóa chất thương mại rất quan trọng, và thực vậy sản lượng axít sulfuric của một quốc gia là một chỉ số tốt về sức mạnh công nghiệp của quốc gia đó. Sử dụng chủ yếu của axít sulfuric (60% sản lượng toàn thế giới) là trong "phương pháp ướt" của việc sản xuất axít phốtphoric, là chất được sử dụng để sản xuất các loại phân hóa học phốtphat cũng như natri triphốtphat để làm bột giặt. Trong phương pháp này đá phốtphat được sử dụng, và hơn 100 triệu tấn được sản xuất hàng năm. Nguyên liệu thô được chỉ ra dưới đây là fluoro-apatit, mặc dù thành phần chính xác có thể dao động nhiều. Nó được xử lý bằng axít sulfuric 93% để tạo ra canxi sulfat, florua hiđrô (HF) và axít phốtphoric. HF được loại ra trong dạng axít florosilicic. Quy trình tổng quan có thể biểu diễn như sau:
- Ca5F(PO4)3 + 5 H2SO4 + 10 H2O → 5 CaSO4·2 H2O + HF + 3 H3PO4
Các loại phân bón sulfat như amoni sulfat được sản xuất từ axít sulfuric, mặc dù với sản lượng ít hơn so với các phốtphat.
Một ứng dụng quan trọng khác của axít sulfuric là để sản xuất nhôm sulfat, còn được biết như là phèn làm giấy. Nó có thể phản ứng với một lượng nhỏ xà phòng trên các sợi bột giấy nhão để tạo ra nhôm cacboxylat dạng giêlatin, nó giúp làm đông lại các sợi bột giấy thành bề mặt cứng của giấy. Nó cũng được sử dụng để sản xuất nhôm hyđrôxít, là chất được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước để lọc các tạp chất, cũng như để cải thiện mùi vị của nước. Nhôm sulfat được tạo ra từ phản ứng của bôxít với axít sulfuric:
- Al2O3 + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2O
Axít sulfuric cũng được sử dụng cho các mục đích khác trong công nghiệp hóa chất. Ví dụ, nó là chất xúc tác axít thông thường để chuyển hóa cyclohexanoneoxim thành caprolactam, sử dụng để sản xuất nylon (nilông). Nó cũng được sử dụng để sản xuất axít clohiđric từ muối ăn bằng công nghệ Mannheim. Phần nhiều H2SO4 được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để tinh luyện dầu mỏ, ví dụ làm chất xúc tác cho phản ứng của isobutan với isobutylen để tạo ra isooctan, là hợp chất làm tăng chỉ số octan của xăng. Axít sulfuric cũng là quan trọng cho sản xuất các loại thuốc nhuộm.
Hỗn hợp của axít sulfuric với nước được sử dụng làm chất điện giải trong hàng loạt các dạng ắc quy axít-chì trong đó nó tham gia vào phản ứng thuận nghịch để chì (Pb) và chì điôxít (PbO2) chuyển hóa thành chì(II) sulfat. Axít sulfuric cũng là thành phần cơ bản của một số chất làm sạch các cống rãnh, được sử dụng để làm sạch các vật cản có chứa giấy, giẻ rách và các vật liệu khác mà không dễ làm sạch bằng các dung dịch xút ăn da.
[sửa] Tình trạng khẩn cấp
Sự sôi của axít sulfuric khi thêm nước vào thường sinh ra các đám khói chứa hơi axít sulfuric, hơi này cực nóng cũng như có tính axít cao. Các đám cháy gần nơi có axít sulfuric thông thường được dập bằng các loại bình bọt hay các chất đất khô để tránh khả năng làm sôi axít. Ở những chỗ bắt buộc phải dùng nước thì mục tiêu là phải đổ nước thật nhiều và thật nhanh để có thể làm nguội nhanh nhiệt do phản ứng sinh ra.
Những người chữa cháy phải mặc quần áo chống bắn tóe khi làm việc với axít sulfuric, để bảo vệ chính họ chống lại cả hơi và sự bắn tung tóe hay lan tràn.
[sửa] Cảnh báo
Khi cần phải trộn axít với nước thì axít sulfuric cần phải được thêm vào nước, không bao giờ làm ngược lại. Xem trên đây để có thêm thông tin. Là một axít và một chất ôxi hóa mạnh, axít sulfuric cần được bảo quản xa nơi chứa các bazơ và các chất khử. Nó là một chất ăn mòn mạnh thậm chí ngay cả khi bị pha loãng, nó ăn mòn nhiều kim loại chẳng hạn như sắt và nhôm.
Găng tay và kính cần phải được sử dụng khi tiếp xúc với H2SO4 loãng, và khi tiếp xúc với axít đậm đặc thì phải có các tấm bảo vệ mặt và tạp dề PVC.
[sửa] Liên kết ngoài
- MSDS của axít sulfuric
- Danh mục các nhà cung cấp hóa chất của Chemexper
- Tổng quan thương mại về công nghiệp axít sulfuric
[sửa] Tham chiếu
- Handbook of Chemistry and Physics, 71st edition, CRC Press, Ann Arbor, Michigan, 1990.
- N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, pp 837-845, Pergamon Press, Oxford, UK, 1984. ISBN 0080220576.
- Philip J. Chenier, Survey of Industrial Chemistry, pp 45-57, John Wiley & Sons, New York, 1987. ISBN 0471010774.
