Sulfatna kiselina: formula i kemijska svojstva

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 17:48

Jedna od prvih mineralnih kiselina koja je postala poznata čovjeku je sumporna, odnosno sulfatna. Ne samo ona sama, već i mnoge njezine soli koristile su se u građevinarstvu, medicini, prehrambenoj industriji, te u tehničke svrhe. Do sada se u tom pogledu ništa nije promijenilo. Brojne karakteristike koje posjeduje sulfatna kiselina čine je jednostavno nezamjenjivom u kemijskim sintezama. Osim toga, njegove soli se koriste u gotovo svim sektorima svakodnevnog života i industrije. Stoga ćemo detaljno razmotriti što je to i koje su značajke manifestiranih svojstava.

Različitost imena

Počnimo s činjenicom da ova tvar ima mnogo imena. Među njima ima onih koje su formirane prema racionalnoj nomenklaturi, te onih koje su se povijesno razvile. Dakle, ova veza je označena kao:

• sulfatna kiselina;
• vitriol;
• sumporna kiselina;
• oleum.

Iako izraz "oleum" nije sasvim prikladan za ovu tvar, budući da je mješavina sumporne kiseline i višeg sumporovog oksida -SO_3.

Sulfatna kiselina: formula i molekularna struktura

Sa stajališta kemijske kratice, formula ove kiseline može se napisati na sljedeći način: H₂SO_{4. Očito se molekula sastoji od dva vodikova kationa i aniona kiselog ostatka - sulfatnog iona, koji ima naboj od 2+.}

U ovom slučaju unutar molekule djeluju sljedeće veze:

• kovalentna polarna između sumpora i kisika;
• kovalentna jako polarna između vodika i kiselinskog ostatka SO_4.

Sumpor, koji ima 6 nesparenih elektrona, tvori dvije dvostruke veze s dva atoma kisika. S još par - pojedinačni, a oni, pak, jednostruki s vodikom. Kao rezultat toga, struktura molekule omogućuje da bude dovoljno jaka. Istodobno, vodikov kation je vrlo pokretljiv i lako odlazi, jer su sumpor i kisik puno elektronegativniji. Privlačeći gustoću elektrona na sebe, daju vodik s djelomično pozitivnim nabojem, koji postaje pun kad se odvoji. Tako nastaju kisele otopine u kojima se nalazi H+.

Ako govorimo o oksidacijskim stanjima elemenata u spoju, onda je sulfatna kiselina, čija je formula H₂SO_{4, lako vam omogućuje da ih izračunate: vodik +1, kisik -2, sumpor +6.}

Kao u svakoj molekuli, ukupni naboj je nula.

Povijest otkrića

Sulfatna kiselina poznata je ljudima od davnina. Čak su ga alkemičari znali dobiti kalciniranjem raznih vitriola. SVeć u 9. stoljeću ljudi su primali i koristili ovu tvar. Kasnije u Europi, Albert Magnus je naučio kako izvući kiselinu iz razgradnje željeznog sulfata.

Međutim, nijedna od metoda nije bila isplativa. Tada je postala poznata takozvana komorna verzija sinteze. Za to su spaljeni sumpor i nitrat, a ispuštene pare su apsorbirane u vodu. Kao rezultat, nastala je sulfatna kiselina.

Čak i kasnije, Britanci su uspjeli pronaći najjeftiniji način dobivanja ove tvari. Za to je korišten pirit - FeS_{2, željezni pirit. Njegovo prženje i naknadna interakcija s kisikom još uvijek predstavljaju jednu od najvažnijih industrijskih metoda za sintezu sumporne kiseline. Takve su sirovine pristupačnije, jeftinije i kvalitetnije za velike količine proizvodnje.}

Fizička svojstva

Postoji nekoliko parametara, uključujući vanjske, koji razlikuju sulfatnu kiselinu od ostalih. Njegova fizička svojstva mogu se opisati u nekoliko točaka:

1. Tekućina pod standardnim uvjetima.
2. U svom koncentriranom stanju, težak je, mastan, zbog čega je i dobio naziv "vitriola".
3. Gustoća materije - 1,84 g/cm3.
4. Bez boje ili mirisa.
5. Ima izraženi "bakreni" okus.
6. Otapa se vrlo dobro u vodi, gotovo neograničeno.
7. Higroskopna, sposobna zarobiti i slobodnu i vezanu vodu iz tkiva.
8. nepostojano.
9. Vrelište - 296oC.
10. Topljenje na 10, 3oC.

Jedna od najvažnijih značajki ovog spoja je sposobnost hidratacije uz oslobađanje velike količine topline. Zato se i iz školske klupe djecu uči da kiselini nikako nije moguće dodavati vodu, nego samo obrnuto. Uostalom, voda je lakše gustoće, pa će se akumulirati na površini. Ako se naglo doda kiselini, tada će se kao rezultat reakcije otapanja osloboditi tolika količina energije da će voda proključati i početi prskati zajedno s česticama opasne tvari. To može uzrokovati teške kemijske opekline na koži ruku.

Stoga kiselinu treba uliti u vodu u tankom mlazu, tada će smjesa postati jako vruća, ali neće doći do ključanja, što znači da će tekućina također prskati.

Kemijska svojstva

S kemijskog stajališta, ova kiselina je vrlo jaka, pogotovo ako je koncentrirana otopina. Dvobazična je, stoga se disocira u koracima, uz stvaranje hidrosulfatnih i sulfatnih aniona.

Općenito, njegova interakcija s raznim spojevima odgovara svim glavnim reakcijama karakterističnim za ovu klasu tvari. Možemo navesti primjere nekoliko jednadžbi u kojima sudjeluje sulfatna kiselina. Kemijska svojstva očituju se u njegovoj interakciji s:

• soli;
• metalni oksidi i hidroksidi;
• amfoterni oksidi i hidroksidi;
• metali koji stoje u nizu napona do vodika.

Bkao rezultat takvih interakcija, u gotovo svim slučajevima nastaju srednje soli određene kiseline (sulfati) ili kisele soli (hidrosulfati).

Posebna značajka je i to s metalima prema uobičajenoj shemi Me + H₂SO₄=MeSO₄ + H_{2↑ reagira samo otopina određene tvari, odnosno razrijeđena kiselina. Ako uzmemo koncentrirane ili visoko zasićene (oleum), tada će proizvodi interakcije biti potpuno drugačiji.}

Posebna svojstva sumporne kiseline

Ovo uključuje samo interakciju koncentriranih otopina s metalima. Dakle, postoji određena shema koja odražava cijeli princip takvih reakcija:

1. Ako je metal aktivan, rezultat je stvaranje sumporovodika, soli i vode. To jest, sumpor se smanjuje na -2.
2. Ako je metal srednje aktivnosti, tada su rezultat sumpor, sol i voda. To jest, redukcija sulfatnog iona u slobodni sumpor.
3. Metali niske reaktivnosti (nakon vodika) - sumporov dioksid, sol i voda. Sumpor u oksidacijskom stanju +4.

Također, posebna svojstva sulfatne kiseline su sposobnost da oksidira neke nemetale do njihovog najvišeg oksidacijskog stanja i reagira sa složenim spojevima te ih oksidira u jednostavne tvari.

Metode dobivanja u industriji

Sulfatni proces za proizvodnju sumporne kiseline sastoji se od dvije glavne vrste:

• kontakt;
• toranj.

Oba su najčešći načini ulaskaindustrije u svim zemljama svijeta. Prva opcija temelji se na korištenju željeznog pirita ili sumpornog pirita kao sirovine - FeS_{2. Ukupno postoje tri faze:}

1. Pečenje sirovina uz stvaranje sumporovog dioksida kao produkta izgaranja.
2. Propuštanje ovog plina kroz kisik preko vanadijevog katalizatora da nastane sumporni anhidrid - SO_3.
3. U apsorpcijskom tornju, anhidrid se otapa u otopini sulfatne kiseline uz stvaranje otopine visoke koncentracije - oleuma. Vrlo teška masna gusta tekućina.

Druga opcija je praktički ista, ali se dušikovi oksidi koriste kao katalizator. S gledišta parametara kao što su kvaliteta proizvoda, trošak i potrošnja energije, čistoća sirovina, produktivnost, prva metoda je učinkovitija i prihvatljivija, pa se češće koristi.

Laboratorijska sinteza

Ako je za laboratorijska istraživanja potrebno dobiti sumpornu kiselinu u malim količinama, tada je najprikladnija metoda interakcije sumporovodika sa sulfatima niskoaktivnih metala.

U tim slučajevima dolazi do stvaranja sulfida željeznih metala, a kao nusproizvod nastaje sumporna kiselina. Za male studije ova je opcija prikladna, ali takva kiselina se neće razlikovati u čistoći.

Također u laboratoriju možete provesti kvalitativnu reakciju na sulfatne otopine. Najčešći reagens je barijev klorid, budući da ion Ba²⁺, zajedno ssulfatni anion precipitira u bijeli talog - baritno mlijeko: H₂SO₄ + BaCL₂=2HCL + BaSO_4↓

Najobičnije soli

Sulfatna kiselina i sulfati koje ona stvara važni su spojevi u mnogim industrijama i kućanstvima, uključujući hranu. Najčešće soli sumporne kiseline su:

1. Gips (alabaster, selenit). Kemijski naziv je vodeni kristalni hidrat kalcijevog sulfata. Formula: CaSO_{4. Koristi se u građevinarstvu, medicini, celulozi i papiru, izradi nakita.}
2. Barit (teška šparta). barijev sulfat. U otopini je mliječni talog. U čvrstom obliku - prozirni kristali. Koristi se u optičkim instrumentima, rendgenskim zrakama, izolacijskim premazom.
3. Mirabilite (Glauberova sol). Kemijski naziv je natrijev sulfat dekahidrat. Formula: Na₂SO₄10H_{2O. Koristi se u medicini kao laksativ.}

Postoji mnogo primjera soli koji imaju praktično značenje. Međutim, oni gore navedeni su najčešći.

Sulfatna lužina

Ova tvar je otopina koja nastaje kao rezultat toplinske obrade drva, odnosno celuloze. Glavna svrha ovog spoja je dobivanje sulfatnog sapuna na njegovoj osnovi taloženjem. Kemijski sastav sulfatne tekućine je sljedeći:

• lignin;
• hidroksi kiseline;
• monosaharidi;
• fenoli;
• smola;
• hlapljive i masne kiseline;
• sulfidi, kloridi, karbonati i natrijevi sulfati.

Postoje dvije glavne vrste ove tvari: bijeli i crni sulfat. Bijela ide u industriju celuloze i papira, dok se crna koristi za proizvodnju sulfatnog sapuna u industriji.

Glavne aplikacije

Godišnja proizvodnja sumporne kiseline iznosi 160 milijuna tona godišnje. Ovo je vrlo značajna brojka koja ukazuje na važnost i rasprostranjenost ovog spoja. Postoji nekoliko industrija i mjesta gdje je upotreba sulfatne kiseline neophodna:

1. U baterijama kao elektrolit, posebno u olovnim.
2. U tvornicama gdje se proizvode sulfatna gnojiva. Najveći dio ove kiseline koristi se posebno za proizvodnju mineralnih gnojiva za biljke. Stoga se postrojenja za proizvodnju sumporne kiseline i proizvodnju gnojiva najčešće grade jedan pored drugog.
3. U prehrambenoj industriji kao emulgator, označen kodom E513.
4. U brojnim organskim sintezama kao sredstvo za odvodnjavanje, katalizator. Tako se dobivaju eksplozivi, smole, sredstva za čišćenje i deterdženti, najloni, polipropilen i etilen, boje, kemijska vlakna, esteri i drugi spojevi.
5. Koristi se u filterima za pročišćavanje vode i izradu destilirane vode.
6. Koristi se za vađenje i obradu rijetkih elemenata iz rude.

Također puno divokozekiselina ide u laboratorijska istraživanja, gdje se dobiva lokalnim metodama.