Tài liệu Axít sulfuric doc

Axít sulfuric


Axít sulfuric hay axít sulphuric, H
2
SO
4
, 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, được đặt tên bởi nhà giả kim ở thế
kỉ thứ 8, Jabir ibn Hayyan sau khi ông phát hiện ra chất này. 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. Ứng
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.
Nhiều prôtêin được tạo thành từ axít amin có chứa
sulfua. Các axít này tạo ra axít sulfuric
Trạng thái
Axít sulfuric tinh khiết hoàn toàn không được tìm thấy trên Trái Đất, do ái lực rất lớn
giữa axít sulfuric và nước. Ngoài ra, axít sulfuric là thành phần của mưa axít, được tạo
thành từ
điôxít lưu huỳnh trong nước bị ôxi hoá, hay là axít sulfuric bị ôxi hoá. Điôxít lưu
huỳnh được sản xuất khi nhiên liệu chứa lưu huỳnh (than đá hoặc dầu) bị đốt cháy.
Axít sulfuric được tạo thành trong tự nhiên bởi quá trình ôxi hoá quặng
pyrit, ví dụ như
quặng pirit sắt. Phân tử ôxy ôxi hoá quặng pirit sắt (FeS
2
) thành ion sắt (II) hay Fe
2+
:
2FeS
2

+ 7O
2
+ 2H
2
O → 2Fe
2+
+ 4SO
4
2-
+ 4H
+
Fe
2+
có thể bị ôxi hoá lên Fe
3+
:
4Fe
3+
+ O
2
+ 4H
+
→ 4 Fe
3+
+ 2H
2
O
và Fe
3+
tạo ra có thể kết tủa dưới dạng hiđrôxit. Phương trình tạo thành hiđrôxit là

Fe
3+
+ 3H
2
O → Fe(OH)
3
+ 3H
+
Ion sắt (III) cũng có thể ôxi hóa pirit. Khi sắt (III) xuất hiện, quá trình có thể trở nên
nhanh chóng.
Axít sulfuric ở ngoài Trái Đất
Axít sulfuric được tạo thành ở tầng khí quyển trên cao của sao Kim nhờ quá trình quang
hoá của mặt trời lên điôxít cacbon, điôxít lưu huỳnh và hơi nước. Độ dài sóng của tia cực
tím nhỏ hơn 169 nm có thể phân tách điôxít cacbon thành mônôxít cacbon và ôxy nguyên
tử là một chất rất hoạt động. Khi ôxy nguyên tử phản ứng với điôxít lưu huỳnh trong khí
quyển của sao Kim sẽ tạo ra triôxít lưu huỳnh, và chất này có thể hợp thành với hơi nước,
cũng là một thành phần trong khí quyển của sao Kim, tạo thành axít sulfuric:
CO
2
→ CO + O
SO
2
+ O → SO
3
SO
3
+ H
2
O → H
2

SO
4
Ở trên cao, phần có nhiệt độ cao hơn của khí quyển sao Kim, axít sulfuric chỉ tồn tại dưới
dạng lỏng, và các đám mây axít sulfuric dầy hoàn toàn che khuất bề mặt hành tinh khi
nhìn từ trên xuống. Lớp mây chính dàn ra khoảng 45 đến 70 km trên bề mặt hành tinh,
với lớp bụi mỏng hơn từ 30 đến 90 km trên bề mặt.
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 điôxít lưu huỳnh.
(1) S(rắn) + O
2
(khí) → SO
2
(khí)
Sau đó nó bị ôxi hóa thành triôxít lưu huỳnh bởi ôxy với sự có mặt của chất xúc tác ôxít
vanadi (V).
(2) 2SO
2
+ O
2
(khí) → 2SO
3
(khí) (với sự có mặt của V
2
O
5
Cuối cùng triôxít lưu huỳnh được xử lý bằng nước (trong dạng 97-98% H
2
SO
4

chứa 2-
3% nước) để sản xuất axít sulfuric 98-99%.
(3) SO
3
(khí) + H
2
O(lỏng) → H
2
SO
4
(lỏng)
Bên cạnh đó, SO
3
cũng bị hấp thụ bởi H
2
SO
4
để tạo ra ôleum (H
2
S
2
O
7
), chất này sau đó
bị làm loãng để tạo thành axít sulfuric.
(4) H
2
SO
4
(lỏng) + SO

3
→ H
2
S
2
O
7
(lỏng)
Ôleum sau đó phản ứng với nước để tạo H
2
SO
4
đậm đặc.
(5) H
2
S
2
O
7
(lỏng) + H
2
O(lỏng) → 2 H
2
SO
4
(lỏng)

Các thuộc tính vật lý
Các dạng của axít sulfuric
Mặc dù có thể sản xuất axít sulfuric 100%, nhưng nó sẽ mất SO

3
ở điểm sôi để tạo ra axít
98,3%. Axít 98% cũng ổn định hơn khi lưu trữ, vì 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:
•
10%, axít sulfuric loãng dùng trong phòng thí nghiệm.
•
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 H
2
SO
4
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 SO
3
(khí) nồng độ cao được bổ sung vào axít sulfuric, thì H
2
S
2
O

7
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 % SO
3
(gọi là % ôleum) hoặc như là "%
H
2
SO
4
(lượng được tạo thành nếu đã bổ sung thêm nước H
2
O); các nồng độ chủ yếu là
40% ôleum (109% H
2
SO
4
) và 65% ôleum (114,6% H
2
SO
4
). H
2
S
2
O
7
tinh khiết trên thực
tế là một chất rắn có nhiệt độ nóng chảy là 36 °C.
Tính phân cực và tính dẫn điện

H
2
SO
4
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.
2 H
2
SO
4
→ H
3
SO
4
+
+ HSO
4
−
Hằng số cân bằng của quá trình này là
K(25 °C) = [H
3
SO
4
+
][HSO
4
-
] = 2.7 × 10
-4

.
So với hằng số cân bằng của quá trình phân li nước, hằng số cân bằng của quá trình này
gấp 10 tỉ lần. Dù axít có độ nhớt, sự phân li tạo H
2
SO
3
+
và HSO
4
-
vẫn cao. Vì vậy axít
sulfuric là một chất dẫn điện tốt. Nó cũng là một dung môi rất tốt cho nhiều phản ứng.
Trên thực tế, cân bằng hóa học phức tạp hơn so với điều nêu trên. 100% H
2
SO
4
chứa các
loại ion sau ở trạng thái cân bằng (số được nêu tính theo milimol trên 1 kg dung môi):
HSO
4
−
(15,0), H
3
SO
4
+
(11,3), H
3
O
+

(8,0), HS
2
O
7
−
(4,4), H S O
2 2 7
(3,6), H
2
O (0,1).
Thuộc tính hóa học
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. Do vậy,
khi pha loãng axít phải thêm axít vào nước chứ không phải thêm nước vào axít. Hiện
tượng này xảy ra là do tỷ trọng tương đối của hai chất lỏng, trong khi nước có tỷ trọng
thấp hơn axít sulfuric nên sẽ có xu hướng nổi lên trên. Phản ứng này nói chính xác hơn là
phản ứng tạo ra các ion hiđrôni, như sau:
H
2
SO
4
+ H
2
O → H
3
O
+
+ HSO
4

-
.
Sau đó:
HSO
4
-
+ H
2
O → H
3
O
+
+ SO
4
2-
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
(C
6
H
12
O
6
) sẽ bị axít sulfuric đậm đặc hút nước tạo ra cacbon nguyên tố và dung dịch axít
sẽ loãng ra một chút: C
6
H
12

O
6
→ 6C + 6H
2
O.