Sulfatna kiselina: formula i hemijska svojstva

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 17:42

Jedna od prvih mineralnih kiselina koja je postala poznata čovjeku je sumporna, odnosno sulfatna. Ne samo ona sama, već i mnoge njene soli koristile su se u građevinarstvu, medicini, prehrambenoj industriji i u tehničke svrhe. Do sada se ništa nije promijenilo u tom pogledu. 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 šta je to i koje su karakteristike manifestiranih svojstava.

Različitost imena

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

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

Iako izraz "oleum" nije sasvim prikladan za ovu supstancu, jer je mješavina sumporne kiseline i višeg sumpor-oksida -SO_3.

Sulfatna kiselina: formula i molekularna struktura

Sa stanovišta hemijske skraćenice, formula ove kiseline može se napisati na sledeći način: H₂SO_{4. Očigledno, molekul se sastoji od dva vodonikova kationa i anjona kiselog ostatka - sulfatnog jona, koji ima naelektrisanje 2+.}

U ovom slučaju, sljedeće veze djeluju unutar molekula:

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

Sumpor, koji ima 6 nesparenih elektrona, formira dve dvostruke veze sa dva atoma kiseonika. Sa još par - jednostruki, a oni, pak, jednostruki sa vodonicima. Kao rezultat toga, struktura molekule omogućava da bude dovoljno jaka. U isto vrijeme, vodikov kation je vrlo pokretljiv i lako odlazi, jer su sumpor i kisik mnogo elektronegativniji. Privlačeći gustinu elektrona na sebe, oni daju vodik s djelimično pozitivnim nabojem, koji postaje pun kada se odvoji. Tako nastaju kiseli rastvori u kojima se nalazi H+.

Ako govorimo o oksidacionim stanjima elemenata u jedinjenju, onda je sulfatna kiselina, čija je formula H₂SO_{4, lako vam omogućava da ih izračunate: vodonik +1, kiseonik -2, sumpor +6.}

Kao iu svakom molekulu, ukupni naboj je nula.

Historija otkrića

Sulfatna kiselina je poznata ljudima od antike. Čak su i alhemičari znali kako ga dobiti kalciniranjem raznih vitriola. WithVeć u 9. veku ljudi su primali i koristili ovu supstancu. Kasnije u Evropi, Albert Magnus je naučio kako da izvuče 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 apsorbovane vodom. Kao rezultat, nastala je sulfatna kiselina.

Čak i kasnije, Britanci su uspjeli pronaći najjeftiniji način dobivanja ove supstance. Za ovo 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 sirovine su pristupačnije, jeftinije i kvalitetnije za velike količine proizvodnje.}

Fizička svojstva

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

1. Tečnost pod standardnim uslovima.
2. U koncentrovanom stanju je težak, mastan, zbog čega je i dobio naziv "vitriola".
3. Gustoća materije - 1,84 g/cm3.
4. Bez boje ili mirisa.
5. Ima izraženi "bakarni" ukus.
6. Otapa se veoma dobro u vodi, skoro neograničeno.
7. Higroskopna, sposobna da uhvati i slobodnu i vezanu vodu iz tkiva.
8. Non-volatile.
9. Tačka ključanja - 296oC.
10. Topljenje na 10, 3oC.

Jedna od najvažnijih karakteristika ovog jedinjenja je sposobnost hidratacije uz oslobađanje velike količine toplote. Zato se i iz školske klupe djecu uči da kiselini nikako nije moguće dodavati vodu, već samo obrnuto. Uostalom, voda je manje gustine, pa će se akumulirati na površini. Ako se naglo doda kiselini, tada će se kao rezultat reakcije rastvaranja osloboditi tolika količina energije da će voda proključati i početi prskati zajedno s česticama opasne tvari. Ovo može uzrokovati teške hemijske opekotine na koži ruku.

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

Hemijska svojstva

S tačke gledišta hemije, ova kiselina je veoma jaka, posebno ako se radi o koncentrovanom rastvoru. On je dvobazni, stoga se disocijacija u koracima, sa formiranjem hidrosulfatnih i sulfatnih anjona.

Općenito, njegova interakcija sa različitim jedinjenjima odgovara svim glavnim reakcijama karakterističnim za ovu klasu supstanci. Možemo dati primjere nekoliko jednačina u kojima sudjeluje sulfatna kiselina. Hemijska svojstva se manifestuju u njegovoj interakciji sa:

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

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

Posebna karakteristika je i to sa metalima prema uobičajenoj šemi Me + H₂SO₄=MeSO₄ + H_{2↑ reaguje samo rastvor date supstance, odnosno razblažena 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, onda su rezultat sumpor, so i voda. To jest, redukcija sulfatnog jona u slobodni sumpor.
3. Metali niske reaktivnosti (nakon vodonika) - sumpor dioksid, so i voda. Sumpor u oksidacionom stanju +4.

Takođe, posebna svojstva sulfatne kiseline su sposobnost oksidacije nekih nemetala do njihovog najvišeg oksidacijskog stanja i reakcije sa složenim jedinjenjima i oksidacije u jednostavne tvari.

Metode dobijanja u industriji

Sulfatni proces za proizvodnju sumporne kiseline sastoji se od dva glavna tipa:

• kontakt;
• toranj.

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

1. Pečenje sirovina sa stvaranjem sumpor-dioksida kao produkta sagorevanja.
2. Propuštanje ovog gasa kroz kiseonik preko vanadijevog katalizatora da bi se formirao sumporni anhidrid - SO_3.
3. U apsorpcionom tornju, anhidrid se rastvara u rastvoru sulfatne kiseline sa formiranjem rastvora visoke koncentracije - oleuma. Veoma teška masna gusta tečnost.

Druga opcija je praktički ista, ali se dušikovi oksidi koriste kao katalizator. Sa stanovišta parametara kao što su kvalitet proizvoda, troškovi i potrošnja energije, čistoća sirovina, produktivnost, prva metoda je efikasnija i prihvatljivija, pa se češće koristi.

Laboratorijska sinteza

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

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

Također u laboratoriji možete provesti kvalitativnu reakciju na sulfatne otopine. Najčešći reagens je barijum hlorid, jer ion Ba²⁺, zajedno sasulfatni anion precipitira u bijeli talog - baritno mlijeko: H₂SO₄ + BaCL₂=2HCL + BaSO_4↓

Najobičnije soli

Sulfatna kiselina i sulfati koje ona stvara su važna jedinjenja u mnogim industrijama i domaćinstvima, uključujući hranu. Najčešće soli sumporne kiseline su:

1. Gips (alabaster, selenit). Hemijski naziv je vodeni kristalni hidrat kalcijum sulfata. Formula: CaSO_{4. Koristi se u građevinarstvu, medicini, celulozi i papiru, izradi nakita.}
2. Barit (teška šparta). barijum sulfat. U rastvoru je mlečni talog. U čvrstom obliku - prozirni kristali. Koristi se u optičkim instrumentima, rendgenskim zracima, izolacijskim premazima.
3. Mirabilite (Glauberova so). Hemijski naziv je natrijum sulfat dekahidrat. Formula: Na₂SO₄10H_{2O. Koristi se u medicini kao laksativ.}

Postoji mnogo primjera soli koji imaju praktičan značaj. Međutim, oni gore navedeni su najčešći.

Sulfatna lužina

Ova supstanca je rastvor koji nastaje kao rezultat termičke obrade drveta, odnosno celuloze. Glavna svrha ovog spoja je dobivanje sulfatnog sapuna na njegovoj osnovi taloženjem. Hemijski sastav sulfatne tekućine je sljedeći:

• lignin;
• hidroksi kiseline;
• monosaharidi;
• fenoli;
• smola;
• isparljive i masne kiseline;
• sulfidi, hloridi, karbonati i sulfati natrijuma.

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

Glavne aplikacije

Godišnja proizvodnja sumporne kiseline je 160 miliona tona godišnje. Ovo je veoma značajna brojka koja ukazuje na značaj i rasprostranjenost ovog jedinjenja. Postoji nekoliko industrija i mjesta gdje je upotreba sulfatne kiseline neophodna:

1. U baterijama kao elektrolit, posebno u olovnim.
2. U fabrikama u kojima se proizvode sulfatna đubriva. Najveći dio ove kiseline koristi se posebno za proizvodnju mineralnih gnojiva za biljke. Stoga se postrojenja za proizvodnju sumporne kiseline i proizvodnju đubriva najčešće grade uporedo.
3. U prehrambenoj industriji kao emulgator, označen kodom E513.
4. U brojnim organskim sintezama kao sredstvo za odvodnjavanje, katalizator. Tako se dobijaju eksplozivi, smole, sredstva za čišćenje i deterdženti, najloni, polipropilen i etilen, boje, hemijska vlakna, estri i druga jedinjenja.
5. Koristi se u filterima za prečišćavanje vode i pravljenje destilovane vode.
6. Koristi se u vađenju i preradi retkih elemenata iz rude.

Također puno divokozekiselina ide u laboratorijska istraživanja, gde se dobija lokalnim metodama.