Sulfatna kislina: formula in kemijske lastnosti

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 17:55

Ena prvih mineralnih kislin, ki jih je človek spoznal, je žveplova ali sulfatna. Ne samo ona sama, tudi številne njene soli so bile uporabljene v gradbeništvu, medicini, živilski industriji in v tehnične namene. Do sedaj se v tem pogledu ni nič spremenilo. Zaradi številnih lastnosti, ki jih ima sulfatna kislina, je preprosto nepogrešljiva pri kemičnih sintezah. Poleg tega se njegove soli uporabljajo v skoraj vseh sektorjih vsakdanjega življenja in industrije. Zato bomo podrobno preučili, kaj je in kakšne so značilnosti manifestiranih lastnosti.

Različica imen

Začnimo z dejstvom, da ima ta snov veliko imen. Med njimi so tiste, ki so oblikovane po racionalni nomenklaturi, in tiste, ki so se zgodovinsko razvile. Torej je ta povezava označena kot:

• sulfatna kislina;
• vitriol;
• žveplova kislina;
• oleum.

Čeprav izraz "oleum" za to snov ni povsem primeren, saj je mešanica žveplove kisline in višjega žveplovega oksida -SO_3.

Sulfatna kislina: formula in molekularna struktura

Z vidika kemijske kratice lahko formulo te kisline zapišemo takole: H₂SO_{4. Očitno je, da je molekula sestavljena iz dveh vodikovih kationov in aniona kislega ostanka - sulfatnega iona, ki ima naboj 2+.}

V tem primeru znotraj molekule delujejo naslednje vezi:

• kovalentna polarnost med žveplom in kisikom;
• kovalentno močno polarna med vodikom in kislinskim ostankom SO_4.

Žveplo, ki ima 6 neparnih elektronov, tvori dve dvojni vezi z dvema atomoma kisika. Z nekaj več - enojnimi, tistimi pa enojnimi z vodiki. Posledično struktura molekule omogoča, da je dovolj močna. Hkrati je vodikov kation zelo gibljiv in zlahka zapusti, saj sta žveplo in kisik veliko bolj elektronegativna. Z vlečenjem elektronske gostote nase zagotavljajo vodik z delno pozitivnim nabojem, ki postane poln, ko se loči. Tako nastanejo kisle raztopine, v katerih je H+.

Če govorimo o oksidacijskih stanjih elementov v spojini, potem sulfatna kislina, katere formula je H₂SO_{4, vam omogoča enostavno izračunavanje: vodik +1, kisik -2, žveplo +6.}

Kot v vsaki molekuli je skupni naboj enak nič.

zgodovina odkritij

Sulfatna kislina je ljudem znana že od antike. Celo alkimiki so ga znali pridobiti s kalciniranjem različnih vitriolov. ZŽe v 9. stoletju so ljudje to snov prejemali in uporabljali. Kasneje v Evropi se je Albert Magnus naučil ekstrahirati kislino iz razgradnje železovega sulfata.

Vendar nobena od metod ni bila dobičkonosna. Nato je postala znana tako imenovana komorna različica sinteze. Za to so sežgali žveplo in nitrat, sproščene hlape pa je absorbirala voda. Kot rezultat je nastala sulfatna kislina.

Še kasneje je Britancem uspelo najti najcenejšo metodo pridobivanja te snovi. Za to je bil uporabljen pirit - FeS_{2, železov pirit. Njeno praženje in kasnejša interakcija s kisikom še vedno predstavljata eno najpomembnejših industrijskih metod za sintezo žveplove kisline. Takšne surovine so cenovno ugodnejše, cenejše in kakovostnejše za velike količine proizvodnje.}

Fizične lastnosti

Obstaja več parametrov, vključno z zunanjimi, ki ločijo sulfatno kislino od drugih. Njegove fizikalne lastnosti je mogoče opisati v več točkah:

1. Tekočina pod standardnimi pogoji.
2. V koncentriranem stanju je težka, oljnata, zaradi česar je dobila ime "vitriol".
3. Gostota snovi - 1,84 g/cm3.
4. Brez barve ali vonja.
5. Ima izrazit "bakreni" okus.
6. Zelo dobro se raztopi v vodi, skoraj neomejeno.
7. Higroskopičen, sposoben ujeti prosto in vezano vodo iz tkiv.
8. nehlapno.
9. Vrelišče - 296oC.
10. Taljenje pri 10, 3oC.

Ena najpomembnejših lastnosti te spojine je sposobnost hidriranja s sproščanjem velike količine toplote. Zato tudi iz šolske klopi otroke učijo, da kislini nikakor ni mogoče dodajati vode, ampak le obratno. Konec koncev je voda lažja po gostoti, zato se bo kopičila na površini. Če ga nenadoma dodamo kislini, se bo zaradi reakcije raztapljanja sprostila tako velika količina energije, da bo voda zavrela in začela škropiti skupaj z delci nevarne snovi. To lahko povzroči hude kemične opekline na koži rok.

Zato je treba kislino vliti v vodo v tankem curku, nato se bo zmes zelo segrela, vendar ne bo prišlo do vrenja, kar pomeni, da bo tekočina tudi brizgala.

Kemijske lastnosti

Z vidika kemije je ta kislina zelo močna, še posebej, če je koncentrirana raztopina. Je dvobazičen, zato se postopoma disociira s tvorbo hidrosulfatnih in sulfatnih anionov.

Na splošno njegova interakcija z različnimi spojinami ustreza vsem glavnim reakcijam, značilnim za ta razred snovi. Navedemo lahko primere več enačb, v katerih sodeluje sulfatna kislina. Kemične lastnosti se kažejo v njegovi interakciji z:

• soli;
• kovinski oksidi in hidroksidi;
• amfoterni oksidi in hidroksidi;
• kovine, ki stojijo v nizu napetosti do vodika.

Bkot posledica takšnih interakcij skoraj v vseh primerih nastanejo srednje soli dane kisline (sulfati) ali kisle soli (hidrosulfati).

Posebnost je tudi pri kovinah po običajni shemi Me + H₂SO₄=MeSO₄ + H_{2↑ reagira samo raztopina dane snovi, to je razredčena kislina. Če vzamemo koncentrirane ali visoko nasičene (oleum), bodo produkti interakcij popolnoma drugačni.}

Posebne lastnosti žveplove kisline

Ti vključujejo samo interakcijo koncentriranih raztopin s kovinami. Torej obstaja določena shema, ki odraža celotno načelo takšnih reakcij:

1. Če je kovina aktivna, je rezultat tvorba vodikovega sulfida, soli in vode. To pomeni, da se žveplo zmanjša na -2.
2. Če je kovina srednje aktivne, potem so rezultat žveplo, sol in voda. To je redukcija sulfatnega iona v prosto žveplo.
3. Kovine nizke reaktivnosti (po vodiku) - žveplov dioksid, sol in voda. Žveplo v oksidacijskem stanju +4.

Prav tako so posebne lastnosti sulfatne kisline sposobnost, da nekatere nekovine oksidira do najvišjega oksidacijskega stanja in reagira s kompleksnimi spojinami ter jih oksidira v preproste snovi.

Načini pridobivanja v industriji

Sulfatni proces za proizvodnjo žveplove kisline je sestavljen iz dveh glavnih vrst:

• kontakt;
• stolp.

Oba sta najpogostejša načina vstopaindustriji v vseh državah sveta. Prva možnost temelji na uporabi železovega pirita ali žveplovega pirita kot surovine - FeS_{2. Skupno so tri stopnje:}

1. Pranje surovin s tvorbo žveplovega dioksida kot produkta zgorevanja.
2. Prehajanje tega plina skozi kisik preko vanadijevega katalizatorja, da nastane žveplov anhidrid - SO_3.
3. V absorpcijskem stolpu se anhidrid raztopi v raztopini sulfatne kisline s tvorbo raztopine visoke koncentracije - oleuma. Zelo težka oljnata gosta tekočina.

Druga možnost je praktično enaka, vendar se kot katalizator uporabljajo dušikovi oksidi. Z vidika parametrov, kot so kakovost izdelka, stroški in poraba energije, čistost surovin, produktivnost, je prva metoda učinkovitejša in sprejemljiva, zato se pogosteje uporablja.

Laboratorijska sinteza

Če je za laboratorijske raziskave potrebno pridobiti žveplovo kislino v majhnih količinah, je najbolj primerna metoda interakcije vodikovega sulfida s sulfati nizkoaktivnih kovin.

V teh primerih pride do tvorbe sulfidov železove kovine, kot stranski produkt pa nastane žveplova kislina. Za majhne študije je ta možnost primerna, vendar se taka kislina ne bo razlikovala po čistosti.

Tudi v laboratoriju lahko izvedete kvalitativno reakcijo na raztopine sulfata. Najpogostejši reagent je barijev klorid, saj ion Ba²⁺ skupaj zsulfatni anion se obori v belo oborino - baritno mleko: H₂SO₄ + BaCL₂=2HCL + BaSO_4↓

Najpogostejše soli

Sulfatna kislina in sulfati, ki jih tvori, so pomembne spojine v številnih industrijah in gospodinjstvih, vključno s hrano. Najpogostejše soli žveplove kisline so:

1. mavec (alabaster, selenit). Kemično ime je vodni kristalni hidrat kalcijevega sulfata. Formula: CaSO_{4. Uporablja se v gradbeništvu, medicini, celulozi in papirju, izdelavi nakita.}
2. Barit (težka spar). barijev sulfat. V raztopini je mlečna oborina. V trdni obliki - prozorni kristali. Uporablja se v optičnih instrumentih, rentgenskih žarkih, izolacijskih premazih.
3. Mirabilite (Glauberjeva sol). Kemijsko ime je natrijev sulfat dekahidrat. Formula: Na₂SO₄10H_{2O. Uporablja se v medicini kot odvajalo.}

Obstaja veliko primerov soli, ki imajo praktičen pomen. Vendar so zgoraj omenjeni najpogostejši.

Sulfatni lug

Ta snov je raztopina, ki nastane kot posledica toplotne obdelave lesa, to je celuloze. Glavni namen te spojine je pridobivanje sulfatnega mila na njegovi osnovi z usedanjem. Kemična sestava sulfatne tekočine je naslednja:

• lignin;
• hidroksi kisline;
• monosaharidi;
• fenoli;
• smola;
• hlapne in maščobne kisline;
• sulfidi, kloridi, karbonati in natrijevi sulfati.

Obstajata dve glavni vrsti te snovi: bela in črna sulfatna tekočina. Bela gre v celulozno in papirno industrijo, črna pa se uporablja za izdelavo sulfatnega mila v industriji.

Glavne aplikacije

Letna proizvodnja žveplove kisline je 160 milijonov ton na leto. To je zelo pomembna številka, ki kaže na pomen in razširjenost te spojine. Obstaja več industrij in krajev, kjer je uporaba sulfatne kisline potrebna:

1. V baterijah kot elektrolit, zlasti v svinčenih.
2. V tovarnah, kjer proizvajajo sulfatna gnojila. Večina te kisline se uporablja posebej za proizvodnjo mineralnih gnojil za rastline. Zato se najpogosteje vzporedno gradijo obrati za proizvodnjo žveplove kisline in proizvodnjo gnojil.
3. V živilski industriji kot emulgator, označen s kodo E513.
4. V številnih organskih sintezah kot sredstvo za odvajanje vode, katalizator. Tako se pridobivajo eksplozivi, smole, čistila in detergenti, najloni, polipropilen in etilen, barvila, kemična vlakna, estri in druge spojine.
5. Uporablja se v filtrih za čiščenje vode in pripravo destilirane vode.
6. Uporablja se pri pridobivanju in predelavi redkih elementov iz rude.

Tudi veliko gamsovkislina gre v laboratorijske raziskave, kjer jo pridobivajo z lokalnimi metodami.