Ví dụ, sulfat đồngII, 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 ôxít đồng II với axít sulfuric: CuO + H2[r]
(1)Axít sunfuric Axít sunfuric Cấu trúc phân tử axít sulfuric Tổng quan Danh pháp IUPAC Axít sulfuric Tên khác Dầu sulfat, Hiđro sulfat Công thức phân tử H2SO4 Phân tử gam 98,078 g/mol Dầu suốt, không màu, Biểu không mùi Số CAS [7664-93-9] Thuộc tính Tỷ trọng và pha 1,84 g/cm3, lỏng Có thể trộn lẫn Độ hòa tan nước (tỏa nhiệt!) Điểm nóng chảy 10 °C, 283 K Điểm sôi 338 °C (dung dịch axit 98%) -3,0 pKa 1,99 pKb Độ nhớt 26,7 cP 20 °C Nguy hiểm MSDS MSDS ngoài Các nguy hiểm chính Ăn mòn mạnh (2) NFPA 704 Điểm bắt lửa Rủi ro/An toàn Số RTECS Không cháy R: 35 S: 26, 30, 45 WS5600000 Trang liệu bổ sung Cấu trúc & thuộc tính n εr, v.v Các trạng thái Dữ liệu nhiệt động lực rắn, lỏng, khí Dữ liệu quang phổ UV, IR, NMR, MS Các hợp chất liên quan axít sulfurơ Axít selenic Axít teluric Các hợp chất tương tự axít polonic axít clohiđric axít nitric axít phốtphoric Hiđrô sulfua Các hợp chất liên quan axít perôximônôsulfuric Ngoại trừ có thông báo khác, các liệu lấy 25°C, 100 kPa Thông tin phủ nhận và tham chiếu Axít sulfuric hay axít sulphuric, H2SO4, là axít vô mạnh Nó hòa tan nước theo tỷ lệ nào Tên gọi cổ nó là dầu sulfat, đặt tên nhà giả kim kỉ thứ 8, Jabir ibn Hayyan sau ông phát chất này Axít sulfuric có nhiều ứng dụng, và nó sản xuất với sản lượng lớn chất hóa học nào, ngoại trừ nước Sản lượng giới năm 2001 là 165 triệu tấn, với giá trị xấp xỉ tỷ USD Ứng dụng chủ yếu nó bao gồm (3) sản xuất phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa học, xử lý nước thải và tinh chế dầu mỏ Nhiều prôtêin tạo thành từ axít amin có chứa sulfua Các axít này tạo axít sulfuric (hay ion sulfat, SO42-) chúng trao đổi thể Trạng thái Axít sulfuric tinh khiết hoàn toàn không tìm thấy trên Trái Đất, ái lực lớn axít sulfuric và nước Ngoài ra, axít sulfuric là thành phần mưa axít, tạo thành từ điôxít lưu huỳnh nước bị ôxi hoá, hay là axít sulfuric bị ôxi hoá Điôxít lưu huỳnh sản xuất nhiên liệu chứa lưu huỳnh (than đá dầu) bị đốt cháy Axít sulfuric tạo thành tự nhiên quá trình ôxi hoá quặng pyrit, ví dụ quặng pirit sắt Phân tử ôxy ôxi hoá quặng pirit sắt (FeS2) thành ion sắt (II) hay Fe2+: 2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+ Fe2+ có thể bị ôxi hoá lên Fe3+: 4Fe2+ + O2 + 4H+ → Fe3++ 2H2O và Fe3+ tạo có thể kết tủa dạng hiđrôxit Phương trình tạo thành hiđrôxit là Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ Ion sắt (III) có thể ôxi hóa pirit Khi sắt (III) xuất hiện, quá trình có thể trở nên nhanh chóng Axít sulfuric ngoài Trái Đất Axít sulfuric tạo thành tầng khí trên cao Kim nhờ quá trình quang hoá mặt trời lên điôxít cacbon, điôxít lưu (4) huỳnh và nước Độ dài sóng tia cực tím nhỏ 169 nm có thể phân tách điôxít cacbon thành mônôxít cacbon và ôxy nguyên tử là chất hoạt động Khi ôxy nguyên tử phản ứng với điôxít lưu huỳnh khí Kim tạo triôxít lưu huỳnh, và chất này có thể hợp thành với nước, là thành phần khí Kim, tạo thành axít sulfuric: CO2 → CO + O SO2 + O2 → SO3 SO3 + H2O → H2SO4 Ở trên cao, phần có nhiệt độ cao khí Kim, axít sulfuric tồn dạng lỏng, và các đám mây axít sulfuric dầy hoàn toàn che khuất bề mặt hành tinh nhìn từ trên xuống Lớp mây chính dàn khoảng 45 đến 70 km trên bề mặt hành tinh, với lớp bụi mỏng từ 30 đến 90 km trên bề mặt Sản xuất Axít sulfuric sản xuất từ lưu huỳnh, ôxy và nước theo công nghệ tiếp xúc Trong giai đoạn đầu lưu huỳnh bị đốt để tạo điôxít lưu huỳnh (1) S(r) + O2(k) → SO2(k) Sau đó nó bị ôxi hóa thành triôxít lưu huỳnh ôxy với có mặt chất xúc tác ôxít vanadi (V) (2) 2SO2 + O2(k) → 2SO3(k) (với có mặt V2O5 Cuối cùng triôxít lưu huỳnh xử lý nước (trong dạng 9798% H2SO4 chứa 2-3% nước) để sản xuất axít sulfuric 98-99% (3) SO3(k) + H2O(l) → H2SO4(l) (5) Bên cạnh đó, SO3 bị hấp thụ H2SO4 để tạo ôleum (H2S2O7), chất này sau đó bị làm loãng để tạo thành axít sulfuric (4) H2SO4(l) + SO3 → H2S2O7(l) Ôleum sau đó phản ứng với nước để tạo H2SO4 đậm đặc (5) H2S2O7(l) + H2O(l) → H2SO4(l) Các thuộc tính vật lý Các dạng axít sulfuric Mặc dù có thể sản xuất axít sulfuric 100%, nó SO3 điểm sôi để tạo axít 98,3% Axít 98% ổn định lưu trữ, vì nó là dạng thông thường axít sulfuric đậm đặc Các nồng độ khác axít sulfuric sử dụng cho các mục đích khác Một số nồng độ phổ biến là: 10%, axít sulfuric loãng dùng phòng thí nghiệm 33,5%, axít cho ắc quy (sử dụng các ắc quy axít-chì) 62,18%, axít bể (chì) hay để sản xuất phân bón 77,67%, axít tháp sản xuất hay axít Glover 98%, đậm đặc Cũng có nhiều loại cấp độ tinh khiết khác Loại H2SO4 kỹ thuật là không tinh khiết và thường có màu, nó thích hợp cho việc sản xuất phân bón Loại tinh khiết loại US Pharmacopoeia (USP) sử dụng để sản xuất các loại dược phẩm và thuốc nhuộm Khi có SO3(khí) nồng độ cao bổ sung vào axít sulfuric, thì H2S2O7 tạo Nó gọi là axít sulfuric bốc khói hay ôleum, ít thông dụng là axít Nordhausen Nồng độ ôleum biểu diễn theo % SO3 (gọi là % ôleum) là " % H2SO4 (lượng tạo thành đã bổ sung thêm nước H2O); các nồng độ chủ yếu là 40% ôleum (109% H2SO4) và 65% ôleum (114,6% H2SO4) (6) H2S2O7 tinh khiết trên thực tế là chất rắn có nhiệt độ nóng chảy là 36 °C Tính phân cực và tính dẫn điện H2SO4 khan là chất lỏng phân cực, với số điện môi khoảng 100 Điều này là nó có thể phân ly cách tự proton hóa chính nó, quá trình biết đến là tự proton hóa H2SO4 → H3SO4+ + HSO4− Hằng số cân quá trình này là K(25 °C) = [H3SO4+][HSO4-] = 2.7 × 10-4 So với số cân quá trình phân li nước, số cân quá trình này gấp 10 tỉ lần Dù axít có độ nhớt, phân li tạo H2SO3+ và HSO4- cao Vì axít sulfuric là chất dẫn điện tốt Nó là dung môi tốt cho nhiều phản ứng Trên thực tế, cân hóa học phức tạp so với điều nêu trên 100% H2SO4 chứa các loại ion sau trạng thái cân (số nêu tính theo milimol trên kg dung môi): HSO4− (15,0), H3SO4+ (11,3), H3O+ (8,0), HS2O7− (4,4), H2S2O7 (3,6), H2O (0,1) Thuộc tính hóa học Phản ứng với nước Phản ứng ngậm nước (hyđrat hóa) axít sulfuric là phản ứng tỏa nhiệt cao Nếu nước thêm vào axít sulfuric đậm đặc thì nó bị sôi và bắn nguy hiểm Do vậy, pha loãng axít phải thêm axít vào nước không phải thêm nước vào axít Hiện tượng này xảy là tỷ trọng tương đối hai chất lỏng, nước có tỷ trọng thấp axít sulfuric nên có xu hướng lên trên Phản ứng này nói chính xác là phản ứng tạo các ion hiđrôni, sau: (7) H2SO4 + H2O → H3O+ + HSO4- Sau đó: HSO4- + H2O → H3O+ + SO42Do hyđrat hóa axít sulfuric là phản ứng thuận xét theo nhiệt động lực học (ΔH = 880 kJ/mol), axít sulfuric là chất hấp thụ nước tốt, và nó sử dụng sản xuất nhiều loại hoa khô Ái lực axít sulfuric nước là đủ mạnh để chiếm lấy các nguyên tử hiđrô và ôxy từ các hợp chất chứa chúng; ví dụ, đường glucoza (C6H12O6) bị axít sulfuric đậm đặc hút nước tạo cacbon nguyên tố và dung dịch axít loãng chút: C6H12O6 → 6C + 6H2O Các phản ứng khác Mang tính chất axít, axít sulfuric phản ứng với phần lớn các bazơ để tạo muối sulfat tương ứng Ví dụ, sulfat đồng(II), muối màu xanh lam quen thuộc đồng sử dụng mạ điện và làm thuốc diệt nấm, điều chế phản ứng ôxít đồng (II) với axít sulfuric: CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O Axít sulfuric có thể sử dụng để đẩy các axít yếu khỏi muối chúng, ví dụ natri axetat tạo axít axetic: H2SO4 + CH3COONa → NaHSO4 + CH3COOH Tương tự, phản ứng axít sulfuric với kali nitrat có thể sử dụng để sản xuất axít nitric, cùng với tạo thành bisulfat kali Với chính thân axít nitric thì axít sulfuric có phản ứng là axít là chất khử nước, tạo các ion nitronium NO2+, là quan trọng các phản ứng nitrat hóa có diễn thay vòng thơm ái lực điện tử Loại phản ứng này có proton hóa diễn trên nguyên (8) tử ôxy, là quan trọng nhiều phản ứng hóa hữu cơ, chẳng hạn este hóa Fischer và khử nước rượu Axít sulfuric phản ứng với phần lớn các kim loại phản ứng đơn để tạo khí hiđrô và muối sulfat kim loại Axít H2SO4 loãng phản ứng với sắt, nhôm, kẽm, mangan và niken, thiếc và đồng thì cần phải dùng axít đặc nóng Chì và vonfram lại có khả chống lại ăn mòn axít sulfuric Phản ứng sắt đây là phổ biến cho nhiều kim loại, phản ứng với thiếc là không bình thường đó điôxít lưu huỳnh (sulfur điôxít) tạo không phải hiđrô Fe(r) + H2SO4(dd) → H2(k) + FeSO4(dd) Sn(r) + H2SO4(l) → SnSO4 + H2O + SO2 Chì khó tham gia phản ứng với H2SO4 loãng tan axit H2SO4 đặc nóng theo phản ứng : Pb + 3H2SO4đđ → Pb(HSO4)2 + SO2 + 2H2O Sử dụng Axít sulfuric là hóa chất thương mại quan trọng, và sản lượng axít sulfuric quốc gia là số tốt sức mạnh công nghiệp quốc gia đó Sử dụng chủ yếu axít sulfuric (60% sản lượng toàn giới) là " phương pháp ướt"của việc sản xuất axít phốtphoric, là chất sử dụng để sản xuất các loại phân hóa học phốtphat natri triphốtphat để làm bột giặt Trong phương pháp này đá phốtphat sử dụng, và 100 triệu sản xuất hàng năm Nguyên liệu thô đây là floro-apatit, mặc dù thành phần chính xác có thể dao động nhiều Nó xử lý axít sulfuric 93% để tạo sulfat canxi, hiđrô florua (HF) và axít phốtphoric HF loại dạng axít florosilicic Quy trình tổng quan có thể biểu diễn sau: (9) Ca5F(PO4)3 + H2SO4 + 10 H2O → CaSO4·2 H2O + HF + H3PO4 Các loại phân bón sulfat amoni sulfat sản xuất từ axít sulfuric, mặc dù với sản lượng ít so với các phốtphat Một ứng dụng quan trọng khác axít sulfuric là để sản xuất nhôm sulfat, còn biết là phèn làm giấy Nó có thể phản ứng với lượng nhỏ xà phòng trên các sợi bột giấy nhão để tạo cacboxylat nhôm dạng giêlatin, nó giúp làm đông lại các sợi bột giấy thành bề mặt cứng giấy Nó sử dụng để sản xuất nhôm hiđrôxít, là chất sử dụng các nhà máy xử lý nước để lọc các tạp chất, để cải thiện mùi vị nước Sulfat nhôm tạo từ phản ứng bô xít với axít sulfuric: Al2O3 + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2O Axít sulfuric sử dụng cho các mục đích khác 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 sử dụng để sản xuất axít clohiđric từ muối ăn công nghệ Mannheim Phần nhiều H2SO4 sử dụng công nghiệp hóa dầu để tinh luyện dầu mỏ, ví dụ làm chất xúc tác cho phản ứng isobutan với isobutylen để tạo isooctan, là hợp chất làm tăng số octan xăng Axít sulfuric là quan trọng cho sản xuất các loại thuốc nhuộm Hỗn hợp axít sulfuric với nước sử dụng làm chất điện giải hàng loạt các dạng ắc quy axít-chì đó nó tham gia vào phản ứng thuận nghịch để chì (Pb) và chì điôxít (PbO2) chuyển hóa thành chì(II) sulfat Axít sulfuric là thành phần số chất làm các cống rãnh, sử dụng để làm các vật cản có chứa giấy, giẻ rách và các vật liệu khác mà không dễ làm các dung dịch xút ăn da (10) Hằng năm sản xuất 160 triệu H2SO4 Axit sunfuric là hóa chất hàng đầu nhiều ngành sản xuất Phẩm nhuộm 2% Luyện kim 2% Chất dẻo 5% Chất tẩy rửa 14% Giấy, sợi 8% o Sợi visco o Sợi axetat Sơn 11 % Phân bón 30% o Phân lân o Amoni sunfat o Phân NPK Những ứng dụng khác 28% o Dầu mỏ (11) o Thuốc nổ o Acquy o Dược phẩm o Thuốc trừ sâu Nguy hiểm Sự sôi axít sulfuric thêm nước vào thường sinh các đám khói chứa axít sulfuric, này cực nóng có tính axít cao Các đám cháy gần nơi có axít sulfuric thông thường dập các loại bình bọt hay các chất đất khô để tránh khả làm sôi axít Ở 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 phản ứng sinh Những người chữa cháy phải mặc quần áo chống bắn tóe làm việc với axít sulfuric, để bảo vệ chính họ chống lại và bắn tung tóe hay lan tràn Cảnh báo Khi cần phải trộn axít với nước thì axít sulfuric cần phải thêm vào nước, không làm ngược lại Xem trên đây để có thêm thông tin Là axít và chất ôxi hóa mạnh, axít sulfuric cần bảo quản xa nơi chứa các bazơ và các chất khử Nó là chất ăn mòn mạnh chí bị pha loãng, nó ăn mòn nhiều kim loại chẳng hạn sắt và nhôm Găng tay và kính cần phải sử dụng tiếp xúc với H2SO4 loãng, và tiếp xúc với axít đậm đặc thì phải có các bảo vệ mặt và tạp dề PVC (12)