Please enable / Bitte aktiviere JavaScript!
Veuillez activer / Por favor activa el Javascript![ ? ]
sobota, 03 grudnia 2011 23:41

Kwas siarkowy - właściwości i metody otrzymywania

Oceń ten artykuł
(5 głosów)

Kwas siarkowy VI (H2SO4) jest podstawowym kwasem mineralnym używanym w laboratorium chemicznym. Bez niego przeprowadzenie wielu podstawowych, ważnych przemysłowo reakcji jak nitrowanie lub estryfikacja w większości byłoby niemożliwe lub nieopłacalne. Nieopłacalne, ponieważ techniczny kwas siarkowy w ilościach przemysłowych kosztuje około 20 groszy za litr, więc bardzo tanio. Nie bez powodu nazywa się go ”krwią przemysłu chemicznego”, ponieważ przykładowymi zastosowaniami dla tego kwasu są między innymi: przemysł włókien sztucznych, produkcja materiałów wybuchowych, nawozów sztucznych, barwników, środków konserwujących, leków, środków czyszczących, osuszanie gazów, oczyszczanie ropy naftowej. Również przy jego udziale produkuje się środki do zwalczania szkodników. Bardzo potrzebny jest także w metalurgii i górnictwie (obróbka rud). Wykorzystywany jest w przemyśle samochodowym, a dokładniej rozcieńcza się go wodą i używa jako elektrolit w akumulatorach ołowianych. W akumulatorach stężenie tego kwasu jest równe około 20%, gdyż przy takim stężeniu uzyskuje się najwyższą przewodność elektryczną. Jako elektrolit uzupełniający sprzedawany jest kwas o stężeniu ok. 37,5%. Kwas siarkowy wykorzystuje się również do wielu doświadczeń chemicznych, często bardzo efektownych. Można zatem powiedzieć, że współczesny człowiek nie mógłby żyć bez kwasu siarkowego.

Kwas siarkowy stężony jest dość gęstą, oleistą, bezwonną, bezbarwną i bardzo higroskopijną cieczą o temperaturze wrzenia około 310*C i topnienia około -15*C. Najczęściej spotykamy się ze stężonym kwasem siarkowym, czyli o stężeniu około 98%. Należy pamiętać, że jest on bardzo żrący i zwęgla cukry np. celulozę. Podczas pracy z nim trzeba nosić okulary ochronne oraz rękawice kwasoodporne. Ważna sprawą też jest aby przy rozcieńczaniu kwasu siarkowego wlewać kwas do wody a nie wodę do kwasu. Wlanie wody do kwasu powoduje po chwili rozprysk wrzącej wody i kwasu. Ponieważ woda wlana na kwas ma mniejszą gęstość, unosi się nad nim. Egzotermiczny proces hydratacji kwasu siarkowego powoduje, że po chwili woda zaczyna wrzeć i rozpryskiwać kropelki kwasu dookoła. Zatem stare powiedzenie ”Pamiętaj chemiku młody, zawsze wlewaj kwas do wody” zawsze będzie aktualne.
Oparzenia kwasem siarkowym bardzo trudno się goją i do dokoła rany jest czarna otoczka:

Kwas siarkowy jest bardzo nielotny. Po oblaniu ubrania kwasem nawet po dłuższym czasie pozostaje on na ubraniu i powoduje rozkład włókien materiału. Charakterystycznym objawem opryskania kwasem siarkowym są dziury w ubraniach pojawiające się dopiero po pewnym czasie. Z tego powodu należy uważać aby nie wylać na siebie kwasu, nawet kropli, ponieważ najprawdopodobniej tego nie zauważymy i zniszczymy sobie ubranie. Ciśnienie par wynosi około 0,0001 mbar w 20*C, czyli bardzo niewiele. Kwas siarkowy tworzy z wodą azeotrop dodatni (o najwyższej temperaturze wrzenia). Dysocjuje głównie na jony H+i HSO4-, stała dysocjacji jonów HSO4- wynosi 1,3 · 10-2. Jon wodorosiarczanowy jest zatem kwasem o średniej mocy.
W przemyśle kwas siarkowy otrzymuje się przez rozpuszczenie w wodzie tritlenku siarki - SO3. Otrzymuje się go metodą kontaktową poprzez utlenienie ditlenku siarki, SO2, pochodzącego ze spalania siarki bądź siarczków metali np. pirytu. Utlenianie odbywa się za pomocą tlenu z powietrza przy pomocy katalizatora wanadowego, czyli pentatlenku wanadu osadzonego na żelu krzemionkowym aktywowanego tlenkami metali alkalicznych. Jako substancję pochłaniającą używa się zwykle nie wodę, lecz stężony kwas siarkowy, który znacznie lepiej absorbuje tritlenek siarki niż woda. W powietrzu SO3 tworzy koloidalny roztwór stałych cząstek, który to roztwór jest bardzo słabo zwilżany przez wodę. Powstający roztwór tritlenku siarki w 100% kwasie siarkowym, zwany oleum, jest wciąż rozcieńczany wodą, dając kwas siarkowy. Oleum ma również wiele zastosowań, np. przy produkcji niektórych materiałów wybuchowych i sulfonowaniu związków organicznych.
Wielu chemików amatorów ma problem z zakupem kwasu siarkowego z uwagi na ograniczenia jego obrotem etc. Z tego powodu opiszę dwa proste sposoby na jego otrzymanie, tzn. metoda komorowa oraz metoda kontaktowa. Ich stosowanie do domowego otrzymywania kwasu siarkowego nie ma większego sensu (znacznie prościej i taniej jest jednak kupić ten kwas), ale można je wykonać jako eksperyment.
 

Metoda Komorowa

Musimy najpierw złożyć poniższą aparaturę by otrzymać owy kwas siarkowy:

 

Probówkę z bocznym tubusem możemy oczywiści zastąpić zwykła probówką z korkiem i odpowiednio zagiętą rurką szklaną, ale dla wygody lepiej zastosować probówkę z bocznym tubusem. Do kolby kulistej płasko- lub okrągłodennej wkładamy korek z trzema otworami. Do pierwszej dziurki wkładamy rurkę numer 1 (patrz rysunek), do dziurki drugiej wkładamy tak zwany ”zawór Bunsena”, kupny zawór wygląda nieco inaczej, ale samemu możemy sobie podobny zrobić poprzez nacięcie węża gumowego, zatkanie jednego z końców i nasadzenie go szczelnie na rurkę szklaną.


Zawór Bunsena wkładamy pionowo w drugą dziurkę. Do ostatniego otworu - trzeciego, wkładamy odpowiednio wygiętą rurkę szklaną sięgająca dna kolby a na przeciwnym końcu rurki przyłączamy probówkę napełnioną wodą. Taką aparaturę dobrze unieruchamiamy no i możemy zacząć prowadzenie reakcji na otrzymanie kwasu siarkowego. Na początku odłączamy kolbę od reszty aparatury i na łyżce do spalań wprowadzamy palącą się siarkę. Po spaleniu się siarki, szybko zatykamy ową kolbę napełnioną dwutlenkiem siarki (SO2) ze spalonej siarki. Teraz odtykamy próbówkę z bocznym tubusem, wlewamy rozcieńczonego kwasu azotowego (HNO3) i wrzucamy kawałek np. miedzi (Cu), po czym szybko zatykamy probówkę. Powstający dwutlenek azotu (NO2) z miedzi i kwasu azotowego, wlatuje do kolby z dwutlenkiem siarki utlenia SO2 do SO3 według równania reakcji:

NO2 + SO2 ->; NO + SO3

Teraz ogrzewamy próbówkę z wodą. Para wodna uchodzi do kolby i łączy się z trójtlenkiem siarki tworząc rozcieńczony kwas siarkowy:

SO3 + H2O -> H2SO4

Nadmiar gazu i pary wodnej będzie uchodzi przez nasz, wcześniej opisany zawór Bunsena. Rozcieńczony kwas siarkowy zbierać będzie się na dnie kolby. Metoda ta nie ma dużej wydajności i jest męcząca. W przemyśle używa się metody kontaktowej.

Metoda Kontaktowa

Montujemy poniższą aparaturę:

Dwie szersze rurki z trudno topliwego szkła z korkami - w pierwszej rurce w jednym końcu umieszczamy korek i wkładamy kawałek rurki, do której przypinamy tzw. "gruszkę". Do drugiego końca umieszczamy w korku odpowiedni wygiętą rurkę szklaną, a jej drugi koniec umieszczamy w kolbie stożkowej (rurka ma sięgać dna). W tej samej kolbie umieszczamy drugą rurkę szklaną odpowiednio wygiętą, którą również wkładamy do drugiej szerszej rurki. Po drugiej stronie drugiej rurki też wkładamy odpowiednio wygiętą rurkę szklaną, którą również wkładamy do kolby z korkiem z trzema dziurkami. Do drugiej dziurki wkładamy zawór Bunsena, jak w przypadku poprzedniego doświadczenia. Z trzecią dziurką robimy to, co w poprzednim doświadczeniu. W pierwszej rurce umieszczamy trochę pirytu (FeS2). W drugiej rurce umieszczamy katalizator. Posłuży nam jako katalizator Fe2O3 naniesiony na watę szklaną. W przemyśle używa się związków wanadu, najczęściej wanadan sodowy (NaVO3) lub pentatlenek wanadu (V2O5). W wielu szkolnych laboratriach znajdują się znaczne ilości katalizaotra wanadowego - jest to pentatlenek wanadu osadzony na żelu krzemionkowym i aktywowany tlenkami metali alkalicznych - najlepiej będzie jeśli postaramy się o coś takiego. Można go też kupić u niektórych sprzedawców odczynników.
Do probówki nalewamy wody. Reakcję zaczynamy od rozgrzania do czerwoności katalizatora palnikiem gazowym. Teraz ogrzewamy piryt i lekko naciskamy gruszkę. Piryt spala się według poniższej reakcji:

4 FeS2 + 11 O2 -> 2 Fe2O3 + 8 SO2

Dwutlenek siarki wpływa do pustej kolby wraz z resztkami pirytu i tlenku żelaza. Teraz sam dwutlenek siarki przepływa przez katalizator i reaguje na nim do trójtlenku siarki (SO3):

2 SO2 + O2 -> 2 SO3

(…) i następnie wpływa do kolby. Podgrzewamy teraz szybko probówkę z wodą (jednocześnie ciągle co chwilę naciskamy gruszkę), po czym para wodna wpływa do kolby i reaguje z tritlenkiem siarki dając kwas siarkowy.

SO3 + H2O -> H2SO4

Nadmiar pary i gazów uchodzi przez zawór Bunsena, a kwas siarkowy zbiera się na dnie kolby.

Bezpieczeństwo
Największym zagrożenie będzie istniało przy produkcji komorowej, gdyż stężony kwas azotowy jest silnie żrący. Z tego powodu należy nosić okulary i rękawice ochronne. Ostrożnie z palnikiem. Rozcieńczony kwas siarkowy działa drażniąco na oczy i skórę.

Artykuł napisał:
MaLuTkI


Literatura

  • Erich Grosse: "Z chemią za pan brat - eksperymenty"
  • W. Trzebiatowski: "Chmia nieorganiczna"
  • L. Pajdowski: "Chemia ogólna"
Czytany 36097 razy Ostatnio zmieniany środa, 07 grudnia 2011 20:59
Zaloguj się, by skomentować