חומצה גופרתית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
חומצה גופרתית
Sulfuric-acid-2D-dimensions.svg
Sulfuric-acid-Givan-et-al-1999-3D-vdW.png
שם סיסטמטי חומצה גופרתית
שמות נוספים מספר או"ם 1830
נוסחה כימית H2SO4
מסה מולקולרית 98.07844 גרם/מול
מראה שקוף-חסר צבע, חסר ריח.
מספר CAS 7664-93-9
צפיפות 1.84 גרם/סמ"ק
מצב צבירה נוזל
מסיסות מסיס לגמרי במים (בתהליך אקסותרמי)
טמפרטורת היתוך 10 °C
283.15 K
טמפרטורת רתיחה 290 °C
563.15 K
מקדם שבירה 1.397 עריכת הנתון בוויקינתונים
חומציות -3
NFPA 704
לעריכה בוויקינתונים שמשמש מקור לחלק מהמידע בתבנית

חומצה גופרתית היא חומצה שמנונית חסרת צבע וריח, נוזלית בטמפרטורת החדר. נוסחתה: H2SO4. החומצה הגופרתית היא מחמצן חזק מאוד ולכן היא אחד החומרים הנפוצים ובעלי השימושים הרבים ביותר בתעשייה הכימית.

המבנה המרחבי של החומצה הוא טטרהדרלי. קשרי מימן בין-מולקולריים מקנים לה טמפרטורת רתיחה גבוהה (ומכאן שניתן לעבוד איתה בטמפרטורות גבוהות) וכן מסיסות טובה במים.

מאפיינים כימיים[עריכת קוד מקור | עריכה]

החומצה הגופרתית היא מחמצן פעיל מאוד, במיוחד בטמפרטורה גבוהה. כיוון שהיא מהווה חומצה חזקה, היא מסוגלת לגרום פרוטונציה למלחים של חומצות חלשות יותר:

בתגובה עם בסיסים ומתכות הנמצאות שמאלה מהמימן בשורת המתחים, החומצה הגופרתית יוצרת את הסולפט (או ההידרוסולפט) המתאים:

,
. תגובות אלו מתרחשות בתמיסה מרוכזת וחמה.

כל הבסיסים במים הם גם בסיסים בחומצה גופרתית. קיימות חומצות אחרות שתתנהגנה כבסיס בהוספתן לחומצה גופרתית. דוגמה לכך הן החומצה האצטית (CH3COOH) והחומצה החנקתית (HNO3). כך למשל תגיב חומצה חנקתית כבסיס
. אמידים ומים למשל יתנהגו כבסיס בעת הוספתם לחומצה זו. אולם ה-super acid (סופר חומצה) fluorosulfuric acid) FSO3H) תגרום לכך שחומצה גופרתית תתנהג כבסיס ותקבל פרוטון (+H).

בסביבה מימית, התפרקות החומצה תהיה מלווה בפליטת חום לסביבה (תגובה אקסותרמית). החומצה הגופרתית היא חומצה דו-פרוטית חזקה, כלומר בתגובה עם בסיס היא עוברת פירוק מלא, שמתרחש בשני שלבים. בשלב הראשון תתרחש סתירה חלקית (פרוטון ראשון, H+) יון ההידרוקסיד המקבל מהבסיס נקשר עם הפרוטון הנמסר מהחומצה ליצירת מולקולת מים ראשונה, נקודה B, עם המשך התגובה מתקבלת סתירה מלאה, יון הידרוקסיד נוסף נקשר לפרוטון השני של החומצה ליצירת מולקולת מים שנייה.

החומצה הגופרתית מגיבה עם מים בתגובה אקסותרמית אלימה מאוד, שבה מופק חום רב. מסיבה זו לעולם אין לשפוך מים לתוך חומצה גופרתית, אלא רק חומצה גופרתית למים. מסיבה זו גם חומצה גופרתית משמשת לעתים בתהליכי ייבוש, כגון בתהליכי הכנת פירות יבשים. ביטוי אחר לזיקה (affinity) של החומצה הגופרתית לאטומי מימן וחמצן, שאותם היא "קורעת" מתוך מולקולות, היא תגובתה עם עמילן, שבמהלכה מתפרק האחרון כליל לפחמן ולמים.

מכיוון שהמקדם הדיאלקטרי היחסי (ε=110) של החומצה הוא גבוה משל מים, היא מהווה ממס טוב לחומרים יוניים. החומצה הגופרתית עוברת יינון עצמי חזק:

ייצור[עריכת קוד מקור | עריכה]

חומצה גופרתית מייצרים מגופרית, מחמצן וממים, בתהליך של חיבור בשלבים הנקרא contact process. התהליך פותח בשנת 1831 על ידי יצרן חומץ בריטי בשם Peregrine Phillips.

שלב 1: קבלת גז SO2[עריכת קוד מקור | עריכה]

ראשיתו של תהליך זה בשריפת הגופרית וקבלת דו-תחמוצת הגופרית SO2 בתגובה ,

את גז הגפרית הדו חמצנית יש לנקות מאדי מים, אבק ותחמוצת ארסן כדי למנוע תגובות לא רצויות עם הזרז (תחמוצת ונדיום) בשלב הבא. כדי להיפטר מאבק מזרימים את בגז החם במגדל עם קיטור (dusting tower). השלב הבא בניקוי הוא העברת הגז לאחר קירור ב"מגדל שטיפה" שם מרססים אותו בטיפות מים כדי להרחיק חומרים מסיסים. ייבוש הגז המבוצע במגדל בו מרססים את הגז שהתקרר בחומצה גופרתית הסופחת את אדי המים. לבסוף מורחקת תחמוצת הארסן על ידי ספיחה לברזל הידרוקסיד Fe(OH)3.

שלב 2: חמצון SO2 ל SO3[עריכת קוד מקור | עריכה]

את דו חמוצת הגפרית מחמצנים לתלת-תחמוצת הגופרית SO3 בנוכחות הזרז חמש-תחמוצת הוונדיום V2O5. הונדיום בדרגת חמצון 5+ מחמצן את הגפרית בתגובה

חמצן אטמוספירי מחמצן את הוונדיום חזרה לדרגת חמצון 5+;

כך שהתגובה הכוללת בשלב זה:

.

זוהי תגובה אקסותרמית בשיווי משקל כך שהתגובה נוטה לכיוון המגיבים ככל שעולה הטמפרטורה בהתאם לעקרון לה שטלייה. עם זאת כדי שיתרחש הזרוז באמצעות תחמוצת הונדיום על הטמפרטורה להיות לפחות 400°C.

התהליך מבוצע במגדל בו עובר הגז דרך כמה שכבות זרז. כדי להשיג יעילות גבוהה (מעל לריכוז התוצר בשיווי משקל) מזרימים את הגז היוצא מהמגדל שהוא תערובת של התוצר SO3 עם SO2 דרך מגדל נוסף בו מטפטפים חומצה גופרתית המגיבה עם SO3 כך שהגז היוצא מהמגדל הוא בעיקר SO2 המוזרם שוב למגדל התגובה. בשיטה זו מושגת יעילות של עד 99.8% בהפיכת SO2 ל SO3.

שלב 3: תגובה עם מים לקבלת חומצה גופרתית[עריכת קוד מקור | עריכה]

כעקרון את תלת-התחמוצת SO3 ניתן להמיס במים, וכך לקבל את החומצה בתגובה אבל המסה ישירה זו של SO3 במים אינה מעשית בשל האקסותרמיות הגבוהה של התגובה, שגורמת היווצרות אדי חומצה במקום נוזל. במקום המסה ישירה, סופחים SO3 על H2SO4 על ידי העברת גז חם דרך החומצה ומתקבל H2S2O7 (חומר הנקרא oleum) , שאותו מגיבים עם מים לקבלת התוצר הסופי .

שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

עקב היותה חומר פעיל מאוד, לחומצה הגופרתית שימושים רבים. להלן העיקריים שבהם:

בנוסף לכך, בחומצה גופרתית משתמשים לצורך ייצור דשנים מסוימים, כגון דשני זרחן ודשני אמוניה; בתהליכי זיקוק נפט ועיבוד עורות; בעת ייצור סיבים כימיים, צבעים וחומרי נפץ.

בטיחות[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשל היותה מחמצן חזק, החומצה הגופרתית היא חומצה מסוכנת, משום שהיא מפרקת את כל התרכובות האורגניות. למשל, ערבוב חומצה גופרתית מרוכזת עם החד-סוכר גלוקוז, יגרום לכך שהגלוקוז יתפרק למים ולפחמן. במגע עם גוף חי החומצה הורסת את רקמותיו.

במגע עם העור גורמת החומצה לכוויות חמורות יותר משאר החומצות החזקות, (כגון החומצה החנקתית וחומצת המלח) בשל הנזק השניוני שנגרם מהחום שנוצר כשהחומצה מגיבה עם המים שברקמה. מסיבה זו יש לסלק את החומצה מהעור קודם לשטיפת המקום הפגוע במים במשך כ-10 עד 15 דקות.

אדי החומצה מזיקים גם הם, והם פוגעים בעיניים, בדרכי הנשימה וברקמות הריריות של הגוף. חשיפה חוזרת ונשנית לאדים של חומצה גופרתית עלולה לגרום לשחיקת השיניים.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]