Axit sunfuric (H2SO4) là một hợp chất lỏng có tính axit mạnh. Nó được sản xuất rất nhiều và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất phân bón, xử lý quặng, xử lý nước thải và lọc dầu. Bài viết này sẽ làm rõ hơn về hợp chất này.
1. Axit sunfuric là gì?
1.1. Tổng quan
Axit sunfuric là một hợp chất nổi tiếng với axit mạnh cùng với axit clohidric và axit nitric. Hợp chất được sản xuất rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp hóa chất. Lượng axit sunfuric được sản xuất ở mỗi quốc gia cũng cho biết quy mô của ngành công nghiệp hóa chất của quốc gia đó.
Axit clohydric, axit sunfuric và axit nitric được gọi chung là ba axit mạnh. Tuy nhiên, sẽ có loại axit siêu mạnh còn mạnh hơn loại này, và nó là tiêu chí để xác định axit siêu mạnh. Nếu độ axit cao hơn axit sunfuric nguyên chất, nó sẽ trở thành một axit siêu mạnh.
Một chất quan trọng trong công nghiệp, được cho là bông hoa của ngành công nghiệp hóa chất. Ví dụ, nếu không có nó, bản thân ngành công nghiệp mạ không thể thành lập và ngăn chặn sự ăn mòn kim loại.
Nó còn được sử dụng rộng rãi để loại bỏ độ ẩm, được sử dụng trong pin axit chì. Nói cách khác, nếu nó biến mất ngay lập tức, những chiếc xe điện sẽ như là một vật trưng bày.
Ngoài vai trò là chất oxi hóa, dễ phản ứng ở nhiệt độ cao với nhiều kim loại, cacbon, lưu huỳnh và các chất khác. Axit sunfuric đặc còn là chất khử nước mạnh, kết hợp mạnh với nước. Nó phân tách nhiều vật liệu hữu cơ, chẳng hạn như gỗ, giấy, hoặc đường, để lại cặn cacbon.
Thuật ngữ oleum, được áp dụng cho các dung dịch lưu huỳnh trioxit trong axit sunfuric 100%. Những dung dịch này, thường chứa 20, 40 hoặc 65% lưu huỳnh trioxit, được sử dụng để điều chế các hóa chất hữu cơ.
1.2. Axit sunfuric là gì?
Axit sunfuric(H2SO4), hay còn gọi là dầu của Vitriol dày đặc, không màu. Nó được điều chế công nghiệp bằng phản ứng của nước với lưu huỳnh trioxit. Ở các nồng độ khác nhau, axit được ứng dụng trong sản xuất cũng khác nhau.
Như sản xuất phân bón, chất màu, thuốc nhuộm, thuốc, chất nổ, chất tẩy rửa, muối và axit vô cơ, cũng như trong các quy trình luyện kim và lọc dầu. Axit sunfuric tinh khiết có trọng lượng riêng là 1.830 ở 25°C (77°F), nó đóng băng ở 10,37°C (50,7°F).
Khi đun nóng, axit nguyên chất bị phân hủy một phần thành nước và lưu huỳnh trioxit. Phần sau thoát ra dưới dạng hơi cho đến khi nồng độ của axit giảm xuống 98,3%. Do có ái lực với nước, axit sunfuric tinh khiết không tồn tại trong tự nhiên.
Hoạt động của núi lửa có thể tạo ra axit sunfuric, tùy thuộc vào lượng khí thải liên quan đến các núi lửa cụ thể. Các sol khí của nó từ một vụ phun trào có thể tồn tại trong tầng bình lưu trong nhiều năm.
Các sol khí này sau đó có thể biến đổi thành sulfur dioxide (SO2), một thành phần của mưa axit. Hoạt động núi lửa là một yếu tố góp phần tương đối nhỏ vào lượng mưa axit. Nó là một axit rất mạnh; trong dung dịch nước, nó ion hóa hoàn toàn để tạo thành các ion hydronium (H3O+) và các ion hydro sulfat (HSO4 –).
Trong dung dịch loãng, các ion hydro sunfat cũng phân ly, tạo thành nhiều ion hydronium và ion sunfat (SO4 2− ).
2. Lịch sử
2.1. Phát triển như thế nào?
Vào thế kỷ 18 ở Anh, các ngành công nghiệp khai thác và kim loại phát triển nhanh chóng, và nhu cầu về axit sunfuric tăng lên. Trước đây, nó chủ yếu được tạo ra trong các lọ thủy tinh hình chuông bằng cách đốt lưu huỳnh và hấp thụ khói thành nước.
Nhưng vào năm 1737, John Roebuck bác sĩ và nhà hóa học người Anh đã mở rộng phương pháp này và sử dụng nhiều lọ có dung tích lớn. Họ đã sản xuất và bán với số lượng lớn. Do đó, giá axit sunfuric đã giảm xuống còn một phần hai mươi. Nhưng vẫn không theo kịp với nhu cầu ngày càng tăng.
Bằng cách này, quy trình sản xuất của nó đã chuyển từ quy mô tiểu thủ công nghiệp sang quy mô công nghiệp. Nhờ sự xuất hiện của phương pháp buồng chì. John Roebuck đã hình thành nên việc sử dụng một bình chứa chì có thể được làm với kích thước bất kỳ. Thay vì thủy tinh dễ vỡ và đắt tiền làm bình cho phản ứng.
Năm 1749, một nhà máy sản xuất axit sunfuric bằng phương pháp đốt đã bắt đầu đi vào hoạt động. Vào thời điểm này, sản lượng của ngành công nghiệp dệt, vốn là động lực của Cách mạng Công nghiệp Anh, bắt đầu gia tăng mạnh mẽ. Vải phải trải qua quá trình tẩy trắng trước khi được nhuộm và đưa ra thị trường.
Nó được ngâm luân phiên trong một dung dịch có tính axit và sau đó được rửa sạch dưới ánh nắng mặt trời. Quá trình tẩy trắng bằng axit diễn ra rất nhanh, chi phấp lại thấp.
2.2. Phương pháp trong thời gian đầu
Phương pháp đốt cháy được phát triển trong giai đoạn đầu của ngành công nghiệp axit sunfuric sử dụng oxit nitric là axit nitric. Trong phương pháp này, cần có một buồng khói khổng lồ có chiều rộng 50 x 10 m và cao 10 m.
Một thiết bị khổng lồ như vậy chiếm rất nhiều diện tích, và sử dụng nguyên liệu chì khá đắt tiền. Nên nó cần phải có sự cải tiến hơn, để giảm các chi phí lại. Phương pháp axit nitric được hình thành.
Vì axit nitric được thêm vào như một trong những nguyên liệu thô (đôi khi được sử dụng amoniac), và nó bị oxy hóa để tạo thành nitơ đioxit (NO2). Nitơ đioxit tạo oxy cho lưu huỳnh đioxit và trở thành nitơ monoxit (II) (NO), cũng bị oxi hóa bởi khí oxy và trở lại thành nitơ đioxit.
Sở dĩ người ta không dùng khí oxi trực tiếp để oxi hóa khí lưu huỳnh đioxit. Mà lại cố tình sử dụng khí nitơ là khí oxi rất khó oxi hóa trực tiếp bằng khí oxi vì tốc độ phản ứng thường chậm.
Vanadi pentoxit được sử dụng làm chất xúc tác. Mặc dù platin hoặc oxit sắt cũng có thể cho thấy tác dụng xúc tác khá tốt. Nhưng việc sử dụng vanadi pentoxit là do các yếu tố toàn diện như giá cả, tuổi thọ và tính dễ sử dụng.
Trong phương pháp tiếp xúc, do lưu huỳnh đioxit phải được tinh chế cẩn thận để duy trì tuổi thọ của chất xúc tác. Dẫn đến chi phí sản xuất axit sunfuric có phần đắt đỏ. Nhưng do có thể sản xuất nó với độ tinh khiết và nồng độ cao, nên việc sản xuất này vẫn được dùng nhiều.
3. Axit sunfuric đặc
3.1. Thông tin cơ bản
Axit sunfuric, mà chúng ta thường biết đến như một axit mạnh, là loại loãng. Trái ngược với tên gọi của nó, loại loãng có tính axit cao hơn. Axit sunfuric đậm đặc rất nhớt, dính và rất nặng do tỷ trọng của nó. Hầu như loại đậm đặc không có tính axit, nhưng lại có khả năng khử nước rất lớn.
Vì vậy khi trộn một chất chứa hydro và oxy như carbohydrate, cấu trúc phân tử của nó đã bị phá hủy. Nguyên tử hydro và oxy được trộn theo tỷ lệ 2:1, tổng hợp nước và ion hóa. Nó còn là được sử dụng làm chất hút ẩm trong phòng thí nghiệm.
Ngoài ra, người ta thường sử dụng axit sunfuric đặc hoặc axit sunfuric loãng đun nóng để gây mất nước trong tổng hợp hữu cơ. Được sử dụng làm chất xúc tác hoặc chất phản ứng cho các phản ứng hóa học khác nhau.
Khi axit sunfuric đậm đặc tiếp xúc với da, không được rửa bằng nước ngay lập tức. Rửa sau khi loại bỏ axit đậm đặc trên da càng nhiều càng tốt bằng khăn giấy hoặc vải. Axit sunfuric đậm đặc khi tiếp xúc với nước sẽ sinh nhiệt và trở nên loãng hơn.
Ngoài ra, cho dù axit sunfuric đậm đặc hay loãng đều nguy hiểm, không được xử lý trừ khi bạn đã được đào tạo chuyên môn và đang đeo thiết bị bảo hộ.
3.2. Thông tin thêm
Khi trộn một lượng nhỏ photpho pentoxit (P4O10) với axit sunfuric đặc, axit bị khử nước để trở thành lưu huỳnh trioxit, ngoài ra nó tạo ra các oleum. Một hỗn hợp oleum + axit sunfuric đặc + axit photphoric đậm đặc được tạo thành.
Chất oxy hóa như axit persulfuric (S2O8) được thêm vào nó. Các chất vô cơ như than chì hoặc nano cacbon khó bị oxy hóa được hình thành. Khi chế tạo axit sunfuric loãng, phải thực hiện bằng cách dùng đũa thủy tinh đổ axit đặc vào một lượng lớn nước.
Khi hơi ẩm được cung cấp cho axit sunfuric đặc, nó sẽ ion hóa nhanh chóng và giải phóng một lượng nhiệt lớn đủ nhanh để đun sôi nước. Axit đặc có khối lượng riêng lớn hơn nước nên nếu đổ axit sunfuric đặc vào nước thì chúng sẽ nhanh chóng chìm vào nước và tỏa nhiệt.
Dung dịch của chúng dễ bắn ra ngoài. Ngoài ra, bình thủy tinh đựng dung dịch này thường bị nứt, vỡ do nhiệt độ thay đổi nhanh. Vì vậy, người ta thường sử dụng thủy tinh thí nghiệm có hệ số giãn nở nhiệt thấp cho các thí nghiệm liên quan đến hóa học.
Còn trong các thí nghiệm hóa học nói chung ở các trường học. Để đảm bảo cho học sinh tham gia, các thầy cô thường phải chuẩn bị trước dung dịch axit sunfuric loãng. Để làm cho axit sunfuric loãng an toàn hơn, hãy đặt ống thí nghiệm vào một chậu nước đá không ngập.
Đổ đầy nước và sau đó thêm axit sunfuric,để nó chảy từ từ. Ngay cả khi nhiệt được tạo ra, vẫn an toàn do có đá giữ nhiệt.
4. Sử dụng
Một chất lỏng trong đó axit sunfuric và hydro peroxit được trộn theo tỷ lệ 3: 1 đến 7: 1 được gọi là dung dịch Piranha. Nó có khả năng oxy hóa rất mạnh. Vì hầu hết các chất hữu cơ có thể bị thổi bay, nó thường được sử dụng để làm sạch các phiến kính trong phòng thí nghiệm.
Ngoài ra, một lớp phủ ưa nước được áp dụng bằng cách gắn một nhóm hydroxyl (-OH) vào vật liệu. Một số chất oxy hóa có được khả năng oxy hóa rất lớn khi trộn với axit sunfuric đậm đặc. Ngoài hydro peroxit, còn có các hỗn hợp thường gặp khác, như axit nitric và kali dicromat và thuốc tím.
Cần lưu ý rằng bất kỳ chất oxy hóa nào cũng không được có nồng độ quá cao trong axit. Nếu cao hơn sẽ dẫn đến tình trạng cháy nổ. Khi trộn với kali pemanganat, hai phân tử axit pemanganic được thu nhận và khử nước để tạo thành chất lỏng màu xanh đậm gọi là mangan heptoxide (Mn2O7).
Nó sẽ tạo ra một chất oxy hóa với tác dụng mạnh mẽ hơn cả dung dịch Piranha. Thường là chất có trong các thuốc tím. Về mặt nông nghiệp, khi hạt quá cứng hoặc lớp sáp khó thấm vào, người ta xử lý hạt bằng axit sunfuric để bóc vỏ. Ví dụ, hạt cây sơn thù du .
Axit sunfuric là hợp chất hóa học có rất nhiều công dụng có ích nếu bạn sử dụng đúng cách. Cũng là hợp chất gây nguy hiểm chết người nếu bạn sử dụng với mục đích xấu xa. Nên bạn cần phải lưu ý khi sử dụng hợp chất này.
