חומצה גופרתית

חומצה גופרתית היא חומצה שמנונית חסרת צבע וריח, נוזלית בטמפרטורת החדר. נוסחתה: H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>. החומצה הגופרתית היא מחמצן חזק מאוד ולכן היא אחד החומרים הנפוצים ובעלי השימושים הרבים ביותר בתעשייה הכימית. 

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

==מאפיינים כימיים==
החומצה הגופרתית היא מחמצן פעיל מאוד, במיוחד בטמפרטורה גבוהה. כיוון שהיא מהווה חומצה חזקה, היא מסוגלת לגרום פרוטונציה למלחים של חומצות חלשות יותר: <math> \ H_2SO_4 + KNO_3 \rarr KHSO_4 + HNO_3 </math>

בתגובה עם בסיסים ומתכות הנמצאות שמאלה מהמימן בשורת המתחים, החומצה הגופרתית יוצרת את הסולפט (או ההידרוסולפט) המתאים: <math> \ 2NaOH + H_2SO_4 \rarr Na_2SO_4 + 2H_2O </math>, <math> \ Cu + 2H_2SO_4 \rarr CuSO_4 + SO_2+2H_2O </math>. 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 (CH<sub>3</sub>COOH) והחומצה החנקתית (HNO<sub>3</sub>). כך למשל תגיב חומצה חנקתית כבסיס <math>HNO_3 + 2H_2SO_4 \rarr 2HSO_4^- + NO_2^+ + H_3O^+</math>. אמידים ומים למשל יתנהגו כבסיס בעת הוספתם לחומצה זו. אולם ה-super acid (סופר חומצה) fluorosulfuric acid) FSO<sub>3</sub>H) תגרום לכך שחומצה גופרתית תתנהג כבסיס ותקבל פרוטון (<sup>+</sup>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 לעיתים 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 הוא מתפרק 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:
<math>2H_2SO_4 \Leftrightarrow H_3SO_4^+ + HSO_4^- ; Ion\quad product\quad constant\quad (K)=2.7\times10^{-4}M^2</math>

==ייצור==
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 או בתהליך דסולפוריזציה (הסרת גופרית) הנקרא Wet sulfuric acid process. 

=== חיבור בשלבים ===

==== שלב 1: קבלת גז SO<sub>2</sub> ====
ראשיתו של תהליך זה בשריפת הגופרית וקבלת גופרית דו-חמצנית SO<sub>2</sub> בתגובה <math>S_{(s)} + O_{2 (g)}\rarr SO_{2 (g)} </math>, 

את גז הגופרית 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 הגז 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 מבוצע במגדל בו מרססים את הגז שהתקרר בחומצה גופרתית הסופחת את אדי המים. לבסוף מורחקת תחמוצת הארסן על ידי ספיחה לברזל הידרוקסיד Fe(OH)<sub>3.</sub>

==== שלב 2: חמצון SO<sub>2</sub> ל SO<sub>3</sub> ====
את הגופרית הדו-חמצנית מחמצנים לגופרית תלת-חמצנית SO<sub>3</sub> בנוכחות הזרז דו-ונדיום חמש-חמצני V<sub>2</sub>O<sub>5.</sub> הוונדיום בדרגת חמצון 5+ מחמצן את הגופרית בתגובה <math>4V^{+5}+2SO_2+2O^{2-}\longrightarrow2SO_3+4V^{4+} </math>

חמצן אטמוספירי מחמצן את הוונדיום חזרה לדרגת חמצון 5+;

<math>4V^{+4}+O_2\longrightarrow 4V^{5+}+2O^{2-} </math>

כך שהתגובה הכוללת בשלב זה:

<math>2SO_2 + O_2 \rightleftarrows 2SO_3</math>. 

זוהי תגובה אקסותרמית בשיווי משקל כך שהתגובה נוטה לכיוון המגיבים ככל שעולה הטמפרטורה בהתאם לעקרון לה שטלייה. עם זאת כדי שיתרחש הזירוז באמצעות תחמוצת הוונדיום 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 SO<sub>3</sub> עם SO<sub>2</sub> דרך מגדל נוסף בו מטפטפים חומצה גופרתית המגיבה עם SO<sub>3</sub> כך שהגז היוצא מהמגדל הוא בעיקר SO<sub>2</sub> המוזרם שוב למגדל התגובה. בשיטה זו מושגת יעילות של עד 99.8% בהפיכת SO<sub>2</sub> ל SO<sub>3</sub>.

==== שלב 3: תגובה עם מים לקבלת חומצה גופרתית ====
בעיקרון את הגופרית התלת-חמצנית SO<sub>3</sub> ניתן להמס במים, וכך לקבל את החומצה בתגובה <math>SO_{3(g)} + H_2O_{(l)} \rarr H_2SO_4 </math> אבל המסה ישירה זו של SO<sub>3</sub> במים אינה מעשית בשל האקסותרמיות הגבוהה של התגובה, שגורמת להיווצרות אדי חומצה במקום נוזל. במקום המסה ישירה, סופחים SO<sub>3</sub> על H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> על ידי העברת גז חם דרך החומצה ומתקבל H<sub>2</sub>S<sub>2</sub>O<sub>7</sub> (חומר הנקרא oleum) <math>H_2SO_{4(l)}+SO_{3(g)}\longrightarrow H_2S_2O_{7(l)} </math>, שאותו מגיבים עם מים לקבלת התוצר הסופי <math>H_2S_2O_{7(l)}+H_2O_{(l)}\longrightarrow 2H_2SO_{4(l)} </math>.

=== הסרת גופרית ===

==== שלב 1: קבלת גז SO<sub>2</sub> ====
ראשיתו של תהליך זה בשריפת הגופרית וקבלת גופרית דו-חמצנית SO<sub>2</sub> בתגובה <math>S_{(s)} + O_{2 (g)}\rarr SO_{2 (g)} </math> (297- קילוג'ול למול) 

או, לחלופין, שריפת מימן גופרי וקבלת גופרית דו-חמצנית בתגובה <math>2 H_{2} S_{(g)} + 3 O_{2 (g)}\rarr 2H_{2} O_{(l)} + 2 SO_{2 (g)} </math> (1036- קילוג'ול למול) 

==== שלב 2: חמצון SO<sub>2</sub> ל SO<sub>3</sub> ====
את הגופרית הדו-חמצנית מחמצנים לגופרית תלת-חמצנית SO<sub>3</sub> בנוכחות הזרז דו-ונדיום חמש-חמצני V<sub>2</sub>O<sub>5.</sub> הוונדיום בדרגת חמצון 5+ מחמצן את הגופרית בתגובה <math>4V^{+5}+2SO_2+2O^{2-}\longrightarrow2SO_3+4V^{4+} </math> (198- קילוג'ול למול)

ומוסיפים מים לקבלת חומצה גופרתית בתגובה <math>2SO_{3 (g)} + 2H_{2} O_{(l)} \longrightarrow H_2SO_{4 (g)} </math> (101- קילוג'ול למול)

==== שלב 2: זיקוק H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> לנוזל בריכוז 97-98% ====
<math>H_2SO_{4 (g)} \longrightarrow H_2SO_{4 (l)} </math> (69- קילוג'ול למול)

=== שיטות נוספות ===
שיטה פחות ידועה היא שיטת הדיסולפט ובה דיסולפט מונח בתחתית הכוס ומתווספת חומצה הידרוכלורית, הגז שנוצר מועבר דרך חומצה חנקתית שתשחרר אדי חנקן דו-חמצני בתגובה <math>2 SO_2 + 2HNO_3 + 2 H_2O \rarr H_2SO_4 + 2NO</math> 

שריפת גופרית עם אשלגן חנקתי בנוכחות אדי מים הייתה בשימוש לאורך ההיסטוריה, האשלגן החנקתי מחמצן את הגופרית לגופרית תלת-חמצנית שמגיבה עם המים ליצירת חומצה גופרתית.

ניתן להמס גופרית דו-חמצנית בתמיסה מימית של מלח מתכת מחמצן כמו נחושת דו-כלורית או ברזל תלת כלורי בתגובות 

<math>2 FeCl_3 + 2 H_2O + SO_2 \rarr 2 FeCl_2 + H_2SO_4 + 2HCl</math> 

<math>2 CuCl_2 + 2 H_2O + SO_2 \rarr 2 CuCl + H_2SO_4 + 2HCl</math> 

ניתן גם להפיק את החומצה בדרכים פחות מוכרות באמצעות אלקטרוליזה של תמיסה מימית של נחושת גופרתית, או באמצעות מימן ברומי (בתהליך מסוכן ויקר מאוד).

==שימושים==
עקב היותה חומר פעיל מאוד, לחומצה הגופרתית שימושים רבים. להלן העיקריים שבהם:
* החומצה משמשת לעיתים כזרז, כגון בתהליכי ניטרציה וייצור ניילון. כמו כן חומצה גופרתית עם סיליקה משמשת כזרז בהמרה אורגנית.
* החומצה היא האלקטרוליט בסוללת עופרת-חומצה, המשמשת כמצבר במכוניות מודרניות.
* מחומצה גופרתית ומחנקות (בעיקר אשלגן חנקתי) מפיקים חומצה חנקתית על פי התגובה הבאה: <math>\ KNO_3+H_2SO_4 \rarr KHSO_4+HNO_3</math>; כמו כן, מחומצה גופרתית וממלח בישול מפיקים חומצת מלח: <math> \ H_2SO_4 + 2NaCl \rarr 2HCl + Na_2SO_4 </math>

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

==בטיחות==
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==
* סולפט – הבסיס המצומד, או המלח, של חומצה גופרתית

==קישורים חיצוניים==

* גיליון בטיחות חומרים [https://web.archive.org/web/20121119041329/http://avogadro.chem.iastate.edu/MSDS/H2SO4.htm של חומצה גופרתית] 
* 
* 
* 

==הערות שוליים==

גופרתית
גופרתית
קטגוריה:גופרית: תרכובות
קטגוריה:כימיה של שיווי משקל