سولفوریک اسید

تاریخچه

سولفوریک اسید برای نخستین بار توسط جابر بن حیان کشف شد. او با تقطیر کانی‌های سولفات آهن (معروف به زاج سبز) (آهن سولفات هفت آبه به فرمول FeSO₄.7H₂O) و مس(II) سولفات، این اسید را به دست آورد.
در قرن هجدهم، جان گلوبر، اسید سولفوریک را از سوزاندن گوگرد و نیترات پتاسیم در مجاورت بخار آب تهیه کرد.
در سال‌های بعد، جان روبک اسید سولفوریک را با غلظت ۴۰–۳۵٪ در ظروف سربی تولید می‌کرد.
در سال ۱۸۲۷ با معرفی برج‌های سربی برای بازیافت اکسیدهای نیتروژن توسط ژوزف گیلوساک قدم مهمی در تولید اسید سولفوریک برداشته شد و نخستین بهینه‌سازی انجام یافته بر روی آن مبتنی بر افزودن هوای محیط به سیستم به منظور پیشرفت بیشتر واکنش بود. همچنین به جای استفاده از سیستم ناپیوسته (batch) از سیستم پیوسته سوزاندن گوگرد در آن استفاده گردید.
۳۲ سال بعد جان گلاور اولین برج حذف نیتروژن و افزایش غلظت اسید سولفوریک را معرفی نمود. برج‌های گیلوساک و گلاور اولین برج حذف نیتروژن و افزایش غلظت اسیدسولفوریک را معرفی نمود. برج‌های گیلوساک و گلاور بخش‌های اصلی سیستمی را که ما امروزه به نام فرایند تولید اسید سولفوریک در اتاق سربی می‌شناسیم را تشکیل می‌دهند.
کارهای ابتدایی روی فرایند مجاورت (تماسی) توسط فیلیپس در سال ۱۸۳۱ انجام گرفت. در آن زمان تحقیقات روی انجام واکنش بین گوگرد دی‌اکسید و اکسیژن با نسبت‌های استوکیومتری متمرکز بود.
در سال ۱۹۰۱ با گشوده شدن رموز پارامترهای فرایندی واکنش اکسیداسیون کاتالیکی گوگرد دی‌اکسید توسط شرکت BASF فرایند مدرن مجاورت (تماسی) متولد شد و اولین کارخانه تولید اسید سولفوریک به روش مجاورت (تماسی) توسط آن شرکت و در آمریکا ساخته شد. حال با گذشت بیش از یک قرن از معرفی فرایند مجاورت (تماسی)، اگرچه مبانی مورد استفاده آن در کارخانه‌های تولید اسید سولفوریک ثابت باقی مانده ولی واحدها، بزرگتر و پیچیده‌تر شده‌اند و با اینکه صنعت تولید اسید سولفوریک یک صنعت قدیمی محسوب می‌شود ولی توسعه پیوسته آن برای ساخت واحدهای بهینه‌تر ادامه دارد. در واحدهای امروزی ساخت اسید سولفوریک هدف بر روی کاهش آلودگی‌ها، بهبود بازده و ایمنی، کاهش هزینه‌های ساخت و بهره‌برداری متمرکز شده‌است.

کاربرد

از سولفوریک اسید در تهیه کودهای شیمیایی، مواد منفجره (مانند تی ان تی)، آب باتری اتومبیل، صنایع معدنی و فلزی، چرم سازی، لاستیک سازی، نساجی و شوینده استفاده می‌شود.

خواص فیزیکی

این ماده دارای مولکول‌های دارای گشتاور قطبی است که می‌توانند با یک‌دیگر پیوند هیدروژنی برقرار کنند. پس سولفوریک اسید مایعی است با نقطه جوش بالا و هم چنین یک مایع ویسکوز (دارای گران روی زیاد) محسوب می‌شود. همین شرایط مولکولی باعث می‌شوند که سولفوریک اسید به خوبی در آب حل شود و محلول‌های اسیدی مختلف تولید کند.

ساختار مولکولی و خصلت اسیدی

این ماده از مولکول‌هایی شامل یک اتم گوگرد، چهار اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن ساخته شده‌است. از آن‌جا که هیدروژن‌ها به اتم اکسیژن متصل هستند، حامل بار مثبت جزئی می‌باشند و قادرند به عنوان هیدروژن اسیدی عمل کنند. با از دست دادن اولین هیدروژن، آنیون هیدروژن‌سولفات تولید می‌شود که با توجه به ساختارهای رزونانسی، بسیار پایدار است؛ بنابراین اولین تفکیک سولفوریک اسید، به شکل کامل انجام می‌شود:
H₂SO₄ + H₂O → HSO₄⁻ + H₃O⁺ (1
برای دومین مرحله، باید هیدروژن به شکل کاتیون، آنیون هیدروژن‌سولفات را ترک کند که چندان راحت نیست؛ بنابراین تفکیک دومین هیدروژن اسیدی در سولفوریک اسید، کامل نیست و یک واکنش تعادلی است:
HSO₄⁻ + H₂O ⇔ H₃O⁺ + SO₄²⁻ (2

فرایند مجاورت

سولفوریک اسید، یکی از مهم‌ترین مواد شیمیایی صنعتی است که با استفاده از فرایند مجاورت تولید می‌شود.
در مرحله نخست گوگرد در مجاورت اکسیژن، اکسید شده و گوگرد دی‌اکسید به دست می‌آید:
S(s) + O₂(g) → SO₂(g) (1
در مرحله بعد گوگرد دی‌اکسید در مجاورت یک کاتالیزگر و در واکنش با اکسیژن اضافی به SO۳ اکسیده می‌شود:
SO₂(g) + O₂(g) → SO₃(g) (2
این واکنش گرماده است و انتروپی (بی نظمی) آن کاهش می‌یابد چون عامل انتروپی نامساعد است (پدیده‌های جهان به سمت بی نظمی بیشتر می‌روند) یک عامل نامساعد ترمودینامیکی دارد پس برگشت‌پذیر است.
واکنش بالا در دمای معمولی بسیار کند است؛ لذا در روش صنعتی، از دماهای بالاتر (۴۰۰C تا۷۰۰C) و از یک کاتالیزور (مانند پنتا اکسید وانادیم V۲O۵ یا اسفنج پلاتین، که البته امروزه کمتر به کار می‌رود) استفاده می‌شود.
از واکنش گوگرد تری‌اکسید با آب، محلول سولفوریک اسید تشکیل می‌شود:
SO₃(g) + H₂O(l) → H₂SO₄(aq) (3
با تکرار مراحل بالا و دمیدن گوگرد تری‌اکسید درون محلول سولفوریک اسید، پیروسولفوریک اسید (H₂S₂O₇) تشکیل می‌شود:
H₂SO₄(l) + SO₃(g) → H₂S₂O₇(l) (4
سپس با افزودن آب به پیروسولفوریک اسید، محلول سولفوریک اسید را تهیه می‌کنند:
H₂S₂O₇(l) + H₂O(l) → 2H₂SO₄(l) (۵
کنترل این روش که در آن، پیروسولفوریک اسید تشکیل می‌شود، آسان‌تر از واکنش مستقیم گوگرد تری‌اکسید با آب است؛ بنابراین از این واکنش برای تولید سولفوریک اسید با درصد معین و غلظت دل‌خواه استفاده می‌شود.