חומצה גופרתית

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: 
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 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 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

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

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 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 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

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

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  .

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.