Acid sulfuric

Acid sulfuric (H2SO4), còn được gọi là vitriol (thông thường được dùng để gọi muối sulfat, đôi khi được dùng để gọi loại acid này), là một acid vô cơ gồm các nguyên tố lưu huỳnh, oxy và hydro, có công thức hóa học H2SO4. Nó là một chất lỏng không màu, không mùi và sánh, hòa tan trong nước, trong một phản ứng tỏa nhiệt cao.
Tính ăn mòn của nó có thể được quy định chủ yếu là có tính acid mạnh và nếu ở nồng độ cao, có tính chất khử nước và oxy hóa. Nó cũng hút ẩm, dễ dàng hấp thụ hơi nước từ không khí. Khi tiếp xúc, acid sulfuric có thể gây bỏng hóa chất nghiêm trọng và thậm chí bỏng nhiệt thứ cấp; nó rất nguy hiểm ngay cả ở nồng độ vừa phải.
Acid sulfuric là một hóa chất công nghiệp rất quan trọng, và sản lượng acid sulfuric của một quốc gia là một chỉ số tốt về sức mạnh công nghiệp của quốc gia đó. Nó được sản xuất rộng rãi với các phương pháp khác nhau, như quy trình tiếp xúc
, quy trình acid sulfuric ướt, quy trình buồng chì và một số phương pháp khác.
Ứng dụng phổ biến nhất của acid sulfuric là sản xuất phân bón. Nó cũng là một chất trung tâm trong công nghiệp hóa chất. Ứng dụng chính bao gồm sản xuất phân bón (và chế biến khoáng sản khác), lọc dầu, xử lý nước thải, hóa muối các kim loại mạnh hơn Cu và tổng hợp hóa học. Nó có một loạt các ứng dụng cuối cùng bao gồm cả chất tẩy rửa có tính acid trong nước, và làm chất điện phân trong pin acid-chì và trong các chất tẩy rửa khác nhau.
Trạng thái.
Acid sulfuric tinh khiết hoàn toàn không được tìm thấy trên Trái Đất, do áp lực rất lớn giữa acid sulfuric và nước. Ngoài ra, acid sulfuric là thành phần của mưa acid, được tạo thành từ lưu huỳnh dioxide trong nước bị oxy hóa, hay là acid sulfurơ bị oxy hóa. Lưu huỳnh dioxide được sản xuất khi nhiên liệu chứa lưu huỳnh (than đá hoặc dầu) bị đốt cháy.
Acid sulfuric được tạo thành trong tự nhiên bởi quá trình oxy hóa quặng pyrit, ví dụ như quặng pyrit sắt. Phân tử oxy oxy hóa quặng pirit sắt (FeS2) thành ion sắt(II) hay Fe2+:
Fe2+ có thể bị oxy hóa lên Fe3+:
và Fe3+ tạo ra có thể kết tủa dưới dạng hydroxide. Phương trình tạo thành hydroxide là
Ion sắt(III) cũng có thể oxy hóa pirit. Khi sắt(III) xuất hiện, quá trình có thể trở nên nhanh chóng.
Acid sulfuric ở ngoài Trái Đất.
Acid sulfuric được tạo thành ở tầng khí quyển trên cao của Sao Kim nhờ quá trình quang hoá của mặt trời lên carbon dioxide, lưu huỳnh dioxide và hơi nước (hoặc nước mưa của Sao Kim). Độ dài sóng của tia cực tím nhỏ hơn 169 nm có thể phân tách carbon dioxide thành carbon monoxide và oxy nguyên tử là một chất rất hoạt động. Khi oxy nguyên tử phản ứng với lưu huỳnh dioxide trong khí quyển của Sao Kim sẽ tạo ra lưu huỳnh trioxide, và chất này có thể hợp thành với hơi nước, cũng là một thành phần trong khí quyển của Sao Kim, tạo thành acid sulfuric:
SO3 + H2O → H2SO4
Ở trên cao, phần có nhiệt độ cao hơn của khí quyển Sao Kim, acid sulfuric chỉ tồn tại dưới dạng lỏng, và các đám mây acid sulfuric dày hoàn toàn che khuất bề mặt hành tinh khi nhìn từ trên xuống. Lớp mây chính dàn ra khoảng 45 đến 70 km trên bề mặt hành tinh, với lớp bụi mỏng hơn từ 30 đến 90 km trên bề mặt.
Ứng dụng.
Acid sulfuric là hóa chất hàng đầu được dùng trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất. Hàng năm, các nước trên thế giới sản xuất khoảng 160 triệu tấn H2SO4 dùng để sản xuất phân bón, thuốc trừ sâu, chất giặt tẩy rửa tổng hợp, tơ sợi hóa học, chất dẻo, sơn màu... 
Acid sulfuric được sản xuất trong công nghiệp từ lưu huỳnh, oxy và nước theo phương pháp tiếp xúc; hoặc có thể sản xuất acid sulfuric từ quặng pirit sắt.
Trong giai đoạn đầu lưu huỳnh bị đốt để tạo ra lưu huỳnh dioxide.
Đối với quặng pirit sắt, quặng sẽ bị đốt trong môi trường giàu oxi tạo ra lưu huỳnh dioxide.
Sau đó nó bị oxy hóa thành lưu huỳnh trioxide bởi oxy với sự có mặt của chất xúc tác vanadi(V) oxide.
Cuối cùng lưu huỳnh trioxide được xử lý bằng nước (trong dạng 97-98% H2SO4 chứa 2-3% nước) để sản xuất acid sulfuric 98-99%.
Bên cạnh đó, SO3 cũng bị hấp thụ bởi H2SO4 để tạo ra oleum (H2S2O7), chất này sau đó bị làm loãng để tạo thành acid sulfuric.
Oleum sau đó phản ứng với nước để tạo H2SO4 đậm đặc.
Các thuộc tính vật lý.
Các dạng của acid sulfuric.
Mặc dù có thể sản xuất acid sulfuric 100%, nhưng nó sẽ mất SO3 ở điểm sôi để tạo ra acid 98,3%. Acid 98% cũng ổn định hơn khi lưu trữ, vì nó là dạng thông thường của acid sulfuric "đậm đặc". Các nồng độ khác của acid sulfuric được sử dụng cho các mục đích khác nhau. Một số nồng độ phổ biến là:
Cũng có nhiều loại cấp độ tinh khiết khác nhau. Loại 
H2SO4 kỹ thuật là không tinh khiết và thường có màu, nhưng nó thích hợp cho việc sản xuất phân bón. Loại tinh khiết như loại "US Pharmacopoeia" (USP) được sử dụng để sản xuất các loại dược phẩm và thuốc nhuộm.
Khi có SO3"(khí)" nồng độ cao được bổ sung vào acid sulfuric, thì H2S2O7 được tạo ra. Nó được gọi là acid sulfuric bốc khói hay oleum, hoặc ít thông dụng hơn là acid Nordhausen. Nồng độ của oleum hoặc được biểu diễn theo % SO3 (gọi là % oleum) hoặc như là "% H2SO4 (lượng được tạo thành nếu đã bổ sung thêm nước H2O); các nồng độ chủ yếu là 40% oleum (109% H2SO4) và 65% oleum (114,6% H2SO4). H2S2O7 tinh khiết trên thực tế là một chất rắn có nhiệt độ nóng chảy là 36°C.
Tính phân cực và tính dẫn điện.
H2SO4 khan là một chất lỏng phân cực, với hằng số điện môi khoảng 100. Điều này là do nó có thể phân ly bằng cách tự proton hóa chính nó, một quá trình được biết đến như là "tự proton hóa".
Hằng số cân bằng của quá trình này là
K(25 °C) = [H3SO4+][HSO4-] = 2.7 × 10−4.
So với hằng số cân bằng của quá trình phân li nước, hằng số cân bằng của quá trình này gấp 10 tỉ lần.
Dù acid có độ nhớt, sự phân li tạo H3SO4+ và HSO4- vẫn cao. Vì vậy acid sulfuric là một chất dẫn điện tốt. Nó cũng là một dung môi rất tốt cho nhiều phản ứng.
Trên thực tế, cân bằng hóa học phức tạp hơn so với điều nêu trên. 100% H2SO4 chứa các loại ion sau ở trạng thái cân bằng (số được nêu tính theo milimol trên 1 kg dung môi): HSO4− (15,0), H3SO4+ (11,3), H3O+ (8,0), HS2O7− (4,4), H2S2O7 (3,6), H2O (0,1).
Thuộc tính hóa học.
Phản ứng với nước.
Phản ứng ngậm nước (hyđrat hóa) của acid sulfuric là một phản ứng tỏa nhiệt cao. Nếu nước được thêm vào acid sulfuric đậm đặc thì nó bị sôi và bắn ra rất nguy hiểm. Do vậy, khi pha loãng acid phải thêm acid vào nước chứ không phải thêm nước vào acid. Hiện tượng này xảy ra là do tỷ trọng tương đối của hai chất lỏng, trong khi nước có tỷ trọng thấp hơn acid sulfuric nên sẽ có xu hướng nổi lên trên. Phản ứng này nói chính xác hơn là phản ứng tạo ra các ion hydroni, như sau:
Sau đó:
Do sự hydrat hóa của acid sulfuric là phản ứng thuận xét theo nhiệt động lực học (ΔH = 880 kJ/mol), acid sulfuric là một chất hấp thụ nước rất tốt, và nó được sử dụng trong sản xuất nhiều loại hoa quả khô. Áp lực của acid sulfuric đối với nước là đủ mạnh để chiếm lấy các nguyên tử hydro và oxy từ các hợp chất chứa chúng; ví dụ, đường glucozo (C6H12O6) sẽ bị acid sulfuric đậm đặc hút nước tạo ra carbon nguyên tố và dung dịch acid sẽ loãng ra một chút: C6H12O6 → 6C + 6H2O.
Các phản ứng khác.
Mang tính chất của một acid, acid sulfuric phản ứng với phần lớn các base để tạo ra muối sulfat tương ứng. Ví dụ, đồng(II) sulfat, một muối màu xanh lam quen thuộc của đồng được sử dụng trong mạ điện và làm thuốc diệt nấm, được điều chế bằng phản ứng của đồng(II) oxide với acid sulfuric:
Acid sulfuric cũng có thể sử dụng để đẩy các acid yếu hơn ra khỏi muối của chúng, ví dụ natri acetat tạo ra acid acetic:
Tương tự, phản ứng của acid sulfuric với kali nitrat có thể sử dụng để sản xuất acid nitric, cùng với sự tạo thành của kali bisulfat. Với chính bản thân acid nitric thì acid sulfuric có phản ứng như là một acid cũng như là một chất khử nước, tạo ra các ion nitronium NO2+, là quan trọng trong các phản ứng nitrat hóa có diễn ra thay thế vòng thơm ái lực điện tử. Loại phản ứng này có sự proton hóa diễn ra trên nguyên tử oxy, là quan trọng trong nhiều phản ứng của hóa hữu cơ, chẳng hạn ester hóa Fischer và khử nước của rượu.
Acid sulfuric phản ứng với phần lớn các kim loại trong phản ứng thế đơn để tạo ra khí hydro và muối sulfat của kim loại. Acid H2SO4 loãng phản ứng với sắt, nhôm, kẽm, mangan và nickel, nhưng thiếc và đồng thì cần phải dùng acid đặc nóng. Chì và wolfram lại có khả năng chống lại sự ăn mòn của acid sulfuric. Phản ứng của sắt chỉ ra dưới đây là phổ biến cho nhiều kim loại, nhưng phản ứng với thiếc là không bình thường trong đó lưu huỳnh dioxide được tạo ra chứ không phải hydro.
Kim loại đứng sau H trong dãy điện hóa khó tham gia phản ứng với H2SO4 loãng nhưng tan trong acid H2SO4 đặc nóng. Ví dụ phản ứng với chì:
H2SO4 đặc nguội thường không phản ứng được với Al, Fe và Cr do acid bị thụ động hóa.
Sử dụng.
Acid sulfuric là hóa chất thương mại rất quan trọng, và thực vậy sản lượng acid sulfuric của một quốc gia là một chỉ số tốt về sức mạnh công nghiệp của quốc gia đó. Sử dụng chủ yếu của acid sulfuric (60% sản lượng toàn thế giới) là trong "phương pháp ướt" của việc sản xuất acid phosphoric, là chất được sử dụng để sản xuất các loại phân hóa học phosphat cũng như natri triphosphat để làm bột giặt. Trong phương pháp này đá phosphat được sử dụng, và hơn 100 triệu tấn được sản xuất hàng năm. Nguyên liệu thô được chỉ ra dưới đây là fluoro-apatit, mặc dù thành phần chính xác có thể dao động nhiều. Nó được xử lý bằng acid sulfuric 93% để tạo ra calci sulfat, hydro fluoride (HF) và acid phosphoric. HF được loại ra trong dạng acid fluorosilicic. Quy trình tổng quan có thể biểu diễn như sau:
Các loại phân bón sulfat như amoni sulfat được sản xuất từ acid sulfuric, mặc dù với sản lượng ít hơn so với các phosphat.
Một ứng dụng quan trọng khác của acid sulfuric là để sản xuất nhôm sulfat, còn được biết như là phèn làm giấy. Acid sulfuric có thể phản ứng với một lượng nhỏ xà phòng trên các sợi bột giấy nhão để tạo ra carbon nhôm dạng gelatin, nó giúp làm đông lại các sợi bột giấy thành bề mặt cứng của giấy. Hợp chất này cũng được sử dụng để sản xuất nhôm hydroxide, là chất được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước để lọc các tạp chất, cũng như để cải thiện mùi vị của nước. Sulfat nhôm được tạo ra từ phản ứng của bauxit với acid sulfuric:
Acid sulfuric cũng được sử dụng cho các mục đích khác trong công nghiệp hóa chất. Ví dụ, H2SO4 là chất xúc tác acid thông thường để chuyển hóa cyclohexanoneoxim thành caprolactam, sử dụng để sản xuất nylon (nilông). Acid này cũng được sử dụng để sản xuất acid hydrochloric từ muối ăn bằng công nghệ Mannheim. Phần nhiều H2SO4 được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để tinh luyện dầu mỏ, ví dụ làm chất xúc tác cho phản ứng của isobutan với isobuthylen để tạo ra isooctan, là hợp chất làm tăng chỉ số octan của xăng. Acid sulfuric cũng là quan trọng cho sản xuất các loại thuốc nhuộm.
Hỗn hợp của acid sulfuric với nước được sử dụng làm chất điện giải trong hàng loạt các dạng ắc quy acid-chì trong đó acid sulfuric tham gia vào phản ứng thuận nghịch để chì (Pb) và chì dioxide (PbO2) chuyển hóa thành chì(II) sulfat. Acid sulfuric cũng là thành phần cơ bản của một số chất làm sạch các cống rãnh, được sử dụng để làm sạch các vật cản có chứa giấy, giẻ rách và các vật liệu khác mà không dễ làm sạch bằng các dung dịch natri hydroxide.
Hằng năm sản xuất 160 triệu tấn H2SO4. Acid sulfuric là hóa chất hàng đầu trong nhiều ngành sản xuất
Lịch sử.
Sự phát hiện ra acid sulfuric được gắn với nhà hoá học và là nhà giả kim thuật Hồi giáo, Jabir ibn Hayan vào thế kỷ thứ VIII. Trong thế kỷ thứ IX, bác sĩ và nhà giả kim thuật người Ba Tư Ibn Zakariya al-Razi là người đã thu được chất này bằng cách chưng cất khô các loại khoáng chất như sắt(II) sulfat ngậm 7 phân tử nước (FeSO4 • 7H2O và đồng(II) sulfat ngậm 5 phân tử nước (CuSO4 • 5H2O. Khi bị nung nóng, các hợp chất này bị phân hủy tương ứng thành sắt(II) oxide và đồng(II) oxide, giải phóng nước và lưu huỳnh trioxide, chúng kết hợp với nhau tạo thành một dung dịch loãng của acid sulfuric. Phương pháp này đã được phổ biến tới châu Âu thông qua việc dịch các luận thuyết và sách Hồi giáo bởi các nhà giả kim thuật châu Âu, chẳng hạn như người Đức Albertus Magnus (thế kỷ XIII).
Acid sulfuric được các nhà giả kim thuật châu Âu thời trung cổ biết tới như "dầu sulfat", "linh hồn của sulfat" hay đơn giản là "sulfat". Từ sulfat (vitriol) có nguồn gốc từ Latinh, nghĩa là 'kính', gợi đến bề ngoài trong suốt của muối sulfat, những chất cũng được gọi bằng cái tên này. Muối được gọi là sulfat bao gồm đồng (II) sulfat (sulfat xanh lam hay sulfat La Mã), kẽm sulfat (sulfat trắng), sắt(II) sulfat (sulfat lam), sắt(III) sulfat (sulfat của sao Hoả) và coban sulfat (sulfat đỏ).
sulfat được coi như chất căn bản quan trọng trong giả kim thuật, được dùng để tạo ra đá trường sinh. sulfat đậm đặc được dùng như chất trung gian khi phản ứng với các chất khác, do acid không phản ứng với vàng, sản phẩm cuối cùng của quá trình giả kim. Tầm quan trọng của sulfat đối với giả kim thuật được nhấn mạnh trong phương châm của giả kim thuật "Visita Interiora Terrae Rectificando Invenies Occultum Lapidem" nghĩa là "Đi sâu vào lòng đất, bạn sẽ tìm ra viên đá bí mật/ được cất giấu", trong L'Azoth des Philosophes được viết bởi nhà giả kim thuật thế kỷ thứ XV Basilius Valentinus.
Trong thế kỷ XVII, nhà hóa học người Đức gốc Hà Lan Johann Glauber đã điều chế acid sulfuric bằng cách đốt lưu huỳnh cùng với kali nitrat (KNO3), với sự có mặt của hơi nước. Khi KNO3 bị phân hủy, nó oxy hóa lưu huỳnh thành SO3, là chất kết hợp với nước để tạo ra acid sulfuric. Trong năm 1736, Joshua Ward, một dược sĩ người Anh đã sử dụng phương pháp này để bắt đầu việc sản xuất hàng loạt acid sulfuric lần đầu tiên.
Năm 1746 ở Birmingham, John Roebuck bắt đầu sản xuất acid sulfuric theo cách này trong các bể chì, là những thiết bị khỏe hơn và ít đắt tiền hơn cũng như có thể chế tạo lớn hơn so với các loại đồ chứa bằng thủy tinh đã sử dụng trước đây. "Công nghệ bể chì" này cho phép công nghiệp hóa việc sản xuất acid sulfuric hiệu quả hơn và cùng với một số cách làm tinh khiết thì nó đã là phương pháp chuẩn để sản xuất trong gần như hai thế kỷ.
Acid sulfuric của John Roebuck chỉ chứa khoảng 35–40% acid. Các phương thức làm tinh khiết sau này trong công nghệ bể chì của nhà hóa học người Pháp Joseph-Louis Gay-Lussac và nhà hóa học người Anh John Glover đã cải thiện nó tới 78%. Tuy nhiên, việc sản xuất một số thuốc nhuộm và các hóa chất khác đòi hỏi phải có sản phẩm đậm đặc hơn, và trong suốt thế kỷ XVIII điều này chỉ có thể thực hiện bằng cách chưng cất khô các khoáng chất với kỹ thuật tương tự như các công nghệ nguyên thủy của giả kim thuật. Pyrit (sắt disulfide, FeS2) đã bị nung nóng trong không khí để tạo ra sắt(II)sulfat (FeSO4), chất này bị oxy hóa bằng cách nung nóng tiếp trong không khí để tạo ra sắt(III) sulfat (Fe2(SO4)3), là chất khi bị nung tới 480 °C bị phân hủy để tạo ra sắt(III) oxide và lưu huỳnh trioxide, chất này cho qua nước để tạo thành acid sulfuric với nồng độ bất kỳ. Chi phí cao của công nghệ này đã ngăn cản việc sản xuất/sử dụng đại trà acid sulfuric đậm đặc.
Năm 1831, nhà buôn dấm người Anh Peregrine Phillips đã lấy bằng sáng chế cho công nghệ kinh tế hơn để sản xuất lưu huỳnh trioxide và acid sulfuric đậm đặc, ngày nay được biết đến như là công nghệ tiếp xúc. Cuối cùng thì tất cả các nguồn cung cấp acid sulfuric trên thế giới ngày nay đều sản xuất theo phương pháp này.
Nguy hiểm.
Sự sôi của acid sulfuric khi thêm nước vào thường sinh ra các đám khói chứa hơi acid sulfuric, hơi này cực nóng cũng như có tính acid cao. Các đám cháy gần nơi có acid sulfuric thông thường được dập bằng các loại bình bọt hay các chất đất khô để tránh khả năng làm sôi acid. Ở những chỗ bắt buộc phải dùng nước thì mục tiêu là phải đổ nước thật nhiều và thật nhanh để có thể làm nguội nhanh nhiệt do phản ứng sinh ra.
Những người chữa cháy phải mặc quần áo chống bắn tóe khi làm việc với acid sulfuric, để bảo vệ chính họ chống lại cả hơi và sự bắn tung tóe hay lan tràn.
Cảnh báo.
Khi cần phải pha loãng acid sufuric với nước thì phải cho từ từ acid vào nước, khuấy đều, tuyệt đối không được làm ngược lại. Vì là một acid và một chất oxy hóa mạnh, acid sulfuric cần được bảo quản tránh xa base và các chất khử. Acid sulfuric là một chất ăn mòn mạnh thậm chí ngay cả khi bị pha loãng và ăn mòn nhiều kim loại chẳng hạn như sắt và nhôm.
Cần sử dụng găng tay và kính khi tiếp xúc với H2SO4 loãng, và khi tiếp xúc với acid đậm đặc thì phải có các tấm bảo vệ mặt và tạp dề PVC.