سولفوریک اسید

سولفوریک اسید (Sulfuric acid) که به عنوان جوهر گوگرد نیز شناخته میشود یک اسید معدنی قوی با فرمول شیمیایی H2SO4 میباشد.

سولفوریک اسید جز اسید های پرکاربرد در آزمایشگاه های شیمی و صنایع مختلف است . این اسید دارای PH=0.5  و با هر درصدی در آب حل میشود.

تاریخچه کشف سولفوریک اسید :

قدیمی ترین مدرک موجود در کشف اسید سولفوریک اسید به قرن هشتم میلادی باز میگردد که در آن جابربن حیان طوسی در مورد تقطیر شوره همراه با زاج سبز سخن می‌ گوید . اما کشف آن به زکریای رازی دیگر دانشمند ایرانی در قرن دهم نسبت داده می ‌شود . او اسید سولفوریک را از طریق تقطیر خشک کانی هایی که شامل سولفات آهن که زاج سبز نامیده می ‌شود و سولفات مس که کات کبود نامیده می ‌شود بدست آورد . حرارت دادن هر یک از این ترکیبات باعث تجزیه آنها و ایجاد اکسید آهن (ɪɪ) ، اکسید مس(ɪɪ) و آب می ‌گردد . ترکیب آب و گوگرد تری اکسید حاصل شده، محلول رقیق سولفوریک  اسید را ایجاد می ‌کند. این روش با ترجمه متون علمی و کتابهای دانشمندان مسلمان ایرانی توسط شیمیدان‌ های اروپایی در قرون وسطی مانند آلبرت ماگنوس در اروپا شناخته شد . و به این دلیل اسید سولفوریک را شیمیدان ‌های قرون وسطی به نام جوهر گوگرد شناختند. از آن تاریخ به بعد مدارک زیادی در مورد اسید سولفوریک موجود می ‌باشد. ولی تنها در قرن 16 میلادی بود که محققان در مورد خواص و روش ‌های گوناگون تولید اسید سولفوریک شروع به تحقیق نمودند.

در قرن 18 میلادی تولید صنعتی اسید سولفوریک از طریق سوزاندن گوگرد در حضور نیتریت پتاسیم (KNO3) و در کشور انگلستان آغاز گردید . در این روش گوگرد و نیتریت پتاسیم به نسبت 8 به 1 مخلوط و در زیر یک فلاسک شیشه ای حاوی بخار آب سوزانده می‌ شدند که در نتیجه ‌ی آن اسید سولفوریک تشکیل شده و پس از کندانس شدن روی سطح شیشه جمع‌ آوری می ‌گردید. روش‌ های اولیه تولید صنعتی اسید سولفوریک بازده خیلی کمی داشتند و نمی ‌توانستند به پیش از ۵۰ درصد برسند. ولی حتی با وجود این بازده کم مقدار تولید اسید سولفوریک همچنان سیر صعودی خود را طی میکرد.

با رشد تقاضای اسید سولفوریک و افزایش مصرف آن روش های دیگری برای افزایش سرعت و مقدار تولید آن به کار گرفته شد و محفظه‌ های سربی جایگزین فلاسک شیشه ‌ای برای انجام واکنش بین گوگرد و نیتریت پتاسیم شدند.

با این همه صنایع رنگرزی و سایر صنایع شیمیایی خواهان اسید سولفوریک با غلظت بودند. این امر با تقطیر خشک کانی ‌ها، شبیه همان روش اولیه رازی ممکن شد. در این روش سولفید آهن در اثر حرارت در هوا تولید سولفات آهن (ɪɪ) میکند و فرآورده‌ی حاصل با گرمادهی بیشتر اکسید شده و تولید سولفات آهن(ɪɪɪ)  می‌کند که آن هم در اثر حرارت در 480 درجه سانتی گراد تجزیه شده و اکسید آهن و گوگرد تری اکسید ایجاد می‌ کند . عبور دادن  اکسید گوگرد از میان آب ، اسید سولفوریک با غلظت بالا ایجاد می ‌کند .

در سال  1827با معرفی برج‌ های سربی برای بازیافت اکسید های نیتروژن توسط گیلوساک قدم مهمی در تولید اسید سولفوریک برداشته شد و نخستین بهینه‌ سازی 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 پیوسته‌ی سوزاندن گوگرد در آن استفاده گردید. 32 سال بعد جان گلاور اولین برج حذف نیتروژن و افزایش غلظت اسید سولفوریک را معرفی نمود. برج ‌های گیلوساک و گلاور اولین برج حذف نیتروژن و افزایش غلظت اسید سولفوریک را معرفی نمود. برج‌های گیلوساک و گلاور بخش ‌های اصلی سیستمی را که ما امروزه به نام ” فرایند تولید اسید سولفوریک اتاق سربی” میشناسیم، تشکیل می‌ دهند.

سیستم یاد شده با معرفی سیستم تماسی (Contact)  همچنان به عنوان روش اصلی تولید اسید سولفوریک باقی‌ ماند. کارهای ابتدایی روی فرایند تماسی توسط فیلیپس در سال  1831 انجام گردید . در آن زمان تحقیقات روی انجام واکنش بین گوگرد دی اکسید و اکسیژن با نسبت های استوکیومتری متمرکز بود. در سال 1901 با گشوده شدن رموز پارامترهای فرآیندی واکنش اکسیداسیون کاتالیکی گوگرد دی اکسید توسط شرکت BASF فرایند مدرن تماسی متولد شد و اولین کارخانه تولید اسید سولفوریک به روش تماسی توسط آن شرکت و در خاک آمریکا ساخته شد. اکنون حدود یک قرن از معرفی فرایند تماسی گذشته است و اگرچه مبانی مورد استفاده آن در کارخانه ‌های تولید اسید سولفوریک ثابت باقی مانده ولی واحدها بزرگتر و پیچیده ‌تر شده‌ اند و با اینکه صنعت تولید اسید سولفوریک یک صنعت قدیمی محسوب می‌ شود ولی توسعه‌ ی پیوسته‌‌ی آن برای ساخت واحدهای بهینه ‌تر ادامه دارد. در واحدهای مدرن اسید سولفوریک اهداف بر روی کاهش آلودگی ‌ها، بهبود بازده و ایمنی، کاهش هزینه های ساخت و بهره برداری متمرکز شده است.

خواص فیزیکی سولفوریک اسید :

این ماده دارای مولکول‌ های دارای گشتاور قطبی است که می ‌توانند 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 می ‌شود . همین شرایط مولکولی باعث می‌ شوند که سولفوریک اسید به خوبی در آب حل شود و محلول‌های اسیدی با درصد خلوص متفاوت تولید کند.

ساختار مولکولی و ویژگی های سولفوریک اسید :

این ماده از مولکول ‌هایی شامل یک اتم گوگرد ، چهار اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن ساخته شده ‌است. از آن جا که هیدروژن‌ ها به اتم اکسیژن متصل هستند، حامل بار مثبت جزیی میباشند و قادرند به عنوان هیدروژن اسیدی عمل کنند . با از دست دادن اولین هیدروژن، آنیون هیدروژن‌ سولفات تولید می ‌شود که با توجه به ساختارهای رزونانسی ، بسیار پایدار است ؛ بنابراین اولین تفکیک سولفوریک اسید، به شکل کامل انجام می‌شود :

واکنش 1 :  سولفوریک اسید

برای دومین مرحله، باید هیدروژن به شکل کاتیون ، آنیون هیدروژن‌ سولفات را ترک کند که چنان راحت نیست ؛ بنابراین تفکیک دومین هیدروژن اسیدی در سولفوریک اسید ، کامل نیست و یک واکنش تعادلی به صورت زیر است :

واکنش 2  :  سولفوریک اسید

 کاربرد اسید سولفوریک :

ـ اسید سولفوریک جز مواد شیمیایی پر کاربرد  میباشد . این ماده در واکنش‌ های شیمیایی و فرآیندهای تولید سایر ترکیبات ، نقش اساسی دارد . عمده‌ ترین استفاده آن در کارخانه ‌های تولید کود شیمیایی ، استخراج فلزات ، سنتز های شیمیایی ، تصفیه پساب‌ ها و پالایشگاه‌ های نفت میباشد.  اسید سولفوریک در اثر واکنش با اسید نیتریک ، یون نیترونیوم تولید میکند که در فرآیند نیترو ‌دار کردن ترکیبات استفاده میشود.

ـ فرآیند نیترودار کردن در صنایع تولید مواد منفجره مانند تولید تری‌نیتروتولوئن (TNT) ، نیترو گلیسیرین و … استفاده میشود. اسید سولفوریک در انباره ‌های سربی (باتری‌ های سربی) به عنوان محلول الکترولیت استفاده میشود.

ـ اسید سولفوریک ، یک عامل آبگیری بسیار قوی است . در اکثر واکنش ‌ها به عنوان عامل هیدراسیون استفاده میشود و در تولید میوه ‌های خشک هم به میزان کم ، از اسید سولفوریک برای جذب آب استفاده میکنند.

1. تولید کود های شیمیایی .

2. تصفیه مواد نفتی .

3. صنایع شیمیایی (ضد یخ، حشره کشها، داروئی، احیای آلومینیوم) صنعت آهن و فولاد .

4. پاک کننده‌های مصنوعی .

5. اسیدی کردن چاه‌های نفت .

6. جداسازی مس با عیار کم .

7. استخراج اورانیوم و چسب مصنوعی .

8. مواد رنگی (نایلون رنگی، جوهر تحریر و تهیه ‏‏‏TiO2  از ایلمنیت) .

9. ابریشم مصنوعی و فیلم (پارچه ‌های ابریشمی، نخ اطراف تایر و فیلم‌ های عکاسی) .

10. صنایع کاغذ سازی (دستمال کاغذی، روزنامه، جعبه‌های مقوایی، کاغذ تحریر و سایر مقواها) مواد منفجره و … به مصرف می رسد .

11. استفاده در آنودایزینگ آلومینیوم از غلظت های متفاوت ، این اسید به عنوان الکترولیت استفاده می شود .

سفیر آزما کیان برند اول فروش مواد شیمیایی و آزمایشگاهی در ایران می باشد.

با تشکر مجله دانش شیمی و تیم پایان نامه من