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硫酸

2021-07-16 12:27:04

資料專題:硫酸基本信息匯總表

硫酸(化學分子式為H2SO4)也被稱為化工之母,是壹種具有高腐蝕性強礦物酸,壹般為透明至微黃色,在任何濃度下都能與水混溶並且放熱。有時,在工業制造過程中,硫酸也可能被染成暗褐色以提高人們對它的警惕性。

作為二元酸的硫酸在不同濃度下有不同的特性,而其對不同物質,如金屬、生物組織、甚至巖石等的腐蝕性,都歸根於它的強酸性,以及它在高濃度下的強烈脫水性(化學性質)、吸水性(物理性質)與氧化性。硫酸能對皮肉造成極大的傷害,因為它除了會透過酸性水解反應分解蛋白質及脂肪造成化學燒傷外,還會與碳水化合物發生脫水反應並造成二級火焰性灼傷;若不慎入眼,更會破壞視網膜造成永久失明。故在使用時,應做足安全措施。另外,硫酸的吸水性可以用來幹燥非堿性氣體 。

正因為硫酸有不同的特性,它也有不同的應用,如家用強酸通渠劑、鉛酸蓄電池的電解質、肥料、煉油廠材料及化學合成劑等。

硫酸被廣泛生產,最常用的工業方法為接觸法

歷史

資料專題:硫酸歷史

物理性質

純硫酸壹般為無色黏糊液體,形態有點像油。但有時在工業生產過程中,它也有可能被染色以提高購買者對其危險性的警惕。

濃度

盡管可以制出濃純凈的硫酸,並且室溫下是無限穩定的(所謂的分解成恒沸物的反應發生在接近沸點的高溫之下),但是純硫酸熔點過高(283.4K/10.3℃),所以為了方便運輸通常制成98%硫酸,故壹般所說的“高濃度硫酸”指的便是濃度為98%的硫酸。另外,硫酸在不同的濃度下有不同的應用,以下為壹些常見的濃度級別:

質量分數
(kg/kg)

H2SO4密度
物質的量濃度
(mol/L)
俗稱
10%1.07~1稀硫酸
29–32%1.25–1.284.2–5鉛酸蓄電池酸
62–70%1.52–1.609.6–11.5室酸
肥料酸
98%1.83~18濃硫酸

硫酸亦可被制成其他形態。例如,將高濃度的SO3打入硫酸可制成發煙硫酸H2S2O7)。有關發煙硫酸的濃度,人們通常以SO3的百分比作準或者是H2SO4的百分比作準,兩者均可。壹般所稱的“濃發煙硫酸”的濃度為45%(含110.1%H2SO4)或65%(含114.6%H2SO4)。100%純發煙硫酸(焦硫酸)為固體,熔點為36 °C。

硫酸也有壹定的藥用價值。另外在分析化學上也有很大的用途,例如,稀硫酸常用於滴定法

極性與導電性

純硫酸是壹種非常極性的液體,其介電係數大約為100。因為它分子與分子之間能夠互相質子化對方,造成它極高的導電性,這個過程被稱為自偶電離。這種反應機理是和純磷酸以及純氫氟酸所同出壹轍的。但純硫酸達成這種反應平衡所需要的時間則比以上兩者快得多,差不多是即時性的。

2H2SO4↔H3SO4+HSO4

有關的化學平衡則是:

Kap(25 °C)= [H3SO+
4
][HSO4-] =6996270000000000000♠2.7×10

而水的相應化學平衡則比硫酸的少10(壹百億),其Kw為10。

(以上只為簡化版)

雖然為黏糊液體,硫酸,正如上述,有很高的導電性,這主要歸根於H3SO+
4
HSO4-離子。除此,硫酸在很多化學反應裏也是非常好的溶劑

化學性質

水合反應與脫水反應

硫酸與水發生的水合為高度放熱反應,溶液在稀釋過程中容易濺出,造成危險。故很多指引均建議工作人員應把酸慢慢加入水而不是把水倒入酸,壹方面因為硫酸的密度比水大,把水加入硫酸中會使水浮在硫酸上面沸騰飛濺,另壹方面因為這可利用水的高比熱容,減低危險性。

正如其他酸,硫酸在與水混合後會釋放氫離子

H2SO4+H2OH3O+ HSO4 K1 = 2.4×10(強酸)HSO4 +H2OH3O+ SO4 K2 = 1.0×10

K1和K2是酸度係數。

因為硫酸與水的強親和性及其熱力學的配合,它是壹種很強的脫水劑,能抽走化合物裏的水分子。在實驗室,硫酸通常會被加入白糖裏(蔗糖),以展示它的這種強烈脫水性特質。由於水分子的流失,白糖最終只剩下黑色的,使整個燒杯裏的混合物變黑:

C12H22O11(白色蔗糖) +硫酸→ 12 C(黑炭) + 11 H2O(水蒸氣)C + 2 H2SO4 → CO2 + 2 SO2 + 2 H2O

硫酸與其他碳水化合物的脫水反應也差不多,例如,當硫酸被加入澱粉時,碳也是最終的產物。這可以充分地表現在硫酸與由纖維素構成的白紙的反應上,白紙最終被蝕穿,並呈現類似燒焦的顏色,這現象同樣發生在纖維織物上,如毛巾。盡管濃硫酸的脫水性比稀硫酸的強得多,即便是稀硫酸也能對織物上的纖維素造成很大的破壞。

硫酸與碳水化合物的脫水反應,可以用以下總方程式表達:

(C6H10O5)n+硫酸→ 6nC + 5nH2O

再者,硫酸的強烈脫水性也可反映在硫酸銅身上。原本為藍色,含水分的硫酸銅晶體在與硫酸發生反應後,變為白色的粉末,這也是硫酸銅在脫水狀況下的狀態:

CuSO4·5H2O(藍色晶體) +硫酸→ CuSO4(白色粉末) + 5 H2O

壹般酸堿特性泛論

硫酸正如其他的酸,能與發生中和反應,變為硫酸鹽及水。例如,用以電鍍或制成殺真菌劑的硫酸銅便是從硫酸與氧化銅的中和反應中取得:

CuO(s)+H2SO4(aq)→CuSO4(aq)+H2O(l)

硫酸可以和碳酸鹽發生反應。如稀硫酸可以和碳酸鈉反應,產生碳酸,但碳酸不穩定,會迅速分解為二氧化碳和水:

Na2CO3+H2SO4Na2SO4+CO2+H2O

濃硫酸加熱下可以和硝酸鉀反應得到硝酸、和氯化鈉反應得到氯化氫(這也是實驗室制取氯化氫的方法之壹):

KNO3+H2SO4KHSO4+HNO3NaCl+H2SO4NaHSO4+HCl

硫酸是不揮發的強酸,因此可以制取弱酸和揮發性酸。以其與乙酸鈉為例,它會取代乙酸(CH3COOH)產生出硫酸氫鈉

H2SO4+CH3COONaNaHSO4+CH3COOH

硫酸在與硝酸反應時擔當酸與脫水劑的角色,產生出NO+
2
離子,在有機化學裏是很重要的壹個反應過程。

金屬氧化與強氧化性質

稀硫酸具有壹般酸的性質,能與鋅(Zn)、鐵(Fe)、錳(Mn)、(Ni)、鋁(Al)、鎂(Mg)等活潑金屬反應,釋出氫氣(H2),而不與銅等不活潑金屬發生產生氫氣的反應。以鐵為例:

Fe(s)+H2SO4(aq)→H2(g)+FeSO4(aq)

但濃硫酸具有強氧化性能與很多不活潑金屬發生氧化還原反應。 濃硫酸是強氧化劑,在反應過程中,它被還原為水及二氧化硫(SO2)而不是氫,硫的氧化數由+6降至+4。濃硫酸的強氧化性與其中存在的H2SO4分子有關。

2 H2SO4 + 2 e → SO2 + 2 H2O + SO4

以銅為例:

Cu + 2 H2SO4 → SO2 + 2 H2O + SO4 + Cu

若與活潑金屬接觸則濃硫酸被還原的程度將更大,以鋅為例:

3 Zn + 4 H2SO4 → S + 4 H2O + 3 SO4 + 3 Zn

不過,鉛與鎢因在反應時產生保護層故能抵擋硫酸的腐蝕。

非金屬物質的氧化

濃硫酸的強氧化性使其亦可以氧化非金屬,例如碳和硫。

C + 2 H2SO4 → CO2 + 2 SO2 + 2 H2OS + 2 H2SO4 → 3 SO2 + 2 H2O

在上述反應,碳和硫的氧化數由0升至+4。

當硫、硒溶於發煙硫酸時,逐步被氧化為S16(橙黃色)、S8(藍色)、S4(黃色)、Se8(綠色)、Se4(橙色)等多聚陽離子。

跟某些鹽反應

硫酸可與可溶性鋇鹽反應生成硫酸鋇沈澱和相應的酸,可與碳酸鹽反應生成相應的硫酸鹽、水和二氧化碳。

H2SO4 + BaCl2 → BaSO4↓ + 2HClNa2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2↑

親電芳香取代反應

硫酸能發生親電芳香取代反應,變為磺酸

自然界的存在

地球

100%純硫酸為無色粘稠液體,很難在地球上找到,因為其與水的親和性很高,壹暴露在空氣中便會吸取水分。酸雨含稀硫酸,這主要是因為在雨水的作用下,大氣中的二氧化硫與水結合,當中的產物亞硫酸還會進壹步地被氧化,形成硫酸。至於大氣中的二氧化硫則主要來自於很多交通工具所排放的廢氣以及含硫化石燃料的燃燒。

自然界中,很多含硫的礦物質,例如硫酸鐵,在發生氧化反應後形成硫酸,所形成的液體為高度酸性,能氧化殘留的金屬物,釋放出有毒的氣體。

另有指在生物界,有壹種海蛞蝓(Notaspidean pleurobranchs)也能噴射含硫酸的分泌物來禦敵。

其他星體

金星

硫酸也能在金星的上層大氣中找到。這主要出自於太陽對二氧化硫,二氧化碳及水的光化作用。波長短於160納米的紫外光子能光解二氧化碳,使其變為壹氧化碳及原子氧。原子氧非常活躍,它與二氧化硫發生反應變為叁氧化硫。叁氧化硫進壹步與水產生反應釋出硫酸。硫酸在金星大氣中較高較冷的地區為液體,這層厚厚的、離星球表面約45-70公裏的硫酸雲層覆蓋整個星球表面。這層大氣不斷地釋出酸雨。

在金星裏,硫酸的形成不斷循環。當硫酸從大氣較高較冷的區域跌至較低較熱的地區時被蒸發,其含水量越來越少而其濃度也就越來越高。當溫度達300 °C時,硫酸開始分解為叁氧化硫以及水,這兩個產物均為氣體。叁氧化硫非常活躍並分解為二氧化硫及原子氧,原子氧接著氧化壹氧化碳令其變為二氧化碳,二氧化硫及水會從大氣中層升高到上層,它們會發生反應重新釋出硫酸,整個過程又再壹次循環。

木衛二

伽利略號探測器傳來的影像顯示,硫酸亦有可能出現於木星的其中壹個衛星——木衛二,但有關細節仍存有爭議。

生產

硫酸的生產方法主要有接觸法及濕硫酸法。

接觸法

首先,硫會被燃燒為二氧化硫:

S(s)+O2(g)→SO2(g)

接著,在催化劑五氧化二釩的作用下,二氧化硫會被氧氣氧化為叁氧化硫:

2SO2(g)+O2(g)⇌ 2SO3(g)(催化劑為V2O5

叁氧化硫會被制成97–98%的H2SO4並進壹步成為發煙硫酸H2S2O7),發煙硫酸然後被水稀釋成濃硫酸:

H2SO4(l)+SO3(g)→H2S2O7(l)H2S2O7(l)+H2O(l)→ 2H2SO4(l)

值得註意的是,叁氧化硫並不會被直接打入水,因為這高放熱反應會產生出具腐蝕性的氣溶膠而不是液體,氣溶膠很難被分離出來,故此方法無效:

SO3(g)+H2O(l)→H2SO4(l)

濕硫酸法

第壹步,硫會被燃燒為二氧化硫:

S(s)+O2(g)→SO2(g)

或者是,硫化氫(H2S)會被焚化為二氧化硫:

2H2S+ 3O2→ 2H2O+ 2SO2(−518 kJ/mol)

在催化劑五氧化二釩的作用下,二氧化硫會被氧氣氧化為叁氧化硫:

2SO2(g)+O2(g)⇌ 2SO3(g)(催化劑為V2O5

叁氧化硫會被水合為硫酸:

SO3+H2OH2SO4(g)(−101 kJ/mol)

最後壹步則是將硫酸凝結為液體硫酸,濃度大約是97%到98%:

H2SO4(g)→H2SO4(l)(−69 kJ/mol)

其他方法

大約在1900年之前,鉛室法為生產硫酸的主要方法。截至40年代末,在美國仍有50%的化工廠采用鉛室法生產硫酸。

在古代的實驗室裏,用亞硫酸氫鈉制備二氧化硫,通入雙氧水裏產生硫酸:

SO2 + H2O2 → H2SO4

硫化氫和硫酸銅溶液反應,以及磺酰氯的水解,都會產生硫酸。

但在現代,實驗室通常可以直接購得硫酸而不需要制備。

用途

硫酸是工業上壹種重要的化學品,它用途十分廣泛,如制造肥料、非堿性清潔劑、護膚品、以及油漆添加劑與炸藥等。硫酸的重要性可以從它的生產量中反映。截至2004年,全世界約出產近十八億噸的硫酸,當中,亞洲占35%;北美(包括墨西哥)占24%;非洲占11%;西歐占10%;東歐及俄羅斯占10%;澳大利亞及大洋洲占7%;南美占7%。在總生產量裏,約60%用來制作肥料,如磷酸銨及硫酸銨;約有20%被化工廠用以制作清潔用品,制藥或其他工業用途,如作為提煉汽油的催化劑等。

壹般化工用途

硫酸最廣泛的用途是制造磷酸,而磷酸則用於制造含磷肥料。93%硫酸被用於制造硫酸鈣,氟化氫以及磷酸氟化氫最終會以氫氟酸的形態隔走。

Ca5F(PO4)3+ 5H2SO4+ 10H2O→ 5CaSO4·2 H2O+ HF + 3H3PO4

硫酸另壹個用途用於造紙。硫酸會用於產生硫酸鋁硫酸鋁在木漿纖維上與少量肥皂物發生反應,形成含鋁羧酸鹽用以使纖維物凝固,形成較堅硬的表面。

硫酸鋁的產生:Al2O3+ 3H2SO4Al2(SO4)3+ 3H2O

硫酸亦可制造用於隔走廢水中的有害物質的氫氧化鋁氫氧化鋁在汙水處理廠裏是壹個非常重要的化學物質。還有,硫酸也是很多染料制造中必要的化學物。

工業清潔品

硫酸也是很多用以清潔氧化物、銹跡等的清潔品中的成分。已用的硫酸會被回收再用,方法是將酸與多種有機物燃燒,釋出二氧化硫及叁氧化硫,這些原材料可以用來生產新的硫酸。

催化劑

硫酸是多種化學反應的催化劑。例如,它催化尼龍的制造過程;另外,多個汽油提煉過程也需要硫酸的催化進行。

電解質

硫酸是汽車鉛酸蓄電池中的電解質。有關的化學方程式為:

陽極Pb+SO4PbSO4+ 2 e陰極PbO2+ 4 H +SO4+ 2 ePbSO4+ 2 H2O總方程:Pb+PbO2+ 4 H + 2SO42PbSO4+ 2 H2O

壹般家居用途

世界大多酸性水道疏通用品均含有硫酸,可以除去頭發、油汙等淤塞物。基於安全理由,在使用時宜小心並帶上手套。另外,由於硫酸會與水發生高放熱反應,在使用前宜盡量保持渠道幹爽,並慢慢倒入有關疏通劑。

危險性

實驗室風險

資料專題:硫酸危險性實驗室風險

工業風險

雖然硫酸並不是易燃,但當與金屬發生反應後會釋出易燃的氫氣,有可能導致爆炸,而作為強氧化劑的濃硫酸與金屬進行氧化還原反應時會釋出有毒的二氧化硫,威脅工作人員的健康。另外,長時間暴露在帶有硫酸成分的浮質中(特別是高濃度),會使呼吸管道受到嚴重的刺激,更可導致肺水腫。但風險會因暴露時間的縮短而減少。

在美國,硫酸的最多可接觸分量(PEL)被定為1 mg/m,此數字在其他國家相若。誤服硫酸有機會導致維生素B12缺乏癥,其中,脊椎是最易受影響的部位。

參見

參考資料及註釋

資料專題:硫酸參考資料及註釋