กรดซัลฟิวริก

ฟิวริกไม่ได้ประกอบด้วยโมเลกุล H₂SO₄ เพียงอย่างเดียวแต่แท้จริง แล้วเป็นสภาวะสมดุลของสารเคมีชนิดอื่นๆ อีกหลาย ดังแสดงในตารางด้านล่าง

สมดุลของกรดซัลฟิวริกบริสุทธิ์^{[ 15 ]}
สายพันธุ์	มิลลิโมล/กก.
HSO ^–	15.0
H SO ⁺	11.3
H O ⁺	8.0
HS O ^–	4.4
H S O	3.6
H O	0.1

กรดซัลฟิวริกเป็นของเหลวใสไม่มีสีคล้ายน้ำมัน และมีความดันไอ <0.001 mmHg ที่ 25 °C และ 1 mmHg ที่ 145.8 °C ^{[ 16 ]}และกรดซัลฟิวริก 98% มีความดันไอ <1 mmHg ที่ 40 °C ^{[ 17 ]}

ในสถานะของแข็ง กรดซัลฟิวริกเป็นของแข็งโมเลกุลที่ก่อตัวเป็นผลึกโมโนคลินิก ที่ มีพารามิเตอร์แลตติซเกือบเป็นสามเหลี่ยม โครงสร้างประกอบด้วยชั้นที่ขนานกับระนาบ (010) ซึ่งแต่ละโมเลกุลเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจนกับอีกสองโมเลกุล^{[ 3 ]}ไฮเดรตH SO · n H Oเป็นที่รู้จักสำหรับn = 1, 2, 3, 4, 6.5 และ 8 แม้ว่าไฮเดรตระดับกลางส่วนใหญ่จะเสถียรต่อการเกิดการแตกตัว^[¹⁸^]

ขั้วและค่าการนำไฟฟ้า

H2SO4 ปราศจากน้ำ เป็นของเหลว ที่มีขั้วสูงมากโดยมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกประมาณ 100 มีค่าการนำไฟฟ้า สูง ซึ่งเป็นผลมาจาก ออ โตโปรโตไลซิส กล่าวการโปรตอน ตัวเอง : ^[¹⁵^]

2 H SO ⇌ H SO+4+ HSO−4

ค่าคงที่สมดุลสำหรับออโตโปรโตไลซิส (25 °C) คือ: ^{[ 15 ]}

[H SO ] ⁺ [HSO ] ⁻ = 2.7 × 10 ⁻⁴

ค่าคงที่สมดุล ที่สอดคล้องกันสำหรับน้ำ K w 10 ⁻¹⁴ซึ่งเล็กกว่าถึง 10 ¹⁰ (10 พันล้าน) เท่า

แม้ว่ากรดจะมีค่าความหนืดสูง แต่ค่าการนำไฟฟ้า ที่มีประสิทธิภาพ ของH₃SO₄ ก็ ยัง คงอยู่ใน +4และHSO−4ไอออนในกรดซัลฟิวริกมีปริมาณสูงเนื่องจากกลไกการสลับโปรตอนภายในโมเลกุล (คล้ายกับกลไกของกรอตทัสในน้ำ) ทำให้กรดซัลฟิวริกเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี นอกจากนี้ยังเป็นตัวทำละลายที่ดีเยี่ยมสำหรับปฏิกิริยาหลายชนิด

คุณสมบัติทางเคมี

ความเป็นกรด

การทดลองนี้แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติการคายน้ำของกรดซัลฟิวริกเข้มข้น เมื่อกรดซัลฟิวริกเข้มข้นสัมผัสกับซูโครสจะเกิดการเปลี่ยนซูโครสเป็นคาร์บอนอย่างช้าๆ ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นพร้อมกับการเกิดผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซ ซึ่งมีส่วนช่วยในการก่อตัวของเสาคาร์บอนที่เป็นฟองซึ่งลอยขึ้นเหนือบีกเกอร์

ปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของ กรดซัลฟิวริกเป็น ปฏิกิริยา คายความร้อน สูง^{[ 19 ]}

ดังที่แสดงโดยค่าคงที่การแตกตัวของกรด กรดซัลฟิวริกเป็นกรดแก่:

H₂SO₄ + → ⁺ HSO₄⁻−4, K >> 1

ผลผลิตจากการแตกตัวเป็นไอออนนี้คือHSO−4ไอออนไบซัลเฟต ไบซัลเฟตเป็นกรดที่อ่อนกว่ามาก:

เอชเอสโอ−4+ H O → H O ⁺ + SO2−4, K = 0.01 (พีเค = 2) ^{[ 20 ]}

ผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวครั้งที่สองนี้คือSO2−4ไอออน ซัลเฟต

ภาวะขาดน้ำ

กรดซั ลฟิวริกเข้มข้นมีคุณสมบัติในการดูดน้ำ อย่างมีประสิทธิภาพ โดยจะกำจัด น้ำ ( H₂O ) ออก จากสารประกอบทางเคมีอื่นๆ เช่นน้ำตาลทราย ( ) และคาร์โบไฮเดรต อื่นๆ เพื่อผลิตคาร์บอนไอน้ำและความร้อน การดูดน้ำออกจากน้ำตาลทราย (ซูโครส) เป็นการสาธิตในห้องปฏิบัติการที่พบได้ทั่วไป^[²¹^]น้ำตาลจะเปลี่ยนสีเข้มขึ้นเมื่อเกิดคาร์บอน และอาจเกิดเป็น แท่งคาร์บอนสีดำที่มีรูพรุนแข็งๆ ที่เรียกว่า งูคาร์บอน^[²²^]

{\underset {\text{ซูโครส}}{{\ce {C12H22O11}}}}\longrightarrow {\underset {{\text{สีดำ}} \atop {\text{โฟมกราไฟต์}}}{{\ce {12 C}}}}+{\ce {11 H2O_{(g,l)}}}

ในทำนองเดียวกัน การผสมแป้งลงในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นจะให้ธาตุคาร์บอนและน้ำ ผลกระทบนี้สามารถเห็นได้เมื่อกรดซัลฟิวริกเข้มข้นหกใส่กระดาษ กระดาษประกอบด้วยเซลลูโลสซึ่งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่เกี่ยวข้องกับแป้ง เซลลูโลสจะทำปฏิกิริยาทำให้เกิดลักษณะเหมือนไหม้ โดยที่คาร์บอนจะปรากฏคล้ายกับเขม่าที่เกิดจากไฟไหม้ แม้จะไม่รุนแรงเท่า แต่การกระทำของกรดต่อผ้าฝ้ายแม้ในรูปของสารละลายเจือจาง ก็สามารถทำลายเนื้อผ้าได้

{\underset {\text{polysaccharide}}{{\ce {[C6H10O5]}}_{n}}}\longrightarrow 6n\ {\ce {C}}+5n\ {\ce {H2O}}

ปฏิกิริยากับคอปเปอร์(II)ซัลเฟตยังสามารถแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติการกำจัดน้ำของกรดซัลฟิวริกได้อีกด้วย ผลึกสีน้ำเงินจะเปลี่ยนเป็นผงสีขาวเมื่อน้ำถูกกำจัดออกไป

{\underset {{\text{copper(II) sulfate}} \atop {\text{pentahydrate}}}{{\ce {CuSO4*5H2O}}}}\longrightarrow {\underset {{\text{anhydrous}} \atop {\text{copper(II) sulfate}}}{{\ce {CuSO4}}}}+{\ce {5 H2O}}

ปฏิกิริยากับเกลือ

กรดซัลฟิวริกทำปฏิกิริยากับเบส ส่วนใหญ่ เพื่อให้ได้ซัลเฟตหรือไบซัลเฟตที่สอดคล้องกัน

อะลูมิเนียมซัลเฟตหรือที่รู้จักกันในชื่อสารส้มสำหรับทำกระดาษ ผลิตขึ้นโดยการนำแร่บอกไซต์ มาทำปฏิกิริยา กับกรดซัลฟิวริก:

2 AlO ( OH) + H₂SO₄ → ( ₃ +

กรดซัลฟิวริกยังสามารถใช้แทนที่กรดที่อ่อนกว่าจากเกลือของกรดเหล่านั้นได้ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยากับ โซเดียมอะซิเตต จะแทนที่ กรดอะซิติก( CH₃COOH ) เกิดเป็นโซเดียมไบซัลเฟต

H SO + CH CO นา → NaHSO + CH COOH

ในทำนองเดียวกัน การนำโพแทสเซียมไนเตรตมาทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริกจะได้กรด ไนตริก กรด ซัลฟิวริกทำปฏิกิริยากับโซเดียมคลอไรด์และให้ก๊าซ ไฮโดรเจนคลอไรด์ และโซเดียมไบซัลเฟต

+ → NaHSO₄ HCl

เมื่อรวมกับกรดไนตริกกรดซัลฟิวริกจะทำหน้าที่ทั้งเป็นกรดและสารดูดความชื้น ทำให้เกิดไอออนไนโตรเนียมNO₃⁻+2ซึ่งมีความสำคัญในปฏิกิริยาไนเตรชั่น ที่เกี่ยวข้องกับ การแทนที่อะโรมาติกแบบอิเล็กโทรฟิลิกปฏิกิริยาประเภทนี้ ซึ่งมีการโปรตอนเกิดขึ้นที่ อะตอม ออกซิเจนมีความสำคัญใน ปฏิกิริยา เคมีอินทรีย์ หลายอย่าง เช่นปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชั่นของฟิชเชอร์และการกำจัดน้ำออกจากแอลกอฮอล์

เมื่อทำปฏิกิริยากับกรดซุปเปอร์แอ ซิด กรด ซัลฟิวริกสามารถทำหน้าที่เป็นเบสและสามารถรับโปรตอนได้ ทำให้เกิดไอออน [H₃SO₄]⁺ เกลือของ [H₃SO₄ ⁺ ได้เตรียม^ขึ้น ( เช่นไตรไฮ^ดรอกซีออกโซซัลโฟเนียม เฮกซาฟลูออโรแอนติโมเนต(V) ] SbF₆ ⁻ ⁾โดยใช้^{ปฏิกิริยา}ต่อไปนี้ในHF เหลว :

[(CH ) SiO] SO + 3 HF + SbF → [H SO ] ⁺ [SbF ] ⁻ + 2 (CH ) SiF

ปฏิกิริยาข้างต้นเกิดขึ้นได้ง่ายทางอุณหพลศาสตร์เนื่องจากพันธะ Si–F ในผลิตภัณฑ์ข้างเคียงมีเอนทาลปีพันธะ สูง อย่างไรก็ตาม การโปรตอนโดยใช้ กรดฟลูออโรแอนติโมนิก เพียงอย่างเดียว กลับล้มเหลว เนื่องจากกรดซัลฟิวริกบริสุทธิ์จะเกิดการแตกตัวเป็นไอออนเองเพื่อให้ได้ไอออน [ ] ^⁺

2 H SO ⇌ H O ⁺ + HS O−7

ซึ่งป้องกันการแปลงH SO เป็น[H SO ] ⁺ โดย ระบบHF/ SbF ^[²³^]

ปฏิกิริยากับโลหะ

แม้แต่กรดซัลฟิวริกเจือจางก็ยังทำปฏิกิริยากับโลหะหลายชนิดผ่านปฏิกิริยาการแทนที่แบบเดี่ยว เช่นเดียวกับกรด ทั่วไปอื่นๆ โดยให้ผลผลิตเป็นก๊าซไฮโดรเจนและเกลือ (โลหะซัลเฟต) มันจะทำปฏิกิริยา กับ โลหะ ที่ ไวต่อปฏิกิริยา ( โลหะที่อยู่ในตำแหน่งเหนือทองแดงในอนุกรมความไวต่อปฏิกิริยา ) เช่นเหล็ก อะลูมิเนียมสังกะสีแมงกานีส แมกนีเซียมและนิกเกล

+ → + FeSO₄

กรดซัลฟิวริกเข้มข้นสามารถทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์ปล่อยก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ออกมา: ^{[ 8 ]}

+ 2 H₂SO₄ + 2 + SO₂2−4+ Cu ²⁺

อย่างไรก็ตาม ตะกั่วและทังสเตน นั้นทนต่อกรดซัลฟิวริกได้ดี

ปฏิกิริยากับคาร์บอนและกำมะถัน

กรดซัลฟิวริกเข้มข้นร้อนจะออกซิไดซ์คาร์บอน^{[ 24 ]} (เช่นถ่านหินบิทูมินัส ) และกำมะถัน :

C + 2 H SO → CO + 2 SO + 2 H O

S + 2 → SO₂ 2

การแทนที่อะโรมาติกแบบอิเล็กโทรฟิลิก

เบนซีนและอนุพันธ์หลายชนิดเกิดการแทนที่อะโรมาติกแบบอิเล็กโทรฟิลิกกับกรดซัลฟิวริกเพื่อให้ได้กรดซัลโฟนิก ที่สอดคล้องกัน : ^{[ 25 ]}

วัฏจักรซัลเฟอร์-ไอโอดีน

กรดซัลฟิวริกสามารถนำมาใช้ผลิตไฮโดรเจนจากน้ำได้:

2 I + 2 SO + 4 H O → 4 HI + 2 H SO		(120 °C, ปฏิกิริยาบุนเซ่น )
2 → 2 + H₂O + O₂		(830 °C)
4 HI → 2 I + 2 H		(320 °C)

สารประกอบของกำมะถันและไอโอดีนจะถูกกู้คืนและนำกลับมาใช้ใหม่ ดังนั้นกระบวนการนี้จึงเรียกว่า วัฏจักรกำมะถัน-ไอโอดีนกระบวนการนี้เป็นกระบวนการดูดความร้อนและต้องเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงต้องจัดหาพลังงานในรูปของความร้อน วัฏจักรกำมะถัน-ไอโอดีนได้รับการเสนอให้เป็นวิธีในการจัดหาไฮโดรเจนสำหรับเศรษฐกิจที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นหลักเป็นทางเลือกแทนการแยกด้วยไฟฟ้าและไม่จำเป็นต้องใช้ไฮโดรคาร์บอนเหมือนวิธีการปฏิรูปไอน้ำ ในปัจจุบัน แต่โปรดทราบว่าพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ในไฮโดรเจนที่ผลิตได้นั้นมาจากความร้อนที่ใช้ในการผลิต^{[ 26 ]}^{[ 27 ]}

การเกิดขึ้น

กรดซัลฟิวริกในรูป ปราศจากน้ำนั้นพบได้ยากในธรรมชาติบนโลกเนื่องจากมีคุณสมบัติในการดูดซับน้ำ ได้ดีมาก กรดซัลฟิวริกเจือจางเป็นส่วนประกอบหนึ่งของฝนกรดซึ่งเกิดจากการออกซิเดชันของซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ในชั้นบรรยากาศ โดยมีน้ำ เป็นตัวช่วย กล่าวคือ การ ออกซิเดชันของกรดซัลฟิว รัสเมื่อเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ เช่น ถ่านหินหรือน้ำมัน ซัลเฟอร์ไดออกไซด์จะเป็นผลพลอยได้หลัก (นอกเหนือจากผลิตภัณฑ์หลักอย่างคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ)

กรดซั ล ฟิวริกเกิดขึ้นตามธรรมชาติจากการออกซิเดชันของแร่ซัลไฟด์ เช่นไพไรต์

2 FeS (s) + 7 O + 2 H O → 2 Fe ²⁺ + 4 SO2−4+ 4 H ⁺

น้ำเสียที่เกิดขึ้นซึ่งมีฤทธิ์เป็นกรดสูงมาก เรียกว่าน้ำเสียจากเหมืองแร่ที่เป็นกรด (Acid Mine Drainage หรือ AMD) หรือ น้ำเสียจากหินที่เป็นกรด (Acid Rock Drainage หรือ ARD)

Fe ²⁺สามารถถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นFe ³⁺ได้ :

4 Fe ²⁺ + O + 4 H ⁺ → 4 Fe ³⁺ + 2 H O

Fe ³⁺ที่เกิดขึ้นสามารถตกตะกอนได้ในรูปของไฮดรอกไซด์หรือไฮดรัสไอรอนออกไซด์ :

Fe ³⁺ + 3 H O → Fe(OH) ↓ + 3 H ⁺

ไอออนเหล็ก(III) (" เหล็กเฟอร์ริก ") ยังสามารถออกซิไดซ์ไพไรต์ได้อีกด้วย:

FeS (s) + 14 Fe ³⁺ + 8 H O → 15 Fe ²⁺ + 2 SO2−4+ 16 H ⁺

เมื่อเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของไพไรต์ด้วยเหล็ก(III) กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมีการวัดค่า pH ที่ต่ำกว่าศูนย์ใน ARD ที่เกิดจากกระบวนการนี้

นอกจากนี้ ARD ยังสามารถผลิตกรดซัลฟิวริกได้ในอัตราที่ช้ากว่า ซึ่งทำให้ความสามารถในการทำให้เป็นกลางของกรด (ANC) ของชั้นหินอุ้มน้ำสามารถทำให้กรดที่เกิดขึ้นเป็นกลางได้ ในกรณีเช่นนี้ ความเข้มข้นของ สารละลายทั้งหมด (TDS) ในน้ำอาจเพิ่มขึ้นจากการละลายของแร่ธาตุจากปฏิกิริยาการทำให้เป็นกลางของกรดกับแร่ธาตุเหล่านั้น

กรดซัลฟิวริกถูกใช้เป็นกลไกป้องกันตัวโดยสิ่งมีชีวิตในทะเลบางชนิด เช่น สาหร่ายไฟต์Desmarestia munda (อันดับDesmarestiales ) ซึ่งสะสมกรดซัลฟิวริกไว้ในแวคิวโอลของเซลล์^{[ 28 ]}

ละอองลอยในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์

ในชั้นสตราโตสเฟียร์ซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศชั้นที่สองที่โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 ถึง 50 กิโลเมตรเหนือพื้นผิวโลก กรดซัลฟิวริกเกิดขึ้นจากการออกซิเดชันของซัลเฟอร์ไดออกไซด์จากภูเขาไฟโดยอนุมูลไฮดรอกซิล : ^{[ 29 ]}

SO + HO ^• → HSO

HSO + O → SO + HO

SO + H O → H SO

เนื่องจากกรดซัลฟิวริกถึงจุดอิ่มตัวยิ่งยวดในชั้นสตราโตสเฟียร์ จึงสามารถก่อตัวเป็นอนุภาคแอโรโซลและให้พื้นผิวสำหรับการเจริญเติบโตของแอโรโซลผ่านการควบแน่นและการรวมตัวกับแอโรโซลน้ำ-กรดซัลฟิวริกอื่นๆ ซึ่งส่งผลให้เกิดชั้นแอโรโซลในชั้นสตราโตสเฟียร์^{[ 29 ]}

กรดซัลฟิวริกจากนอกโลก

เมฆ ถาวรของดาวศุกร์ประกอบด้วยกรดซัลฟิวริกเข้มข้น และก่อให้เกิดฝนกรดซัลฟิวริกเข้มข้น เช่นเดียวกับเมฆในชั้นบรรยากาศของโลกที่ประกอบด้วยน้ำและก่อให้เกิดฝนน้ำ^{[ 30 ]}ตรวจพบน้ำแข็งกรดซัลฟิวริกบน ดวงจันทร์ ยูโรปาของดาวพฤหัสบดีซึ่งเกิดขึ้นเมื่อไอออนซัลเฟอร์จากสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสบดีฝังตัวอยู่ในพื้นผิวน้ำแข็ง^[³¹^]

การผลิต

กรดซัลฟิวริกผลิตขึ้นจากกำมะถันออกซิเจน และน้ำ โดยใช้กระบวนการสัมผัส แบบดั้งเดิม (DCDA) หรือกระบวนการผลิตกรดซัลฟิวริกแบบเปียก (WSA)

กระบวนการติดต่อ

ขั้นตอนแรกคือการเผากำมะถันเพื่อผลิตก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์

S(s) + O → SO

ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ถูกออกซิไดซ์เป็นซัลเฟอร์ไตรออกไซด์โดยออกซิเจนใน présence ของตัวเร่งปฏิกิริยา แวนาเดียม(V) ออกไซด์ ปฏิกิริยานี้ผันกลับได้ และการเกิดซัลเฟอร์ไตรออกไซด์เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน

2 SO + O ⇌ 2 SO

ซัลเฟอร์ไตรออกไซด์จะถูกดูดซับเข้าไปในกรดซัลฟิวริกเข้มข้น 97–98% เพื่อโอ ( H₂S₂O₇ )หรือที่ รู้จักกันในชื่อกรดซัลฟิวริกเข้มข้นหรือกรดไพโรซัลฟิว นั้น โอจะถูกเจือจางด้วยน้ำเพื่อสร้างกรดซัลฟิวริกเข้มข้น

H₂SO₄ + →

H₂S₂O₇ + H₂O →

กระบวนการกรดซัลฟิวริกแบบเปียก

การละลาย SO₃ในน้ำโดยตรง ซึ่งเรียกว่า " กระบวนการกรดซัลฟิวริกแบบเปียก " นั้นไม่ค่อยได้นำมาใช้ เนื่องจากปฏิกิริยาคายความร้อนสูงมาก ส่งผลให้เกิดละอองกรดซัลฟิวริกที่ อุณหภูมิสูง ซึ่งต้องใช้การควบแน่นและการแยกออก

ขั้นตอนแรกคือการเผากำมะถันเพื่อผลิตก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์:

S + O → SO (−297 kJ/mol)

หรืออีกทางเลือกหนึ่งคือ ไหม้ก๊าซ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ( H₂S ) ให้กลายเป็นก๊าซSO₂ :

2 + 3 O₂ 2 H₂O 2 SO₂ −1036 kJ/mol)

จากนั้นซัลเฟอร์ไดออกไซด์จะถูกออกซิไดซ์เป็นซัลเฟอร์ไตรออกไซด์โดยใช้ออกซิเจน โดยมีวาเนเดียม(V) ออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

2 SO + O ⇌ 2 SO (−198 kJ/mol) (ปฏิกิริยาผันกลับได้)

ซัลเฟอร์ไตรออกไซด์จะเกิดปฏิกิริยาไฮเดรชั่นกลายเป็นกรดซัลฟิ H₂SO₄ :

SO + H O → H SO (g) (−101 kJ/mol)

ขั้นตอนสุดท้ายคือการควบแน่นของกรดซัลฟิวริกให้กลายเป็น H₂SO₄ เหลวที่มีความ 97–98 :

H₂SO₄ → H₂SO₄ ( ) ( −69 kJ/mol

วิธีการอื่นๆ

การเผากำมะถันร่วมกับดินประสิว ( โพแทสเซียมไนเตรต , KNO₃ ) ในสภาวะที่มีไอน้ำ เป็นวิธีการที่ใช้กันมาแต่โบราณ เมื่อดินประสิวสลายตัว มันจะออกซิไดซ์กำมะถันให้กลายเป็นซึ่ง จะรวมตัวกับน้ำและเกิด กรดซัลฟิวริก

ก่อนปี 1900 กรดซัลฟิวริกส่วนใหญ่ผลิตโดย กระบวนการ ห้องตะกั่ว^{[ 32 ]}จนถึงปี 1940 กรดซัลฟิวริกที่ผลิตในสหรัฐอเมริกามากถึง 50% ผลิตโดยโรงงานกระบวนการห้อง

มีวิธีการสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการมากมายหลายวิธี ซึ่งโดยทั่วไปจะเริ่มต้นจากซัลเฟอร์ไดออกไซด์หรือเกลือ ที่เทียบเท่า ในวิธีเมตาไบ ซัลไฟต์ กรดไฮโดรคลอริกจะทำปฏิกิริยากับเมตาไบซัลไฟต์เพื่อผลิต ไอระเหย ของซัลเฟอร์ไดออกไซด์ จาก นั้นจึงเป่าก๊าซผ่านกรดไนตริกซึ่งจะปล่อยไอระเหยสีน้ำตาล/แดงของไนโตรเจนไดออกไซด์ออกมาเมื่อปฏิกิริยาดำเนินไป การสิ้นสุดของปฏิกิริยาจะสังเกตได้จากการที่ควันหยุดลง วิธีนี้สะดวกตรงที่ไม่ก่อให้เกิดละอองที่ไม่สามารถแยกออกจากกันได้

3 SO + 2 HNO + 2 H O → 3 H SO + 2 NO

อีกทางเลือกหนึ่งคือ การละลายซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในสารละลายในน้ำของเกลือโลหะออกซิไดซ์ เช่น คอปเปอร์(II) คลอไรด์ หรือเหล็ก(III) คลอไรด์:

2 FeCl + 2 H O + SO → 2 FeCl + H SO + 2 HCl

2 CuCl + 2 H O + SO → 2 CuCl + H SO + 2 HCl

วิธีการผลิตกรดซัลฟิวริกในห้องปฏิบัติการที่ไม่ค่อยเป็นที่รู้จักสองวิธี แม้ว่าจะได้กรดในรูปเจือจางและต้องใช้ความพยายามเพิ่มเติมในการทำให้บริสุทธิ์ ก็คือการใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิส สารละลายคอปเปอร์(II) ซัลเฟตสามารถนำมาอิเล็กโทรไลซิสได้โดยใช้แคโทดทองแดงและแอโนดแพลทินัม/กราไฟต์ เพื่อให้ได้ทองแดง ที่มีลักษณะเป็นรูพรุน ที่แคโทดและก๊าซออกซิเจนที่แอโนด สารละลายกรดซัลฟิวริกเจือจางจะแสดงว่าปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์เมื่อเปลี่ยนจากสีน้ำเงินเป็นสีใส (การเกิดไฮโดรเจนที่แคโทดเป็นอีกสัญญาณหนึ่ง)

2 CuSO + 2 H O → 2 Cu SO + 2 H SO + O

วิธีการอิเล็กโทรโบรมีนนั้นมีราคาแพงกว่า อันตรายกว่า และยุ่งยากกว่า โดยใช้ส่วนผสมของกำมะถันน้ำ และกรดไฮโดรโบรมิกเป็นอิเล็กโทรไลต์ กำมะถันจะถูกดันลงไปที่ก้นภาชนะใต้สารละลายกรด จากนั้นใช้แคโทดทองแดงและแอโนดแพลทินัม/กราไฟต์ โดยวางแคโทดไว้ใกล้พื้นผิวและแอโนดไว้ที่ด้านล่างของอิเล็กโทรไลต์เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้า วิธีนี้อาจใช้เวลานานกว่าและปล่อย ไอระเหย ของโบรมีน /กำมะถันโบรไมด์ที่เป็นพิษ แต่กรดที่เป็นสารตั้งต้นสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ โดยรวมแล้ว มีเพียงกำมะถันและน้ำเท่านั้นที่ถูกเปลี่ยนเป็นกรดซัลฟิวริกและไฮโดรเจน (โดยไม่นับการสูญเสียกรดในรูปไอระเหย)

2 HBr → H + Br (การแยกด้วยไฟฟ้าของไฮโดรเจนโบรไมด์ในสารละลาย)

Br + Br ⁻ ⇌ Br−3( การผลิต ไตรโบรไมด์ เริ่มต้นขึ้น และจะกลับกันในที่สุดเมื่อBr⁻ ^หมดไป)

2S + Br2 S2Br2 โบรมีนทำปฏิกิริยากับกำมะถันเพื่อสร้างไดซัลเฟอร์ไดโบรด์ )

S Br + 8 H O + 5 Br → 2 H SO + 12 HBr (ปฏิกิริยาออกซิเดชันและไฮเดรชันของไดซัลเฟอร์ไดโบรไมด์)

การใช้งาน

กรดซัลฟิวริกเป็นสารเคมีพื้นฐานที่สำคัญมาก และการผลิตกรดซัลฟิวริกของประเทศหนึ่งๆ เชื่อกันว่าเป็นตัวบ่งชี้ที่ดีของความแข็งแกร่งทางอุตสาหกรรมของประเทศนั้นๆ เมื่อปี 2545 ^{[ 33 ]}การผลิตทั่วโลกในปี 2547 อยู่ที่ประมาณ 180 ล้านตันโดยมีการกระจายทางภูมิศาสตร์ดังนี้ เอเชีย 35%, อเมริกาเหนือ (รวมถึงเม็กซิโก) 24%, แอฟริกา 11%, ยุโรปตะวันตก 10%, ยุโรปตะวันออกและรัสเซีย 10%, ออสเตรเลียและโอเชียเนีย 7%, อเมริกาใต้ 7% ^{[ 34 ]}การผลิตทั่วโลกในปี 2565 คาดการณ์ไว้ที่ 260 ล้านตัน^{[ 35 ]}

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ปริมาณที่ผลิตได้ส่วนใหญ่ (≈60%) ถูกนำไปใช้เป็นปุ๋ย โดยเฉพาะซูเปอร์ฟอสเฟต แอมโมเนียมฟอสเฟต และแอมโมเนียมซัลเฟต ประมาณ 20% ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเคมีเพื่อผลิตผงซักฟอก เรซินสังเคราะห์ สีย้อม ยา ตัวเร่งปฏิกิริยาปิโตรเลียม ยาฆ่าแมลง และสารป้องกันการแข็งตัวของน้ำรวมถึงในกระบวนการต่างๆ เช่น การปรับสภาพน้ำมันให้เป็นกรด การลดอะลูมิเนียม การปรับขนาดกระดาษ และการบำบัดน้ำ ประมาณ 6% ของการใช้งานเกี่ยวข้องกับเม็ดสีซึ่งรวมถึงสีทา สีเคลือบหมึกพิมพ์ ผ้าเคลือบ และกระดาษ ในขณะที่ส่วนที่เหลือถูกนำไปใช้ในหลายๆ ด้าน เช่น การผลิตวัตถุระเบิดเซลลูโลสสิ่งทออะซิเตตและวิสโคสสารหล่อลื่น โลหะที่ไม่ใช่เหล็กและแบตเตอรี่^{[ 36 ]}

กรดซัลฟิวริกใช้เป็นสารสิ้นเปลืองสำหรับการสกัดทองแดงจากออกไซด์ในกองชะล้าง^{[ 37 ]}ชิลี ซึ่งเป็นผู้ผลิตทองแดงรายใหญ่ที่สุดของโลกต้องการกรดซัลฟิวริกประมาณ 20% ของการผลิตทองแดงในปี 2026 ^{[ 37 ]}

การผลิตสารเคมีในระดับอุตสาหกรรม

การใช้งานหลักของกรดซัลฟิวริกคือใน "วิธีเปียก" สำหรับการผลิตกรดฟอสฟอริกซึ่งใช้ในการผลิตปุ๋ย ฟอสเฟต ในวิธีนี้จะใช้หินฟอสเฟต และมีการแปรรูปมากกว่า 100 ล้านตันต่อปี วัตถุดิบนี้แสดงไว้ด้านล่างเป็นฟลูออราพาไทต์แม้ว่าองค์ประกอบที่แน่นอนอาจแตกต่างกันไป วัตถุดิบนี้จะถูกบำบัดด้วยกรดซัลฟิวริก 93% เพื่อผลิตแคลเซียมซัลเฟตไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (HF) และกรดฟอสฟอริก HF จะถูกกำจัดออกไปในรูปของกรดไฮโดรฟลูออริกกระบวนการโดยรวมสามารถแสดงได้ดังนี้:

{\underset {\text{fluorapatite}}{{\ce {Ca5(PO4)3F}}}}+{\ce {5 H2SO4 + 10 H2O}}\longrightarrow {\underset {{\text{calcium sulfate}} \atop {\text{dihydrate}}}{{\ce {5 CaSO4*2H2O}}}}+{\ce {HF + 3 H3PO4}}

แอมโมเนียมซัลเฟตซึ่งเป็นปุ๋ยไนโตรเจนที่สำคัญ มักผลิตเป็นผลพลอยได้จากโรงงานผลิตถ่านโค้กที่ป้อนให้กับโรงงานผลิตเหล็กและเหล็กกล้า การนำแอมโมเนียที่เกิดขึ้นจากการสลายตัวด้วยความร้อนของถ่านหิน มาทำปฏิกิริยา กับกรดซัลฟิวริกเหลือทิ้ง จะทำให้แอมโมเนียตกผลึกเป็นเกลือ (มักมีสีน้ำตาลเนื่องจากการปนเปื้อนของเหล็ก) และจำหน่ายให้กับอุตสาหกรรมเคมีเกษตร

กรดซัลฟิวริกยังมีความสำคัญในการผลิตสารละลาย สีย้อม อีกด้วย

สารทำความสะอาดอุตสาหกรรม

กรดซัลฟิวริกใช้ในการผลิตเหล็กและอุตสาหกรรมโลหะวิทยา อื่นๆ เป็นสารกัดกร่อนเพื่อกำจัดสนิมและสิ่งสกปรก^{[ 38 ]}กรดที่ใช้แล้วมักจะถูกนำกลับมาใช้ใหม่โดยใช้โรงงานฟื้นฟูกรดที่ใช้แล้ว (SAR) โรงงานเหล่านี้เผาไหม้กรดที่ใช้แล้วด้วยก๊าซธรรมชาติ ก๊าซจากโรงกลั่น น้ำมันเชื้อเพลิง หรือแหล่งเชื้อเพลิงอื่นๆ กระบวนการเผาไหม้นี้จะผลิตก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ( SO ) และซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ ( SO ) ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการผลิตกรดซัลฟิวริก "ใหม่"

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ( H₂O₂ ) สามารถเติมลงในกรดซัลฟิวริกเพื่อผลิตพิรานยาเป็นสารละลายทำความสะอาดที่มีประสิทธิภาพสูงแต่ก็อาจเป็นอันตรายได้ สารละลายพิรานยามักใช้ในอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และในห้องปฏิบัติการเพื่อทำความสะอาดเครื่องแก้ว

ตัวเร่งปฏิกิริยา

กรดซัลฟิวริกถูกนำไปใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมเคมีหลากหลายด้าน ตัวอย่างเช่น เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดในการเปลี่ยนไซโคลเฮกซาโนนออกซิมเป็นแคโปรแลคแทมซึ่งใช้ในการผลิตไนลอน นอกจาก ยังใช้ในการผลิตกรดไฮโดรคลอริกจากเกลือผ่านกระบวนการแมนไฮม์กรดซัล ฟิ ริก จำนวนมากถูกใช้ในการกลั่นปิโตรเลียมเช่น เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาของไอโซบิวเทนกับ ไอโซบิ วทิลีนเพื่อให้ได้ไอโซออกเทนซึ่งเป็นสารประกอบที่ช่วยเพิ่มค่าออกเทนของน้ำมันเบนซินกรดซัลฟิวริกยังมักใช้เป็นสารดูดความชื้นหรือสารออกซิไดซ์ในปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรม เช่น การกำจัดน้ำออกจากน้ำตาลชนิดต่างๆ เพื่อสร้างคาร์บอนแข็ง

อิเล็กโทรไลต์

กรดซัลฟิวริกทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ตะกั่วกรด (แบตเตอรี่สะสมตะกั่วกรด):

ที่ขั้วบวก :

ตะกั่ว + ซัลเฟอร์2−4⇌ PbSO + 2 e ⁻

ที่ขั้วแคโทด :

PbO + 4 H ⁺ + SO2−4+ 2 e ⁻ ⇌ PbSO + 2 H O

โดยรวม:

Pb + PbO + 4 H ⁺ + 2 SO2−4⇌ 2 PbSO + 2 H O

ใช้ในครัวเรือน

กรดซัลฟิวริกที่มีความเข้มข้นสูงมักเป็นส่วนประกอบหลักในน้ำยาทำความสะอาดท่อระบายน้ำที่เป็นกรดในครัวเรือน^{[ 12 ]}ซึ่งใช้ในการกำจัดไขมันเส้นผมกระดาษทิชชูฯลฯ เช่นเดียวกับน้ำยาทำความสะอาด ท่อระบายน้ำที่เป็น ด่าง น้ำยาเปิดท่อระบายน้ำเหล่านี้สามารถละลายไขมันและโปรตีนผ่านกระบวนการ ไฮโดรไลซิสได้ นอกจากนี้ เนื่องจากกรดซัลฟิวริกเข้มข้นมีคุณสมบัติในการดูดความชื้นสูง จึงสามารถกำจัดกระดาษทิชชูผ่านกระบวนการดูดความชื้นได้เช่นกัน เนื่องจากกรดอาจทำปฏิกิริยากับน้ำอย่างรุนแรง น้ำยาเปิดท่อระบายน้ำที่เป็นกรดดังกล่าวจึงควรเติมลงในท่อที่จะทำความสะอาดอย่างช้าๆ

ประวัติศาสตร์

โมเลกุลกรดซัลฟิวริกของจอห์น ดาลตัน ในปี ค.ศ. 1808 แสดงให้เห็นอะตอม กำมะถัน ตรงกลาง ที่เชื่อมต่อกับอะตอมออกซิเจนสามอะตอม หรือซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ซึ่งเป็นแอนไฮไดรด์ของกรดซัลฟิวริก

กรดกำมะถัน

การศึกษาเกี่ยวกับกรดซัลฟิวริก (ซัลเฟตไฮเดรตของโลหะต่างๆ ที่ก่อตัวเป็นแร่คล้ายแก้ว ซึ่งสามารถสกัดกรดซัลฟิวริกได้) เริ่มขึ้นในสมัยโบราณชาวสุเมเรียนมีรายการประเภทของกรดซัลฟิวริกที่พวกเขาจัดประเภทตามสีของสาร การอภิปรายครั้งแรกๆ เกี่ยวกับที่มาและคุณสมบัติของกรดซัลฟิวริกพบได้ในงานของแพทย์ชาวกรีกดิออสคอริเดส (คริสต์ศตวรรษที่ 1) และนักธรรมชาติวิทยาชาวโรมันพลินีผู้เฒ่า (คริสต์ศตวรรษที่ 23-79) กาเลนยังได้กล่าวถึงการใช้ทางการแพทย์ของกรดซัลฟิวริกด้วย การใช้กรดซัลฟิวริกในด้านโลหะวิทยาได้รับการบันทึกไว้ในงานเล่นแร่แปรธาตุของชาวเฮลเลนิสติกของโซซิโมสแห่งปาโนโพลิสในตำราPhisica et Mysticaและในปาปิรัสไลเดนฉบับที่ 10 ^{[ 39 ]}นักเล่นแร่แปรธาตุชาวอิสลามในยุคกลางเช่น ผู้เขียนที่เขียนภายใต้ชื่อJabir ibn Hayyan (เสียชีวิตประมาณ ค.ศ. 806 – ค.ศ. 816 รู้จักกันในภาษาละตินว่า Geber), Abu Bakr al-Razi (ค.ศ. 865–925 รู้จักกันในภาษาละตินว่า Rhazes), Ibn Sina (ค.ศ. 980–1037 รู้จักกันในภาษาละตินว่า Avicenna) และMuhammad ibn Ibrahim al-Watwat (ค.ศ. 1234–1318) ได้รวม vitriol ไว้ในรายการจำแนกประเภทแร่ของพวกเขา^{[ 40 ]}

ญะบิร บิน ฮัยยัน, อบู บักร อัล-ราซี, อิบนุ ซินา และคณะ

ผู้เขียนชาวจาบีเรียนและอัล-ราซีได้ทดลองอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการกลั่นสารต่างๆ รวมถึงกรดซัลฟิวริก^{[ 41 ]}ในสูตรหนึ่งที่บันทึกไว้ในKitāb al-Asrār ( 'หนังสือแห่งความลับ' ) อัล-ราซีอาจสร้างกรดซัลฟิวริกโดยไม่รู้ตัว^{[ 42 ]}

นำ สารส้มสีขาว (เยเมน) มาละลายและทำให้บริสุทธิ์โดยการกรอง จากนั้นกลั่นกรดซัลฟิวริก (สีเขียว?) ด้วยคอปเปอร์กรีน (อะซิเตต) และผสม (สารกลั่น) กับสารละลายสารส้มที่บริสุทธิ์ที่กรองแล้ว หลังจากนั้นปล่อยให้แข็งตัว (หรือตกผลึก) ในบีกเกอร์แก้ว คุณจะได้สารส้มสีขาวที่ดีที่สุดเท่าที่จะหาได้^{[ 43 ]}

— อบู บักร อัล-ราซี, กิตาบ อัล-อัสราร

ในงานเขียนภาษาละตินที่ไม่ระบุชื่อผู้เขียน ซึ่งบางคนระบุว่าเป็นผลงานของอริสโตเติล (ภายใต้ชื่อLiber Aristotilis , 'หนังสือของอริสโตเติล') ^{[ 44 ]} บางคนระบุว่าเป็นผลงานของ อัล-ราซี (ภายใต้ชื่อLumen luminum magnum , 'แสงสว่างอันยิ่งใหญ่แห่งแสงสว่าง') หรือบางคนระบุว่าเป็นผลงานของอิบนุ ซินา^{[ 45 ]}ผู้เขียนกล่าวถึง 'น้ำมัน' ( oleum ) ที่ได้จากการกลั่นเหล็ก(II) ซัลเฟต (กรีนวิทริออล) ซึ่งน่าจะเป็น 'น้ำมันวิทริออล' หรือกรดซัลฟิวริก^{[ 46 ]}งานเขียนนี้อ้างอิงถึงหนังสือเจ็ดสิบเล่ม ของจาบีร์ อิบนุ ฮายยาน ( Liber de septuaginta ) หลายครั้ง ซึ่งเป็นหนึ่งในงานเขียนภาษาอาหรับของจาบีร์ไม่กี่เล่มที่ได้รับการแปลเป็นภาษาละติน^{[ 47 ]}ผู้เขียนฉบับที่ระบุว่าเป็นของอัล-ราซี ยังอ้างถึงLiber de septuagintaว่าเป็นผลงานของตนเอง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเขาเข้าใจผิดว่าLiber de septuagintaเป็นผลงานของอัล-ราซี^{[ 48 ]}มีข้อบ่งชี้หลายประการว่าผลงานที่ไม่ระบุชื่อนั้นเป็นงานเขียนดั้งเดิมในภาษาละติน^{[ 49 ]}แม้ว่าตามต้นฉบับหนึ่งระบุว่าได้รับการแปลโดยเรย์มอนด์แห่งมาร์เซย์ ซึ่งหมายความว่าอาจเป็นการแปลจากภาษาอาหรับด้วย^{[ 50 ]}

ตามที่Ahmad Y. al-Hassan กล่าวไว้ มีสูตรสำหรับกรดซัลฟิวริกสามสูตรปรากฏอยู่ใน ต้นฉบับ Garshuni ที่ไม่ระบุชื่อ ซึ่งมีการรวบรวมมาจากผู้เขียนหลายคนและมีอายุตั้งแต่ก่อนประมาณค.ศ. 1100 [ ^{51 ] หนึ่ง}ในนั้นมีเนื้อหาดังนี้:

น้ำกรดกำมะถันและน้ำที่ใช้ชะล้างยา: กรดกำมะถันสีเหลืองสามส่วน กำมะถันสีเหลืองหนึ่งส่วน บดและกลั่นในลักษณะเดียวกับน้ำกุหลาบ^{[ 52 ]}

มีการกล่าวถึงสูตรการเตรียมกรดซัลฟิวริกในRisālat Jaʿfar al-Sādiq fī ʿilm al-ṣanʿaซึ่งเป็นตำราภาษาอาหรับที่อ้างอย่างผิดๆ ว่าเป็นผลงานของอิหม่ามชีอะฮ์Ja'far al-Sadiq (เสียชีวิตในปี 765) Julius Ruskaระบุว่าตำรานี้มีอายุราวศตวรรษที่ 13 แต่ตามที่ Ahmad Y. al-Hassan กล่าวไว้ว่าน่าจะมีอายุเก่าแก่กว่านั้น: ^{[ 53 ]}

จากนั้นกลั่นกรดกำมะถันสีเขียวในภาชนะทรงถ้วยและหม้อกลั่นโดยใช้ไฟปานกลาง นำสิ่งที่ได้จากสารกลั่นมากลั่น คุณจะพบว่ามันใสและมีสีเขียวอ่อน^{[ 52 ]}

วินเซนต์แห่งโบเวส์, อัลแบร์ตุส แมกนัส และเกเบอร์เทียม

กรดซัลฟิวริกถูกเรียกว่า 'น้ำมันวิทริออล' โดยนักเล่นแร่แปรธาตุชาวยุโรปในยุคกลาง เนื่องจากเตรียมได้จากการคั่วเหล็ก(II) ซัลเฟตหรือวิทริออลสีเขียวในเตาเผา เหล็ก การกล่าวถึงครั้งแรกในงานเขียนที่มีต้นกำเนิดจากยุโรปปรากฏขึ้นในศตวรรษที่ 13 เช่น ในงานเขียนของวินเซนต์แห่งโบเวส์ในCompositum de Compositisที่เชื่อกันว่าเป็นผลงานของอัลเบอร์ตัส แม็กนัสและในSumma perfectionisของเกเบอร์ปลอม^[⁵⁴^]

การผลิตกรดซัลฟิวริกจากกำมะถัน

วิธีการผลิตโอเลียมซัลฟูริสเปอร์แคมปานัมหรือ "น้ำมันกำมะถันโดยระฆัง" เป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 16 แล้ว โดยเกี่ยวข้องกับการเผากำมะถันใต้ระฆังแก้วในสภาพอากาศชื้น (หรือในภายหลังคือใต้ระฆังที่ชุบน้ำ) อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ไม่มีประสิทธิภาพมากนัก (ตามที่เกสเนอร์ กล่าวไว้ กำมะถัน 5 ปอนด์ (2.3 กิโลกรัม) เปลี่ยนเป็นกรดได้น้อยกว่า 1 ออนซ์ (0.03 กิโลกรัม)) และผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นปนเปื้อนด้วยกรดซัลฟิวรัส (หรือสารละลายซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ) ดังนั้นนักเล่นแร่แปรธาตุส่วนใหญ่ (รวมถึงไอแซค นิวตันด้วย) จึงไม่ถือว่ามันเทียบเท่ากับ "น้ำมันวิทริออล"

ในศตวรรษที่ 17 โยฮันน์ รูดอล์ฟ เกลาเบอร์ค้นพบว่าการเติมดินประสิว ( โพแทสเซียมไนเตรต , KNO₃ ) ช่วยเพิ่มผลผลิตได้อย่างมาก และยังแทนที่ความชื้นด้วยไอน้ำอีกด้วย เมื่อดินประสิวสลายตัว มันจะออกซิไดซ์กำมะถันให้กลายเป็นซึ่งจะรวมกับน้ำเพื่อผลิตกรดซัลฟิวริก ในปี 1736 โจชัว วอร์ด เภสัชกรชาวลอนดอน ได้นำวิธีการนี้มา ในการเริ่มต้นการผลิตกรดซัลฟิวริกในปริมาณมากเป็นครั้งแรก

กระบวนการห้องตะกั่ว

ในปี ค.ศ. 1746 ที่เมืองเบอร์มิงแฮมจอห์น โรบักได้ดัดแปลงวิธีการนี้เพื่อผลิตกรดซัลฟิวริกใน ห้องที่ บุ ด้วยตะกั่ว ซึ่งมีความแข็งแรงกว่า ราคาถูกกว่า และสามารถทำได้ใหญ่กว่าภาชนะแก้วที่ใช้ก่อนหน้านี้ กระบวนการนี้ทำให้การผลิตกรดซัลฟิวริกในระดับอุตสาหกรรมมีประสิทธิภาพ หลังจากได้รับการปรับปรุงหลายครั้ง วิธีนี้ซึ่งเรียกว่ากระบวนการห้องตะกั่วหรือ "กระบวนการห้อง" ยังคงเป็นมาตรฐานสำหรับการผลิตกรดซัลฟิวริกมาเกือบสองศตวรรษ โดยมีความบริสุทธิ์ 62% และอัตราการแปลง 75% ^{[ 4 ]}

การกลั่นไพไรต์

กรดซัลฟิวริกที่ผลิตขึ้นโดยกระบวนการของจอห์น โรบัก มีความเข้มข้นประมาณ 65% ต่อมา การปรับปรุงกระบวนการในห้องตะกั่วโดยนักเคมีชาวฝรั่งเศสโจเซฟ หลุยส์ เกย์-ลูแซคและนักเคมีชาวอังกฤษ จอห์น โกลเวอร์ ทำให้ความเข้มข้นเพิ่มขึ้นเป็น 78% อย่างไรก็ตาม การผลิตสีย้อม บางชนิด และกระบวนการทางเคมีอื่นๆ ต้องการผลิตภัณฑ์ที่มีความเข้มข้นสูงกว่า ในช่วงศตวรรษที่ 18 การผลิตกรดซัลฟิวริกที่มีความเข้มข้นสูงกว่านี้ทำได้โดยการกลั่นแห้งแร่ธาตุในเทคนิคที่คล้ายกับกระบวนการเล่นแร่แปรธาตุ แบบดั้งเดิม ไพไรต์ (เหล็กไดซัลไฟด์, FeS₂ ถูกให้ความร้อนในอากาศเพื่อให้ได้เหล็ก(II)ซัลเฟต, FeSO₄ ซ์โดยการให้ความร้อนในอากาศต่อไปเพื่อสร้างเหล็ก(III)ซัลเฟต , Fe₂ (SO₄ ₃ เมื่อให้ความร้อนถึง 480 °C จะสลายตัวเป็นเหล็ก(III)ออกไซด์และซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ ซึ่งสามารถผ่านน้ำเพื่อให้ได้กรดซัลฟิวริกในความเข้มข้นใดๆ ก็ได้ อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายของกระบวนการนี้ทำให้ไม่สามารถใช้กรดซัลฟิวริกเข้มข้นในปริมาณมากได้^[⁴^]

กระบวนการติดต่อ

ในปี พ.ศ. 2474 เพเรกรีน ฟิลลิปส์ พ่อค้าน้ำส้มสายชู ชาวอังกฤษ ได้จดสิทธิบัตร กระบวนการสัมผัสซึ่งเป็นกระบวนการที่ประหยัดกว่ามากในการผลิตซัลเฟอร์ไตรออกไซด์และกรดซัลฟิวริกเข้มข้น ปัจจุบัน กรดซัลฟิวริกเกือบทั้งหมดของโลกผลิตโดยใช้วิธีนี้^{[ 33 ]}

ในช่วงต้นถึงกลางศตวรรษที่ 19 มีโรงงานผลิต "วิทริออล" อยู่หลายแห่ง เช่นเพรสตันแพนส์ในสกอตแลนด์ชรอปเชียร์และหุบเขาลากันในเคาน์ตีแอนทริมไอร์แลนด์เหนือซึ่งใช้เป็นสารฟอกขาวสำหรับผ้าลินิน การฟอกขาวผ้าลินินในยุคแรกทำโดยใช้กรดแลคติกจากนมเปรี้ยว แต่กระบวนการนี้ช้า และการใช้วิทริออลช่วยเร่งกระบวนการฟอกขาวให้เร็วขึ้น^{[ 55 ]}

ความปลอดภัย

อันตรายในห้องปฏิบัติการ

ถุงมือไนไตรล์สัมผัสกับกรดซัลฟิวริก 98% เป็นเวลา 10 นาที

กรดซัลฟิวริกสามารถทำให้เกิดแผลไหม้รุนแรงได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีความเข้มข้น สูง เช่นเดียวกับ กรด และด่าง กัดกร่อนอื่นๆ กรดซัลฟิว ริกจะสลายโปรตีนและไขมัน ได้ง่าย ผ่าน การไฮโดรไลซิส ของอะไมด์และ เอสเทอร์ เมื่อสัมผัสกับเนื้อเยื่อที่มีชีวิตเช่นผิวหนังและเนื้อหนังนอกจากนี้กรดซัลฟิวริก ยังมี คุณสมบัติในการดูดน้ำออกจากคาร์โบไฮเดรต อย่างรุนแรง ทำให้เกิด ความร้อนส่วนเกินและทำให้ เกิดแผล ไหม้จากความร้อนรอง^[⁸^]^[⁹^] ด้วยเหตุนี้ กรดซัลฟิวริก จึงทำลาย กระจกตาอย่างรวดเร็วและอาจทำให้ตาบอดถาวรหากกระเด็นเข้าตาหากกลืนกินเข้าไป จะทำลายอวัยวะภายในอย่างถาวรและอาจถึงแก่ชีวิตได้^[⁷^]ดังนั้นจึงควรใช้อุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคลเสมอเมื่อต้องจัดการกับกรดซัลฟิวริก นอกจากนี้คุณสมบัติในการออกซิไดซ์ที่รุนแรง ยัง ทำให้กรดซัลฟิวริกกัดกร่อนโลหะ หลายชนิด และอาจขยายการทำลายไปยังวัสดุอื่นๆ ได้^[⁸^]ด้วยเหตุผลดังกล่าว ความเสียหายที่เกิดจากกรดซัลฟิวริกจึงอาจรุนแรงกว่าความเสียหายที่เกิดจากกรดแก่ชนิด อื่นที่เทียบเคียงได้ เช่นกรดไฮโดรคลอริกและกรดไนตริก

ป้ายเตือนอันตรายจากกรด

กรดซัลฟิวริกต้องเก็บรักษาอย่างระมัดระวังในภาชนะที่ทำจากวัสดุที่ไม่ทำปฏิกิริยา (เช่น แก้ว) สารละลายที่มีความเข้มข้นเท่ากับหรือมากกว่า 1.5 M จะมีป้ายกำกับว่า "กัดกร่อน" ในขณะที่สารละลายที่มีความเข้มข้นมากกว่า 0.5 M แต่น้อยกว่า 1.5 M จะมีป้ายกำกับว่า "ระคายเคือง" อย่างไรก็ตาม แม้แต่กรดซัลฟิวริกเกรด "เจือจาง" ทั่วไปในห้องปฏิบัติการ (ประมาณ 1 M, 10%) ก็สามารถทำให้กระดาษไหม้ได้หากทิ้งไว้สัมผัสเป็นเวลานานพอ

การปฐมพยาบาลเบื้องต้นสำหรับกรดหกใส่ผิวหนังนั้น เช่นเดียวกับสารกัดกร่อน อื่นๆ คือการล้างด้วยน้ำปริมาณมาก ล้างต่อเนื่องอย่างน้อยสิบถึงสิบห้านาที เพื่อลดอุณหภูมิของเนื้อเยื่อรอบๆ บริเวณที่ถูกกรดลวก และป้องกันความเสียหายเพิ่มเติม ถอดเสื้อผ้าที่เปื้อนออกทันที และล้างผิวหนังด้านล่างให้สะอาดหมดจด

อันตรายจากการเจือจาง

การเตรียมกรดเจือจางอาจเป็นอันตรายเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นในกระบวนการเจือจาง เพื่อหลีกเลี่ยงการกระเด็น กรดเข้มข้นมักจะถูกเติมลงในน้ำ ไม่ใช่ในทางกลับกัน มีคำกล่าวที่ใช้เตือนความจำว่า "ทำอย่างที่ควรทำ เติมกรดลงในน้ำ" ^{[ 56 ]}^{[ 57 ]}น้ำมีความจุความร้อนสูงกว่ากรด ดังนั้นภาชนะบรรจุน้ำเย็นจะดูดซับความร้อนเมื่อเติมกรดลงไป

การเปรียบเทียบกรดซัลฟิวริกและน้ำ
คุณสมบัติทางกายภาพ	เอชโซ	น้ำ	หน่วย
ความหนาแน่น	1.84	0.997	กก./ลิตร
ความจุความร้อนเชิงปริมาตร	2.56 (กรดซัลฟิวริก 100%) 2.54 (กรดซัลฟิวริก 98.3%)	4.18	กิโลจูล/ลิตร
จุดเดือด	~290˚-300˚C+ (กรดซัลฟิวริก 100%) 337 องศาเซลเซียส (กรดซัลฟิวริก 98.3%)	100	°C

นอกจากนี้ เนื่องจากกรดมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ จึงจมลงสู่ก้นภาชนะ ความร้อนจะเกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อระหว่างกรดและน้ำ ซึ่งอยู่ด้านล่างของภาชนะ กรดจะไม่เดือดเนื่องจากมีจุดเดือดสูงกว่า น้ำอุ่นที่อยู่ใกล้รอยต่อจะลอยขึ้นเนื่องจากการพาความร้อนซึ่งจะทำให้บริเวณรอยต่อเย็นลง และป้องกันไม่ให้ทั้งกรดและน้ำเดือด

ในทางตรงกันข้าม การเติมน้ำลงในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นจะทำให้เกิดชั้นน้ำบางๆ อยู่ด้านบนของกรด ความร้อนที่เกิดขึ้นในชั้นน้ำบางๆ นี้สามารถเดือดได้ ทำให้เกิดการกระจายตัวของละออง กรดซัลฟิวริก หรือที่แย่กว่านั้นคือการ ระเบิด

การเตรียมสารละลายที่มีความเข้มข้นมากกว่า 6 M (35%) เป็นอันตราย เว้นแต่จะเติมกรดอย่างช้าๆ เพื่อให้ส่วนผสมมีเวลาเย็นตัวลงอย่างเพียงพอ มิเช่นนั้น ความร้อนที่เกิดขึ้นอาจมากพอที่จะทำให้ส่วนผสมเดือดได้ การกวนด้วยเครื่องจักรอย่างมีประสิทธิภาพและการระบายความร้อนจากภายนอก (เช่น อ่างน้ำแข็ง) จึงเป็นสิ่งจำเป็น

อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นประมาณ 10 องศาเซลเซียส[ 58 ^{]ดังนั้นปฏิกิริยา}จะรุนแรงขึ้นเมื่อเจือจางลงเรื่อยๆ เว้นแต่จะให้เวลาส่วนผสมเย็นลง การเติมกรดลงในน้ำอุ่นจะทำให้เกิดปฏิกิริยารุนแรง

ในระดับห้องปฏิบัติการ กรดซัลฟิวริกสามารถเจือจางได้โดยการเทกรดเข้มข้นลงบนน้ำแข็งบดที่ทำจากน้ำปราศจากไอออน น้ำแข็งจะละลายในกระบวนการดูดความร้อนในขณะที่เจือจางกรด ปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการละลายน้ำแข็งในกระบวนการนี้มากกว่าปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเจือจางกรด ดังนั้นสารละลายจึงยังคงเย็นอยู่^{[ 59 ]}หลังจากน้ำแข็งละลายหมดแล้ว สามารถเจือจางเพิ่มเติมได้โดยใช้น้ำ

อันตรายจากอุตสาหกรรม

กรดซัลฟิวริกไม่ติดไฟ

ความเสี่ยงทางอาชีพหลักที่เกิดจากกรดนี้ ได้แก่ การสัมผัสกับผิวหนังซึ่งนำไปสู่การไหม้ (ดูด้านบน) และการสูดดมละอองลอย การสัมผัสกับละอองลอยในความเข้มข้นสูงนำไปสู่การระคายเคืองอย่างรุนแรงและทันทีต่อดวงตา ทางเดินหายใจ และเยื่อเมือก ซึ่งจะหายไปอย่างรวดเร็วหลังจากการสัมผัส แม้ว่าจะมีความเสี่ยงต่อภาวะปอดบวมตามมาหากเนื้อเยื่อได้รับความเสียหายอย่างรุนแรงมากขึ้นก็ตาม ในความเข้มข้นที่ต่ำกว่า อาการที่พบได้บ่อยที่สุดของการสัมผัสกับละอองลอยกรดซัลฟิวริกเรื้อรังคือการสึกกร่อนของฟัน ซึ่งพบได้ในการศึกษาเกือบทั้งหมด ข้อบ่งชี้เกี่ยวกับความเสียหายเรื้อรังที่อาจเกิดขึ้นกับทางเดินหายใจยังไม่สามารถสรุปได้ ณ ปี 1997 การสัมผัสกับละอองกรดซัลฟิวริกซ้ำๆ ในที่ทำงานอาจเพิ่มโอกาสในการเกิดมะเร็งปอดได้ถึง 64 เปอร์เซ็นต์^{[ 60 ]}ในสหรัฐอเมริกาขีดจำกัดการสัมผัสที่อนุญาต (PEL) สำหรับกรดซัลฟิวริกถูกกำหนดไว้ที่ 1 มก./ลบ.ม. ^ขีดจำกัดในประเทศอื่นๆ ก็คล้ายกัน มีรายงานว่าการรับประทานกรดซัลฟิวริกเข้าไปอาจนำไปสู่ภาวะขาดวิตามินบี 12และทำให้เกิดภาวะความเสื่อมร่วมแบบกึ่งเฉียบพลัน โดยส่วนใหญ่มักส่งผลกระทบต่อไขสันหลัง แต่เส้นประสาทตาอาจแสดงอาการเสื่อมของปลอกไมอีลินการสูญเสียแอกซอนและภาวะกลิโอซิสได้ เช่นกัน

ข้อจำกัดทางกฎหมาย

การค้าระหว่างประเทศของกรดซัลฟิวริกอยู่ภายใต้การควบคุมของอนุสัญญาสหประชาชาติว่าด้วยการต่อต้านการค้ายาเสพติดและสารออกฤทธิ์ต่อจิตประสาทที่ผิดกฎหมาย พ.ศ. 2531ซึ่งระบุกรดซัลฟิวริกไว้ในตารางที่ 2 ของอนุสัญญาว่าเป็นสารเคมีที่ใช้บ่อยในการผลิตยาเสพติดหรือสารออกฤทธิ์ต่อจิตประสาทที่ผิดกฎหมาย^{[ 61 ]}

ดูเพิ่มเติม

อควา เรเจีย
ไดเอทิลอีเทอร์ —หรือที่รู้จักกันในชื่อ "น้ำมันกำมะถันหวาน"
สารละลายปิรันย่า
กรดออกโซซัลเฟอร์
พิษจากกรดซัลฟิวริก

ลิงก์ภายนอก

บัตรข้อมูลความปลอดภัยทางเคมีระหว่างประเทศ 0362
กรดซัลฟิวริกในตารางธาตุในรูปแบบวิดีโอ (มหาวิทยาลัยนอตติงแฮม)
คู่มือพกพา NIOSH เกี่ยวกับอันตรายจากสารเคมี
ศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค (CDC) – กรดซัลฟิวริก – หัวข้อความปลอดภัยและสุขภาพในที่ทำงานของ NIOSH
เครื่องคำนวณ: แรงตึงผิว ความหนาแน่นความเข้มข้นโมลาร์ และความเข้มข้นโมลัลของกรดซัลฟิวริกในสารละลาย

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[

[

[

[ 10 ]

[ 11 ]

12

[

[

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[

[ 19 ]

[ 20 ]

[

[

[

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[ 29 ]

[ 30 ]

[

[ 32 ]

[ 33 ]

[ 34 ]

[ 35 ]

[ 36 ]

[ 37 ]

[ 38 ]

[ 39 ]

[ 40 ]

[ 41 ]

[ 42 ]

[ 44 ]

[ 45 ]

[ 46 ]

[ 47 ]

[ 48 ]

[ 49 ]

[ 50 ]

51 ] หนึ่ง

[ 52 ]

[ 53 ]

[

[ 55 ]

[ 56 ]

[ 57 ]

]ดังนั้นปฏิกิริยา

[ 59 ]

[ 60 ]

[ 61 ]

เศษส่วน H₂SO₄	ความหนาแน่น( กก. / ลิตร )	ความเข้มข้น( โมล / ลิตร )	ชื่อสามัญ
<29%	1.00–1.25	<4.2	กรดซัลฟิวริกเจือจาง
29–32%	1.25–1.28	4.2–5.0	กรดแบตเตอรี่(ใช้ในแบตเตอรี่ตะกั่วกรด )
62–70%	1.52–1.60	9.6–11.5	กรดในห้อง ปุ๋ยกรด
78–80%	1.70–1.73	13.5–14.0	กรดหอคอย กรดโกลเวอร์
93.2%	1.83	17.4	กรด 66 °Bé ("66 องศา Baumé")
98.3%	1.84	18.4	กรดซัลฟิวริกเข้มข้น
100%	1.84	18.8	กรดซัลฟิวริกบริสุทธิ์ กรดซัลฟิวริกปราศจากน้ำ กรดซัลฟิวริก 100%

กรดซัลฟิวริก

คุณสมบัติทางกายภาพ

เกรดของกรดซัลฟิวริก

กรดซัลฟิวริก

ขั้วและค่าการนำไฟฟ้า

คุณสมบัติทางเคมี

ความเป็นกรด

ภาวะขาดน้ำ

ปฏิกิริยากับเกลือ

ปฏิกิริยากับโลหะ

ปฏิกิริยากับคาร์บอนและกำมะถัน

การแทนที่อะโรมาติกแบบอิเล็กโทรฟิลิก

วัฏจักรซัลเฟอร์-ไอโอดีน

การเกิดขึ้น

ละอองลอยในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์

กรดซัลฟิวริกจากนอกโลก

การผลิต

กระบวนการติดต่อ

กระบวนการกรดซัลฟิวริกแบบเปียก

วิธีการอื่นๆ

การใช้งาน

การผลิตสารเคมีในระดับอุตสาหกรรม

สารทำความสะอาดอุตสาหกรรม

ตัวเร่งปฏิกิริยา

อิเล็กโทรไลต์

ใช้ในครัวเรือน

ประวัติศาสตร์

กรดกำมะถัน

ญะบิร บิน ฮัยยัน, อบู บักร อัล-ราซี, อิบนุ ซินา และคณะ

วินเซนต์แห่งโบเวส์, อัลแบร์ตุส แมกนัส และเกเบอร์เทียม

การผลิตกรดซัลฟิวริกจากกำมะถัน

กระบวนการห้องตะกั่ว

การกลั่นไพไรต์

กระบวนการติดต่อ

ความปลอดภัย

อันตรายในห้องปฏิบัติการ

อันตรายจากการเจือจาง

อันตรายจากอุตสาหกรรม

ข้อจำกัดทางกฎหมาย

ดูเพิ่มเติม

ลิงก์ภายนอก

ข้อมูลสำคัญจากบทความ