حمض الكبريتيك

حمض الكبريتيك
حمض الكبريتيك	حمض الكبريتيك
الاسم النظامي (IUPAC)
حمض الكبريتيك
أسماء أخرى
حمض الكبريت زيت الزاج
المعرفات
رقم CAS	7664-93-9
بوب كيم	1118،  و22066174،  و5152822
مواصفات الإدخال النصي المبسط للجزيئات OS(O)(=O)=O
المعرف الكيميائي الدولي InChI=1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)  InChIKey:QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N
الخواص
الصيغة الجزيئية	H2SO4
الكتلة المولية	98.08 غ/مول
المظهر	سائل عديم اللون
الكثافة	1.84 غ/سم3
نقطة الانصهار	10.38 °س
نقطة الغليان	279.6 °س
الذوبانية في الماء	يمتزج مع الماء بكافة النسب
حموضة (pKa)	−3
المخاطر
ترميز المخاطر	C
توصيف المخاطر	R35
تحذيرات وقائية	S1/2-S26-S30-S45
في حال عدم ورود غير ذلك فإن البيانات الواردة أعلاه معطاة بالحالة القياسية (عند 25 °س و 100 كيلوباسكال)

حمض الكبريتيك أو حمض الكبريت أو زيت الزاج أو الحمض الكبريتي أو حمض السلفوريك صيغته الكيميائية H₂SO₄ هو حمض معدني قوي، يذوب في الماء بجميع التراكيز، وهو من أوائل الأحماض التي عرفت في التاريخ القديم. حيث عرفه العرب منذ القرن الثامن الميلادي، وعرفته أوروبا في القرنين الرابع والخامس عشر. وأطلق عليه اسم زيت الزاج من قبل الكيميائي العربي جابر بن حيان، الذي حضره وينسب إليه في اكتشافه بالقرن الثامن الميلادي.

يعد تفاعل السلفنة أشهر التفاعلات التي تتم معه.

الخواص الفيزيائية

أشكال حمض الكبريتيك

التركيب مع توضيح أزواج الإلكترونات الحرة.

بالرغم من إمكانية تحضير حمض الكبريتيك بتركيز 100% إلا أنه يفقد SO₃ عند درجة الغليان ويعطي حمض تركيزه 98.3% ينحل في الماء ناشرا كمية كبيرة من الحرارة، ونتيجة لذلك ينصح بالحذر عند تمديد الحمض، وذلك بصب الحمض فوق الماء وليس العكس لأنه شره جدا للماء لهذا يستعمل في تجفيف الغازات الرطبة كما يخرب المواد العضوية والخلايا الحية لسحبه الماء منها.

أطلق جابر بن حيان على هذا الحمض قديماً زيت الزاج (Oil of Vitroil) بسبب تحضيره من تسخين وتقطير الزاج الأخضر (كبريتات الحديدوز المائية)، والكبريتات الأخرى المشابهة له. وحمض الكبريتيك هو سائل عديم اللون. أما حمض الكبريت المركز فهو يعتبر موصل للتيار الكهربائي.

الخواص الكيميائية

احتراق وتفحم القماش نتيجة ملامسته لحمض الكبريتيك

تختلف الخواص الكيميائية لحمض الكبريت حسب التركيز. فحمض الكبريت الممدد يتفاعل مباشرة مع المعادن الواقعة قبل الهيدروجين في (السلسلة الكهروكيميائية) معطيا كبريتات المعدن ومحررا الهيدروجين أما المعادن التي تقع بعد الهيدروجين مثل النحاس والفضة فلا يتفاعل معها إلا بوجود مؤكسد قوي مثل حمض الآزوت ولا يتفاعل أبدا مع الذهب والبلاتين. أما حمض الكبريت المركز فيتفاعل مع جميع المعادن الواقعة قبل وبعد الهيدروجين في الجدول الدوري معطيا كبريتات المعدن وثنائي أكسيد الكبريت والماء. كما يتفاعل أيضا مع اللامعادن معطيا ثنائي أكسيد الكبريت وأكسيد اللامعدن والماء. يعود السبب في ذلك أن حمض الكبريت المركز والساخن له خواص مؤكسدة حيث يتلقى الإلكترونات من العنصر المختزل (المرجع) في تفاعل أكسدة-إرجاع على الشكل:

2H₂SO₄ + 2e⁻ → SO₄²⁻ + 2 H₂ O + SO₂

التأين

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-

التفاعل مع القواعد والقلويات

H₂SO₄ +2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

H₂SO₄ + NaOH → NaHSO4 + H₂O

التفاعل مع الأملاح

H₂SO₄ +2NaCl → Na₂SO₄ + 2HCl

H₂SO₄ +2NaNO₃ → Na₂SO₄ + 2HNO₃

H₂SO₄ + CaF₂ → 2 HF + CaSO₄

H₂SO₄ + 2 NaI → 2 HI + Na₂SO₄

كعامل مؤكسد

Cu + 2 H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2 H₂O

ويؤكسد الحمض أيضاً كثيراً من اللافلزات كالكربون والكبريت.

C + 2H₂SO₄ → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

S + 2H₂SO₄ → 3SO₂ + 2H₂O

التفاعل مع المركبات العضوية العطرية

يتفاعل حمض الكبريتيك المركز مع الكثير من المركبات العضوية العطرية حيث تستبدل ذرة من ذرات الهيدروجين بها بمجموعة حمض السلفونيك، ولهذا التفاعل أهمية كبيرة في تحضير الكثير من المركبات كالفينول والسكارين، فيتفاعل مثلاً مع البنزين مكوناً حمض البنزين سلفونيك.

الإنتاج والتصنيع

ازداد الإنتاج العالمي من حمض الكبريتيك بشكل مطرد منذ بداية القرن الحادي والعشرين، وخاصة في الصين، في حين أن إنتاجه تراجع في بعض الدول الأوروبية التي كانت سابقاً رائدة في إنتاجه، مثل ألمانيا وإنجلترا. لتصنيع وإنتاج حمض الكبريتيك أهمية اقتصادية كبيرة، وخاصة في حال الاستفادة من الحرارة المنتشرة في خطوات التصنيع، والتي يمكن استغلالها في توليد البخار وإنتاج الكهرباء والصناعات الكيميائية.

يحضر حمض الكبرتيك صناعياً بأسلوبين حالياً، إما وفق عملية التلامس أو العملية الرطبة؛ أما تاريخياً فقد كان يحضر في السابق وفق عملية غرف الرصاص. يعد عنصر الكبريت المادة الأولية الخام الأساسية في إنتاج وتصنيع حمض الكبريتيك، وذلك إلى جانب الأكسجين والماء. يستحصل على الكبريت بشكل أساسي من عملية نزع الكبريت المهدرج من الغاز الطبيعي أو النفط الخام والمعالجات الصناعية اللاحقة وفق عملية كلاوس؛ أو بشكل ثانوي من عملية فراش.

عملية التلامس

طورت هذه العملية في سنة 1831، ويمكن من خلالها إنتاج حمض الكبريتيك بتراكيز مرتفعة وبتكلفة قليلة نسبياً وبكميات كبيرة تلبي احتياجات وطلب السوق. تعتمد العملية على أكسدة الكبريت باستخدام حفاز من أكسيد الفاناديوم الخماسي V₂O₅. في الخطوة الأولى يحرق الكبريت بوجود كمية وفيرة من الأكسجين من أجل الحصول على ثنائي أكسيد الكبريت SO₂:

${\ce {S(s) + O2 -> SO2}}$

بأسلوب آخر يمكن استحصال غاز SO₂ من عمليات تعدين الخامات الكبريتيدية لعدد من الفلزات، مثل الزنك أو النحاس أو الرصاص:

${\ce {2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2}}$

أما بالنسبة للدول الفقيرة بالخامات فيمكن اللجوء إلى عملية اختزال الجص (الجبس) باستخدام فحم الكوك في فرن دوّار.

آلية تحفيز تفاعل الأكسدة إلى ثلاثي أكسيد الكبريت

بعد الحصول على غاز ثنائي أكسيد الكبريت تمر الحطوة التالية بعملية أكسدة إلى ثلاثي أكسيد الكبريت SO₃. لا يمكن الوصول إلى ثلاثي أكسيد الكبريت من التفاعل المباشر بين عنصري الكبريت والأكسجين؛ كما أن تفاعل الأكسدة من ثنائي أكسيد الكبريت إلى ثلاثي أكسيد الكبريت هو تفاعل عكوس، ويرافق العملية انتشار للحرارة، إذ أن العملية طاردة للحرارة. بالتالي يجب وفق مبدأ انزياح التوازن تخفيض درجة الحرارة، كي ينزاح التوازن جهة ثلاثي الأكسيد، وذلك أمر غير محبذ صناعياً، إذ تكون حركية التفاعل بطيئة. لذلك تجرى عملية الأكسدة اللاحقة بوجود حفّاز من أكسيد الفاناديوم الخماسي (أو خماسي أكسيد الفاناديوم):

${\ce {2 SO2 + O2 <=> 2 SO3}}$

يقوم أكسيد الفاناديوم الخماسي بدور مهم في عملية نقل الأكسجين بتشكيله معقداً تناسقياً؛ وتجرى تفاعلات الأكسدة بوجود الحفاز عند درجات حرارة تتراوح بين 420-620 °س؛ ويعد ذلك المجال ملائماً، إذ عند درجات حرارة أخفض يكون الحفاز غير نشطاً، وعند درجات حرارة أعلى يتفكك.

في الخطوة اللاحقة يتخلص من المتبقي من ثنائي أكسيد الكبريت بالمعالجة مع الأمونيا أو ثيوكبريتات الصوديوم؛ ثم يحول غاز ثلاثي أكسيد الكبريت إلى الحمض. بما أن التفاعل بين ثلاثي أكسيد الكبريت والماء بطيء جداً، لذلك يعمد إلى تمرير غاز SO₃ على حمض كبريتيك ذي تركيز بين 97–98%، فتحدث عملية امتصاص، ويتشكل الأوليوم H₂S₂O₇ (أو حمض الكبريتيك المدخن أو حمض البيروكبريتيك):

${\ce {H2SO4 + SO3 -> H2S2O7}}$

والذي يمدد (يخفف) لاحقاً بالماء من أجل الحصول على حمض الكبريتيك المركز.

${\ce {H2S2O7 + H2O -> 2 H2SO4}}$

عملية حمض الكبريتيك الرطب

تجرى خطوات هذه العملية بشكل مقارب لعملية التلامس، وتتكون من أربعة مراحل رئيسية:

• تفاعل الاحتراق: ${\ce {2 H2S + 3 O2 -> 2 H2O + 2 SO2}}$
• تفاعل الأكسدة: ${\ce {2 SO2 + O2 <=> 2 SO3}}$
• تفاعل الإماهة: ${\ce {SO3 + H2O -> H2SO4(g)}}$
• التكثيف: ${\ce {H2SO4(g) -> H2SO4(l)}}$

عملية غرف الرصاص

تعتمد العملية على التفاعل بين الكبريت مع غاز ثنائي أكسيد النتروجين بوجود أكسجين الهواء؛ وكانت تجرى في غرف وحجرات كبيرة مصنوعة من الرصاص لمقاومته الكيميائية لتلك المزائج الحمضية.

${\ce {SO2 + H2O + NO2 -> H2SO4 + NO}}$

يتأكسد أحادي أكسيد النتروجين ليعطي ثنائي أكسيد النتروجين، والذي يعاد مرة أخرى لبرج التفاعل ليتفاعل مع الماء وثنائي أكسيد الكبريت للحصول على حمض الكبريتيك. كانت هذه العملية سائدة من أجل إنتاج حمض الكبريتيك قبل بداية القرن التاسع عشر.

التحضير المخبري

هناك عدة وسائل من أحل تحضير حمض الكبريتيك على نطاق مخبري صغير، منها:

• عملية الميتابيكبريتيت: هي عملية غير واسعة الانتشار في إنتاج حمض الكبريتيك على صعيد مخبري، إذ توضع أملاح ثنائي الكبريتيت (ميتابيكبريتيت أو ميتابيسلفيت) مع حمض الهيدروكلوريك المركز؛ ثم يفاعل غاز ثنائي أكسيد الكبريت الناتج مع حمض النتريك، ويرافق ذلك انطلاق أبخرة غاز ثنائي أكسيد اليتروجين، والذي يعد مؤشراً على سير التفاعل.
• من إحدى الطرق التاريخية القديمة للتحضير إجراء تفاعل احتراق الكبريت مع نترات البوتاسيوم بوجود البخار، مما يؤدي إلى الأكسدة إلى ثلاثي أكسيد الكبريت، والذي يتميه إلى حمض الكبريتيك في النهاية.
• من الأساليب الجديدة للتحضير، عملية البروم الكهربائية، التي تتضمن إجراء تحليل كهربائي لمزيج كهرلي من الكبريت والماء وحمض الهيدروبروميك باستخدام مهبط من النحاس ومصعد من البلاتين والغرافيت.

الاستخدامات

حمض الكبريتيك شديد الأهمية، لدرجة أنه يقاس تقدم الأمم بحجم إنتاجها لحمض الكبريتيك ويعطي مؤشراً جيداً. الاستخدام الرئيسي (60% من العالم كله) لحمض الكبريتيك يكون في «العملية الرطبة» لإنتاج حمض الفوسفوريك، الذي يستخدم في صناعة الأسمدة الفوسفاتية، وكذلك فوسفات ثلاثي الصوديوم المستخدم في صناعة المنظفات. لحمض الكبريتيك استخدامات عديدة فهو يدخل بشكل ما في معظم المواد المصنوعة تقريباً ويعتبر مستوى إنتاجه دليلاً على القدرة الصناعية لأي بلد وتعود وفرة استخدامه إلى رخصه وتنوع تأثيره الكيميائي.

يمكن تلخيص استخدامات حمض الكبريت كما يلي:

• كمادة مؤكسدة ونازعة للماء.
• إنتاج الاسمدة الكيمائية.
• صناعة الصابون والمطاط.
• إنتاج الأصباغ والكحولات والبلاستيك.
• صناعة الحديد والنحاس والمنظفات.
• صناعة بطاريات السيارة.

الجوانب البيئية

يعتبر حمض الكبريتيك من مكونات الأمطار الحمضية، حيث يتكون من أكسدة غاز الأكسجين الجوي لثاني أكسيد الكبريت في وجود الماء (أكسدة حمض الكبريتوز). إن ثاني أكسيد الكبريت هو الناتج الأساسي لعمليات حرق الكبريت أو أحد أنواع الوقود الحاوي على الكبريت مثل الفحم والزيت.

الأمطار الحمضية التي تنجم من حمض الكبريت تؤدي إلى تلف المحاصيل الزراعية أما بالنسبة للإنسان فإن الجرعة القاتلة من حمض الكبريت تبلغ من 4-5 سنتمتر مكعب وهي تؤدي إلى الوفاة بعد 12-48 ساعة من التعاطي بسبب الصدمة العصبية والدموية الناجمة عن الألم المحرق أو الجفاف نتيجة القيء المتكرر وقد يؤدي ذلك إلى التشوّه في جسم الإنسان.

المخاطر

مخاطر المختبر

قطرات من حمض الكبريتيك بنسبة 98% تحرق قطعة من المناديل الورقية على الفور.

تعرض قفاز النتريل لقطرات من حمض الكبريتيك بنسبة 98% لمدة 10 دقائق

حرق كيميائي سطحي ناجم عن رشتين من حمض الكبريتيك بنسبة 98% (جلد الساعد)

حمض الكبريتيك قادر على التسبب في حروق شديدة للغاية، خاصة عندما يكون بتركيزات عالية. كما هو الحال مع الأحماض والقلويات الأخرى المسببة للتآكل، فهو يتحلل بسهولة إلى البروتينات والدهون من خلال التحلل المائي للأميد والإستر عند ملامسته للأنسجة الحية، مثل الجلد واللحم. بالإضافة إلى ذلك، فهو يُظهر خاصية بلمهة قوية للكربوهيدرات، مما يؤدي إلى تحرير الحرارة الزائدة والتسبب في حروق ثانوية. ويمكن أن يسبب العمى الدائم إذا لامس العين.

وفي حالة تناوله، فإنه يلحق الضرر بالأعضاء الداخلية بشكل لا رجعة فيه وقد يكون مميتًا. لذلك ينبغي دائمًا استخدام معدات الوقاية عند التعامل معه، وإن الأكسدة القوية التي يتمتع بها تجعله شديد التآكل للعديد من الفلزات وقد يمتد التآكل إلى مواد أخرى. ولهذه الأسباب، من المحتمل أن يكون الضرر الناتج عن حمض الكبريتيك أكثر خطورة من الضرر الذي تسببه الأحماض القوية الأخرى المماثلة، مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك.

يجب تخزين حمض الكبريتيك بعناية في حاويات مصنوعة من مواد غير تفاعلية (مثل الزجاج).

الإسعافات الأولية لانسكابات الأحماض على الجلد تُعالج بسكب كميات كبيرة من الماء، كما هو الحال مع العوامل المسببة للتآكل الأخرى. يستمر الغسيل لمدة لا تقل عن عشر إلى خمس عشرة دقيقة لتبريد الأنسجة المحيطة بمكان الحرق الحمضي ولمنع حدوث أضرار ثانوية، تُنزع أو تُزال الملابس الملوثة على الفور ويُغسل الجلد تحتها جيدًا.

القيود القانونية

تخضع تجارة حمض الكبريتيك الدولية للرقابة بموجب اتفاقية الأمم المتحدة ضد الاتجار غير المشروع في المخدرات والمؤثرات العقلية لعام 1988، والتي تدرجه ضمن الجدول الثاني من الاتفاقية باعتباره مادة كيميائية تستخدم بشكل متكرر في التصنيع غير المشروع للمخدرات أو المؤثرات العقلية.

طالع أيضاً

• زاج
• حمض