חומצה גופרתית: תרכובת

ערך זה עוסק בחומצה גופרתית (H₂SO₄). אם התכוונתם לחומצה גופריתית (H₂SO₃), ראו חומצה גופריתית.

נוסחתה: H₂SO₄. החומצה הגופרתית היא מחמצן חזק מאוד ולכן היא אחד החומרים הנפוצים ובעלי השימושים הרבים ביותר בתעשייה הכימית.

חומצה גופרתית

שם סיסטמטי	חומצה גופרתית
שמות נוספים	מספר או"ם 1830
כתיב כימי	H₂SO₄
מסה מולרית	98.07844 גרם/מול
מראה	שקוף-חסר צבע, חסר ריח.
מספר CAS	7664-93-9
צפיפות	1.84 גרם/סמ"ק
מצב צבירה	נוזל
מסיסות	מסיס לגמרי במים (בתהליך אקסותרמי)
טמפרטורת היתוך	10 °C 283.15 K
טמפרטורת רתיחה	290 °C 563.15 K
מקדם שבירה	1.397
חומציות	pKa1=-3, pKa2=1.92 ‏pKa
NFPA 704	0 W OX 3 2
הערה כללית	אנתלפיית התהוות סטנדרטית : 814- קילוג'אול למול אנטרופיה מולרית: 157 ג'אול למול למעלה

המבנה המרחבי של החומצה הוא טטרהדרלי. קשרי מימן בין-מולקולריים מקנים לה טמפרטורת רתיחה גבוהה (ומכאן שניתן לעבוד איתה בטמפרטורות גבוהות) וכן מסיסות טובה במים.

החומצה הגופרתית היא מחמצן פעיל מאוד, במיוחד בטמפרטורה גבוהה. כיוון שהיא מהווה חומצה חזקה, היא מסוגלת לגרום פרוטונציה למלחים של חומצות חלשות יותר: ${\displaystyle \ H_{2}SO_{4}+KNO_{3}\rightarrow KHSO_{4}+HNO_{3}}$ 

בתגובה עם בסיסים ומתכות הנמצאות שמאלה מהמימן בשורת המתחים, החומצה הגופרתית יוצרת את הסולפט (או ההידרוסולפט) המתאים:
${\displaystyle \ 2NaOH+H_{2}SO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+2H_{2}O}$ 
, ${\displaystyle \ Cu+2H_{2}SO_{4}\rightarrow CuSO_{4}+SO_{2}+2H_{2}O}$ 
. תגובות אלו מתרחשות בתמיסה מרוכזת וחמה.

כל הבסיסים במים הם גם בסיסים בחומצה גופרתית. קיימות חומצות אחרות שתתנהגנה כבסיס בהוספתן לחומצה גופרתית. דוגמה לכך הן החומצה האצטית (CH₃COOH) והחומצה החנקתית (HNO₃). כך למשל תגיב חומצה חנקתית כבסיס
${\displaystyle HNO_{3}+2H_{2}SO_{4}\rightarrow 2HSO_{4}^{-}+NO_{2}^{+}+H_{3}O^{+}}$ . אמידים ומים למשל יתנהגו כבסיס בעת הוספתם לחומצה זו. אולם ה-super acid (סופר חומצה) fluorosulfuric acid) FSO₃H) תגרום לכך שחומצה גופרתית תתנהג כבסיס ותקבל פרוטון (⁺H).

בסביבה מימית, התפרקות החומצה תהיה מלווה בפליטת חום לסביבה (תגובה אקסותרמית). החומצה הגופרתית היא חומצה דו-פרוטית חזקה, כלומר בתגובה עם בסיס היא עוברת פירוק מלא, שמתרחש בשני שלבים. בשלב הראשון תתרחש סתירה חלקית (פרוטון ראשון, H+) יון ההידרוקסיד המקבל מהבסיס נקשר עם הפרוטון הנמסר מהחומצה ליצירת מולקולת מים ראשונה, נקודה B, עם המשך התגובה מתקבלת סתירה מלאה, יון הידרוקסיד נוסף נקשר לפרוטון השני של החומצה ליצירת מולקולת מים שנייה.

החומצה הגופרתית מגיבה עם מים בתגובה אקסותרמית אלימה מאוד, שבה מופק חום רב. מסיבה זו לעולם אין לשפוך מים לתוך חומצה גופרתית, אלא רק חומצה גופרתית למים. מסיבה זו גם חומצה גופרתית משמשת לעיתים בתהליכי ייבוש, כגון בתהליכי הכנת פירות יבשים. ביטוי אחר לזיקה (affinity) של החומצה הגופרתית לאטומי מימן וחמצן, שאותם היא "קורעת" מתוך מולקולות, היא תגובתה עם עמילן, שבמהלכה הוא מתפרק כליל לפחמן ולמים.

מכיוון שהמקדם הדיאלקטרי היחסי (ε=110) של החומצה הוא גבוה משל מים, היא מהווה ממס טוב לחומרים יוניים. החומצה הגופרתית עוברת יינון עצמי חזק: ${\displaystyle 2H_{2}SO_{4}\Leftrightarrow H_{3}SO_{4}^{+}+HSO_{4}^{-};Ion\quad product\quad constant\quad (K)=2.7\times 10^{-4}M^{2}}$ 

חומצה גופרתית מייצרים מגופרית, מחמצן וממים, בתהליך של חיבור בשלבים הנקרא contact process. התהליך פותח בשנת 1831 על ידי יצרן חומץ בריטי בשם Peregrine Phillips או בתהליך דסולפוריזציה (הסרת גופרית) הנקרא Wet sulfuric acid process.

חיבור בשלבים

שלב 1: קבלת גז SO₂

ראשיתו של תהליך זה בשריפת הגופרית וקבלת גופרית דו-חמצנית SO₂ בתגובה ${\displaystyle S_{(s)}+O_{2(g)}\rightarrow SO_{2(g)}}$ ,

את גז הגופרית הדו-חמצנית יש לנקות מאדי מים, אבק ותחמוצת ארסן כדי למנוע תגובות לא רצויות עם הזרז (תחמוצת ונדיום) בשלב הבא. כדי להיפטר מאבק מזרימים את הגז החם במגדל עם קיטור (dusting tower). השלב הבא בניקוי הוא העברת הגז לאחר קירור ב"מגדל שטיפה" שם מרססים אותו בטיפות מים כדי להרחיק חומרים מסיסים. ייבוש הגז מבוצע במגדל בו מרססים את הגז שהתקרר בחומצה גופרתית הסופחת את אדי המים. לבסוף מורחקת תחמוצת הארסן על ידי ספיחה לברזל הידרוקסיד Fe(OH)_3.

שלב 2: חמצון SO₂ ל SO₃

את הגופרית הדו-חמצנית מחמצנים לגופרית תלת-חמצנית SO₃ בנוכחות הזרז דו-ונדיום חמש-חמצני V₂O_5. הוונדיום בדרגת חמצון 5+ מחמצן את הגופרית בתגובה ${\displaystyle 4V^{+5}+2SO_{2}+2O^{2-}\longrightarrow 2SO_{3}+4V^{4+}}$ 

חמצן אטמוספירי מחמצן את הוונדיום חזרה לדרגת חמצון 5+;

${\displaystyle 4V^{+4}+O_{2}\longrightarrow 4V^{5+}+2O^{2-}}$ 

כך שהתגובה הכוללת בשלב זה:

${\displaystyle 2SO_{2}+O_{2}\rightleftarrows 2SO_{3}}$ .

זוהי תגובה אקסותרמית בשיווי משקל כך שהתגובה נוטה לכיוון המגיבים ככל שעולה הטמפרטורה בהתאם לעקרון לה שטלייה. עם זאת כדי שיתרחש הזירוז באמצעות תחמוצת הוונדיום על הטמפרטורה להיות לפחות 400°C.

התהליך מבוצע במגדל בו עובר הגז דרך כמה שכבות זרז. כדי להשיג יעילות גבוהה (מעל לריכוז התוצר בשיווי משקל) מזרימים את הגז היוצא מהמגדל שהוא תערובת של התוצר SO₃ עם SO₂ דרך מגדל נוסף בו מטפטפים חומצה גופרתית המגיבה עם SO₃ כך שהגז היוצא מהמגדל הוא בעיקר SO₂ המוזרם שוב למגדל התגובה. בשיטה זו מושגת יעילות של עד 99.8% בהפיכת SO₂ ל SO₃.

שלב 3: תגובה עם מים לקבלת חומצה גופרתית

בעיקרון את הגופרית התלת-חמצנית SO₃ ניתן להמס במים, וכך לקבל את החומצה בתגובה ${\displaystyle SO_{3(g)}+H_{2}O_{(l)}\rightarrow H_{2}SO_{4}}$  אבל המסה ישירה זו של SO₃ במים אינה מעשית בשל האקסותרמיות הגבוהה של התגובה, שגורמת להיווצרות אדי חומצה במקום נוזל. במקום המסה ישירה, סופחים SO₃ על H₂SO₄ על ידי העברת גז חם דרך החומצה ומתקבל H₂S₂O₇ (חומר הנקרא oleum) ${\displaystyle H_{2}SO_{4(l)}+SO_{3(g)}\longrightarrow H_{2}S_{2}O_{7(l)}}$ , שאותו מגיבים עם מים לקבלת התוצר הסופי ${\displaystyle H_{2}S_{2}O_{7(l)}+H_{2}O_{(l)}\longrightarrow 2H_{2}SO_{4(l)}}$ .

הסרת גופרית

שלב 1: קבלת גז SO₂

ראשיתו של תהליך זה בשריפת הגופרית וקבלת גופרית דו-חמצנית SO₂ בתגובה ${\displaystyle S_{(s)}+O_{2(g)}\rightarrow SO_{2(g)}}$  (297- קילוג'ול למול)

או, לחלופין, שריפת מימן גופרי וקבלת גופרית דו-חמצנית בתגובה ${\displaystyle 2H_{2}S_{(g)}+3O_{2(g)}\rightarrow 2H_{2}O_{(l)}+2SO_{2(g)}}$  (1036- קילוג'ול למול)

שלב 2: חמצון SO₂ ל SO₃

את הגופרית הדו-חמצנית מחמצנים לגופרית תלת-חמצנית SO₃ בנוכחות הזרז דו-ונדיום חמש-חמצני V₂O_5. הוונדיום בדרגת חמצון 5+ מחמצן את הגופרית בתגובה ${\displaystyle 4V^{+5}+2SO_{2}+2O^{2-}\longrightarrow 2SO_{3}+4V^{4+}}$  (198- קילוג'ול למול)

ומוסיפים מים לקבלת חומצה גופרתית בתגובה ${\displaystyle 2SO_{3(g)}+2H_{2}O_{(l)}\longrightarrow H_{2}SO_{4(g)}}$  (101- קילוג'ול למול)

שלב 2: זיקוק H₂SO₄ לנוזל בריכוז 97-98%

${\displaystyle H_{2}SO_{4(g)}\longrightarrow H_{2}SO_{4(l)}}$  (69- קילוג'ול למול)

שיטות נוספות

שיטה פחות ידועה היא שיטת הדיסולפט ובה דיסולפט מונח בתחתית הכוס ומתווספת חומצה הידרוכלורית, הגז שנוצר מועבר דרך חומצה חנקתית שתשחרר אדי חנקן דו-חמצני בתגובה ${\displaystyle 2SO_{2}+2HNO_{3}+2H_{2}O\rightarrow H_{2}SO_{4}+2NO}$ 

שריפת גופרית עם אשלגן חנקתי בנוכחות אדי מים הייתה בשימוש לאורך ההיסטוריה, האשלגן החנקתי מחמצן את הגופרית לגופרית תלת-חמצנית שמגיבה עם המים ליצירת חומצה גופרתית.

ניתן להמס גופרית דו-חמצנית בתמיסה מימית של מלח מתכת מחמצן כמו נחושת דו-כלורית או ברזל תלת כלורי בתגובות

${\displaystyle 2FeCl_{3}+2H_{2}O+SO_{2}\rightarrow 2FeCl_{2}+H_{2}SO_{4}+2HCl}$ 

${\displaystyle 2CuCl_{2}+2H_{2}O+SO_{2}\rightarrow 2CuCl+H_{2}SO_{4}+2HCl}$ 

ניתן גם להפיק את החומצה בדרכים פחות מוכרות באמצעות אלקטרוליזה של תמיסה מימית של נחושת גופרתית, או באמצעות מימן ברומי (בתהליך מסוכן ויקר מאוד).

עקב היותה חומר פעיל מאוד, לחומצה הגופרתית שימושים רבים. להלן העיקריים שבהם:

• החומצה משמשת לעיתים כזרז, כגון בתהליכי ניטרציה וייצור ניילון. כמו כן חומצה גופרתית עם סיליקה משמשת כזרז בהמרה אורגנית.
• החומצה היא האלקטרוליט בסוללת עופרת-חומצה, המשמשת כמצבר במכוניות מודרניות.
• מחומצה גופרתית ומחנקות (בעיקר אשלגן חנקתי) מפיקים חומצה חנקתית על פי התגובה הבאה: ${\displaystyle \ KNO_{3}+H_{2}SO_{4}\rightarrow KHSO_{4}+HNO_{3}}$ ; כמו כן, מחומצה גופרתית וממלח בישול מפיקים חומצת מלח: ${\displaystyle \ H_{2}SO_{4}+2NaCl\rightarrow 2HCl+Na_{2}SO_{4}}$ 

בנוסף, בחומצה גופרתית משתמשים בייצור דשנים מסוימים, כגון דשני זרחן ודשני אמוניה; בתהליכי זיקוק נפט ועיבוד עורות; בייצור סיבים כימיים, צבעים וחומרי נפץ.

בשל היותה מחמצן חזק, החומצה הגופרתית היא חומצה מסוכנת, משום שהיא מפרקת את כל התרכובות האורגניות. למשל, ערבוב חומצה גופרתית מרוכזת עם החד-סוכר גלוקוז, יגרום לכך שהגלוקוז יתפרק למים ולפחמן. במגע עם גוף חי החומצה הורסת את רקמותיו.

במגע עם העור גורמת החומצה לכוויות חמורות יותר משאר החומצות החזקות (כגון החומצה החנקתית וחומצת המלח), בשל הנזק השניוני שנגרם מהחום שנוצר כשהחומצה מגיבה עם המים שברקמה. מסיבה זו יש לסלק את החומצה מהעור קודם לשטיפת המקום הפגוע במים במשך כ-10 עד 15 דקות.

אדי החומצה מזיקים גם הם, והם פוגעים בעיניים, בדרכי הנשימה וברקמות הריריות של הגוף. חשיפה חוזרת ונשנית לאדים של חומצה גופרתית עלולה לגרום לשחיקת השיניים.

• סולפט – הבסיס המצומד, או המלח, של חומצה גופרתית

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: חמצה גפרתית
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: חומצה גופרתית

• גיליון בטיחות חומרים של חומצה גופרתית (באנגלית)
•   סרטון המתאר את תהליך הייצור של חומצה גופרתית, סרטון באתר יוטיוב
• חומצה גופרתית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
•   חומצה גופריתנית, דף שער בספרייה הלאומית