Kyselina sírová

Šablona:Infobox - chemická sloučenina Kyselina sírová (zastarale též vitriol) je silná dvojsytná kyselina. Je jednou z nejdůležitějších průmyslově ve velkém množství vyráběných chemikálií. Její sumární vzorec je H₂SO₄ značí, že se skládá ze dvou atomů vodíku, jednoho atomu síry a čtyř atomů kyslíku. Soli od kyseliny sírové jsou sírany.

Příprava a výroba

Oleum s obsahem cca 20 % oxidu sírového – nad hladinou je vidět aerosol („dým“) vzniklý reakcí SO₃ s vodní parou na H₂SO₄

Výroba kyseliny sírové probíhá třístupňově, přičemž prvním krokem je příprava oxidu siřičitého, který se obvykle získává buď přímým spalováním síry,

$\mathrm{S}(\mathrm{s})+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})⟶\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})$

nebo pražením pyritu či markazitu

$4\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+11\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})⟶8\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})+2\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{s})$

nebo pražením sulfidu železnatého či jiných sulfidů

$4\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}+7\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})⟶4\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})+2\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{s})$

Druhým krokem je oxidace oxidu siřičitého na oxid sírový. Při této reakci se jako katalyzátoru používá oxidu vanadičného V₂O₅

$2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})\stackrel{\mathrm{V}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_5}{\to }2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{g})$ (tzv. kontaktní způsob)

$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})⟶\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{g})+\mathrm{N}\mathrm{O}(\mathrm{g})$ (tzv. komorový způsob)

Nakonec reakcí oxidu sírového s vodou vzniká kyselina sírová

$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{g})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})$

V průmyslu je voda nahrazena koncentrovanou kyselinou sírovou (96–98%), přičemž jako mezistupeň vzniká kyselina disírová, což je vlastně jen hemihydrát oxidu sírového 2 SO₃·H₂O

$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{g})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7(\mathrm{a}\mathrm{q})$

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Dalším rozpouštěním oxidu sírového v kyselině sírové vzniká kyselina disírová a následně tzv. oleum, jehož ředěním se získává kyselina sírová požadované koncentrace.

$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7$

$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}_{10}$

Vlastnosti

Účinky 98% kyseliny sírové na papír

Kyselina sírová je v koncentrovaném stavu hustá olejnatá kapalina, neomezeně mísitelná s vodou. Ředění této kyseliny je silně exotermní proces. Koncentrovaná (96–98%) má silné dehydratační a oxidační účinky (zvlášť za horka). Je hygroskopická, tj. pohlcuje vodní páry. Je velmi nebezpečnou žíravinou, způsobuje dehydrataci (zuhelnatění) organických látek. Zředěná kyselina oxidační schopnosti nemá a reaguje s neušlechtilými kovy za vzniku vodíku a síranů. Kyselina sírová je velmi reaktivní, reaguje téměř se všemi kovy kromě železa (v koncentrovaném stavu jej pasivuje), olova, zlata, platiny a wolframu, 20% vodný roztok nereaguje s mědí.

Roztok oxidu sírového v kyselině sírové se nazývá oleum. Kyselina sírová tvoří dva typy solí – sírany a hydrogensírany. Některé její soli tvoří hydráty.

Chemické reakce

Neušlechtilé kovy se v kyselině sírové rozpouštějí za vývoje vodíku a vzniku příslušných síranů, např.

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{s})⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Kyselina sírová reaguje se zinkem za vzniku vodíku a síranu zinečnatého

$3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})+2\mathrm{A}\mathrm{l}(\mathrm{s})⟶3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2(\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_3(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Kyselina sírová reaguje s hliníkem za vzniku vodíku a síranu hlinitého

Podobně většina oxidů kovů se v kyselině sírové rozpouští za vzniku solí:

$\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Oxid měďnatý reaguje s kyselinou sírovou za vzniku vody a síranu měďnatého

Reakcí s amoniakem nebo jeho vodným roztokem (čpavkem) vzniká síran amonný:

$2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3(\mathrm{g})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})$

resp.

$2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$

Průmyslově významnou je reakce s fosforečnanem vápenatým, jejímž produktem je směs síranu vápenatého, hydrogenfosforečnanu vápenatého, dihydrogenfosforečnanu vápenatého a volné kyseliny fosforečné známá jako fosforečné hnojivo superfosfát:

$\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{A}}_3(\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶2\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{s})$

$\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{A}}_3(\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶\mathrm{C}\mathrm{a}(\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2(\mathrm{a}\mathrm{q})+2\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{s})$

$\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{A}}_3(\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{a}\mathrm{q})+3\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{s})$

Touto reakcí se původně téměř nerozpustný fosforečnan vápenatý přemění na směs rozpustnějších kyselých fosforečnanů a dobře rozpustné kyseliny fosforečné, což urychluje využití fosforu rostlinami.

Krystalová struktura

Když se smíchá 98% (ω) kyselina sírová ve správném poměru s 65% oleem, tak se získá 100% kyselina sírová, ze které byly po krystalizaci při teplotě 6–9 °C získány krystaly, z nichž byla rentgenovou strukturní analýzou stanovena její krystalová struktura.

Krystalová struktura kyseliny sírové s vazebnými délkami v ångströmech

Vodíkové vazby v  "crystal packingu" struktury kyseliny sírové s délkami v ångströmech

Využití

Využití kyseliny sírové je velmi široké. Kyselina sírová se používá zejména

• při výrobě průmyslových hnojiv
• při výrobě chemikálií
• při výrobě plastů
• při výrobě léčiv
• při výrobě barviv
• při výrobě výbušnin
• v papírenském průmyslu
• v textilním průmyslu
• při výrobě syntetických vláken
• při zpracování rud
• při zpracování ropy
• jako elektrolyt do olověných akumulátorů
• při sušení a odvodňování látek
• při úpravě pH vody
• v domácnostech jako čistič odpadů

Kvůli omezení dostupnosti prekurzorů výbušnin nemůže veřejnost v EU držet ani kupovat přípravky s obsahem kyseliny sírové více než 15% hmotnosti

Historie výroby

Kyselina sírová byla dlouhou dobu známá pod zastaralým názvem „vitriolový olej“. První stopy o jejím získávání jsou v textech alchymisty Abú Músa Džábir ibn Hajjána z 8. století. O možných výrobních postupech se pak zmiňují i ​​alchymistické spisy Alberta Velikého (1200–1280) a Basila Valentina (kolem roku 1600). Tyto procesy popisují, jak lze vitriolový olej získat z přirozeně se vyskytujících síranů – jako je chalkantit nebo kamenec. Název vitriolový olej je odvozen od zastaralého názvu vitriol (latinsky Vitriolum) – obecného názvu pro krystalické sírany (soli kyseliny sírové) dvojmocných kovů s obsahem vody. Prvním zdrojem velkého množství kyseliny sírové byl síran železnatý. Od 16. století se kyselina sírová vyráběla v Čechách, Sasku a v pohoří Harz rozkladem síranů za vysokých teplot a reakcí vzniklého oxidu s vodou.

První vědecké pokusy s kyselinou sírovou prováděl Johann Rudolf Glauber. Nechal kyselinu působit na kuchyňskou sůl a tím získal kyselinu chlorovodíkovou a Glauberovu sůl, síran sodný, který byl po něm pojmenován.

Odkazy

Literatura

• Šablona:Citace monografie

Externí odkazy

• Šablona:Commonscat
• Šablona:Wikislovník
• Sulfuric acid – UNEP publication (vliv na prostředí, toxikologie, angl.)