Svovelsyre (H2SO4): Formel, egenskaper, struktur og bruk

Svovelsyre (H2SO4 ₎ er en flytende kjemisk forbindelse, oljeaktig og fargeløs, oppløselig i vann med varmefrigivelse og etsende for metaller og vev. Det sjarmerer tre og det meste av det organiske stoffet når det kommer i kontakt med det, men det er usannsynlig å forårsake brann.

Svovelsyre er kanskje den viktigste av alle tunge industrikjemikalier, og forbruket har blitt sitert mange ganger som en indikator på den generelle tilstanden til en lands økonomi.

Langvarig eksponering for lave konsentrasjoner eller kortvarig eksponering for høye konsentrasjoner kan medføre negative helseeffekter. Langt er den viktigste bruken av svovelsyre i fosfatgjødselindustrien.

Andre viktige bruksområder er petroleumsraffinering, pigmentproduksjon, stålbearbeiding, ikke-jernholdig metallutvinning og fremstilling av eksplosiver, vaskemidler, plast, kunstige fibre og legemidler.

Vitriolo, historien om svovelsyre

I middelalderens Europa var svovelsyre kjent som vitriol, vitriololje eller vitriol likeur av alkymister. Det ble ansett som den viktigste kjemikalien, og prøvde å bli brukt som en filosofs stein.

Sumererne hadde allerede en liste over flere typer vitriol. I tillegg foreslo Galen, den greske legen Dioscorides og Pliny den eldste medisinsk bruk.

I hellenistiske alkymiske arbeider nevnes allerede metallurgiske bruksområder av vitriólicas-stoffene. Vitriol er en gruppe av glassholdige mineraler hvorfra svovelsyre kan oppnås.

formel

-Formula : H2SO4

-Nummer Cas : 7664-93-9

Kjemisk struktur

I 2D

3D

funksjoner

Fysiske og kjemiske egenskaper

Svovelsyre tilhører den reaktive gruppen sterke oksiderende syrer.

Reaksjoner med luft og vann

- Reaksjonen med vann er ubetydelig med mindre surheten er over 80-90%, så er hydrolysens varme ekstrem, det kan forårsake alvorlige forbrenninger.

brennbar

- Sterke oksiderende syrer er generelt ikke-brennbare. De kan akselerere forbrenningen av andre materialer ved å gi oksygen til forbrenningsstedet.

- Svovelsyre er imidlertid svært reaktiv og i stand til å antennes finfordelt brennbare materialer når de kommer i kontakt med dem.

- Ved oppvarming, avgir svært giftige røyk.

- Det er eksplosivt eller uforenlig med et stort utvalg av stoffer.

- Det kan lide voldelige kjemiske endringer ved høye temperaturer og trykk.

- Det kan reagere voldsomt med vann.

reaktivitet

- Svovelsyre er sterkt sur.

- Reagerer voldsomt med brompentafluorid.

- Eksplodere med para-nitrotoluen ved 80 ° C.

- En eksplosjon oppstår når den konsentrerte svovelsyre blandes med krystallinsk kaliumpermanganat i en beholder som inneholder fuktighet. Manganheptoksid dannes, som eksploderer ved 70 ° C.

- Blandingen av akrylnitril med konsentrert svovelsyre bør holdes godt avkjølt, ellers vil en kraftig eksoterm reaksjon oppstå.

- Temperaturen og trykket økes ved å blande i en lukket beholder svovelsyre (96%) i like deler med et av følgende stoffer: acetonitril, akrolein, 2-aminoetanol, ammoniumhydroksyd (28%), anilin, n-butyraldehyd, klorsulfonsyre, etylendiamin, etylenimin, epiklorhydrin, etylencyanohydrin, saltsyre (36%), flussyre (48, 7%), propiolakton, propylenoksyd, natriumhydroksyd, styrenmonomer.

- Svovelsyre (konsentrat) er ekstremt farlig i kontakt med karbider, bromater, klorater, fullminerende materialer, pikrates og pulverformede metaller.

- Det kan indusere voldelig polymerisering av allylklorid og reagerer eksotermt med natriumhypokloritt for å produsere klorgass.

- Blanding av klorsulfonsyre og 98% svovelsyre gir HCI.

toksisitet

- Svovelsyre er etsende for alle kroppsvev. Innånding av damp kan forårsake alvorlig lungeskade. Kontakt med øynene kan resultere i totalt tap av syn. Kontakt med huden kan forårsake alvorlig nekrose.

- Inntaket av svovelsyre, i en mengde mellom 1 teskje og en halv ounce av den konsentrerte kjemikalien, kan være dødelig for en voksen. Selv noen dråper kan være dødelige hvis syren får tilgang til luftrøret.

- Kronisk eksponering kan forårsake trakeobronitt, stomatitt, konjunktivitt og gastritt. Gastrisk perforering og peritonitt kan forekomme og kan følges av sirkulasjonssammenbrudd. Sirkulasjonssjokk er ofte den umiddelbare dødsårsaken.

- De som har respiratoriske, gastrointestinale eller kroniske nervesykdommer og enhver okulær og kutan sykdom har større risiko.

søknader

- Svovelsyre er en av de mest brukte industrielle kjemikaliene i verden. Men de fleste bruksområder kan betraktes som indirekte, deltar som et reagens i stedet for som en ingrediens

- De fleste svovelsyre slutter som syren brukt i produksjonen av andre forbindelser, eller som en slags sulfatrest.

- Et visst antall produkter inneholder svovel eller svovelsyre, men nesten alle er spesialprodukter med lavt volum.

- Rundt 19% av svovelsyre produsert i 2014 ble konsumert i en rekke kjemiske prosesser, og resten ble konsumert i en rekke industrielle og tekniske applikasjoner.

- Veksten i etterspørselen av svovelsyre over hele verden skyldes i avtagende rekkefølge produksjonen av: fosforsyre, titandioksid, flussyre, ammoniumsulfat og behandling av uran og metallurgiske applikasjoner.

indirekte

- Den største forbrukeren av svovelsyre er langt gjødselindustrien. Den representerte litt over 58% av verdens samlede forbruk i 2014. Imidlertid forventes denne andelen å redusere til ca 56% innen 2019, hovedsakelig som følge av økt vekst i andre kjemiske og industrielle applikasjoner.

- Produksjonen av fosfatgjødselmaterialer, spesielt fosforsyre, er hovedmarkedet for svovelsyre. Den brukes også til fremstilling av gjødselmaterialer som trippel superfosfat og mono- og diammoniumfosfater. Mindre mengder brukes til produksjon av superfosfat og ammoniumsulfat.

- I andre industrielle anvendelser brukes betydelige mengder svovelsyre som et syre dehydreringsreaksjonsmedium, i organiske kjemiske og petrokjemiske prosesser som involverer reaksjoner som nitrering, kondensering og dehydrering, samt i raffinering av olje, hvor den brukes i raffinering, alkylering og rensing av rå destillater.

- I den uorganiske kjemiske industrien er bruken sin bemerkelsesverdig ved produksjon av pigmenter av Ti02, saltsyre og flussyre.

- I metallforedlingsindustrien brukes svovelsyre til stikkontning, utvasking av kobber, uran og vanadinmalm i hydrometallurgisk behandling av mineraler og ved fremstilling av elektrolytiske bad for rensing og plating av ikke-jernholdige metaller.

- Visse prosesser ved fremstilling av trepulp i papirindustrien, ved produksjon av noen tekstiler, ved fremstilling av kjemiske fibre og i garvning av skinn, krever også svovelsyre.

direkte

- Sannsynligvis er den største bruken av svovelsyren der svovelet er innarbeidet i sluttproduktet i ferd med organisk sulfonering, spesielt for fremstilling av vaskemidler.

- Sulfonering spiller også en viktig rolle i å skaffe andre organiske kjemikalier og mindre farmasøytiske produkter.

- Blybatterier er et av de mest kjente svovelsyreholdige forbrukerprodukter, og representerer bare en liten del av det totale svovelsyreforbruket.

- Under visse forhold brukes svovelsyre direkte i landbruket, for rehabilitering av svært alkaliske jordarter, som de som finnes i ørkenregioner i vestlige USA. Denne bruken er imidlertid ikke særlig viktig når det gjelder det totale volumet av svovelsyre som brukes.

Utviklingen av svovelsyreindustrien

Vitriol prosess

Den eldste metoden for å oppnå svovelsyre er den såkalte "vitriol-prosessen", som er basert på termisk dekomponering av vitriolene, som er sulfater av forskjellige typer, av naturlig opprinnelse.

De persiske alkymistene, Jābir ibn Hayyān (også kjent som Geber, 721 - 815 e.Kr.), Razi (865 - 925 e.Kr.) og Jamal Din al-Watwat (1318 e.Kr.), inkluderte vitriol i deres mineral klassifikasjonslister.

Den første omtalen av "vitriol-prosessen" fremgår av Jabir ibn Hayyans skrifter. Så beskrev alkymistene St Albert den store og Basilius Valentinus prosessen mer detaljert. Alum og kalkantitt (blå vitriol) ble brukt som råmaterialer.

Ved slutten av middelalderen ble svovelsyre oppnådd i små mengder i glassbeholdere, hvor svovel ble brent med saltpeter i fuktig miljø.

Vitriol-prosessen ble brukt i industriell skala fra det sekstende århundre på grunn av større etterspørsel etter svovelsyre.

Vitriolo de Nordhausen

Produksjonsfokuset ble sentrert i den tyske byen Nordhausen (for det som begynte å bli kalt vitriol som "vitriol av Nordhausen"), hvor jern (II) sulfat ble brukt (grønn vitriol, FeSO ₄ - 7H ₂ O) som råmateriale, som ble oppvarmet, og det resulterende svoveltrioksydet ble blandet med vann for å oppnå svovelsyren (vitriololje).

Prosessen ble utført i kabysser, hvorav noen hadde flere nivåer, parallelt, for å oppnå større mengder vitriololje.

Blykameraer

I det 18. århundre ble det utviklet en mer økonomisk prosess for produksjon av svovelsyre kjent som "blykammerprosessen".

Inntil da ble den maksimale konsentrasjonen av syre oppnådd 78%, mens "vitriol-prosessen" oppnådde konsentrert syre og oleum, så denne metoden ble fortsatt brukt i visse sektorer av næringen til utseendet av "prosessen med kontakt "i 1870, med hvilken konsentrert syre kunne oppnås billigere.

Oleumet eller røykfylt svovelsyre (CAS: 8014-95-7) er en løsning av oljeaktig konsistens og mørk brun farge, variabel sammensetning av svoveltrioksyd og svovelsyre, som kan beskrives ved formelen H2SO4. xSO ₃ (hvor x representerer det frie molære innholdet av svoveloksyd (VI)). En verdi for x av 1 gir den empiriske formelen H ₂ S ₂ O ₇, som tilsvarer disulfurinsyre (eller pyrosvovelsyre).

prosessen

Prosessen med blykammeret var den industrielle metoden som ble brukt til å fremstille svovelsyre i store mengder før den ble erstattet av "kontaktprosessen".

I 1746 i Birmingham, England, begynte John Roebuck å produsere svovelsyre i blybekledningskamre, som var sterkere og billigere enn glassbeholderne som tidligere hadde blitt brukt, og kunne bli gjort mye større.

Svoveldioksid (fra forbrenning av elementære svovel eller metalliske mineraler som inneholder svovel, som pyritt) ble introdusert med damp og nitrogenoksid i store kamre foret med blyplater.

Svoveldioksidet og nitrogenoksidet ble oppløst, og i en periode på ca. 30 minutter ble svoveldioksidet oksidert til svovelsyre.

Dette gjorde det mulig for den effektive industrialiseringen av svovelsyreproduksjon, og med forskjellige forbedringer forblir denne prosessen standardproduksjonsmetoden i nesten to århundrer.

I 1793 oppnådde Clemente og Desormes bedre resultater ved å introdusere supplerende luft i blykammerprosessen.

I 1827 introduserte Gay-Lussac en metode for å absorbere nitrogenoksider fra avfallsgasser fra blykammeret.

I 1859 utviklet Glover en metode for gjenvinning av nitrogenoksyder fra den nydannede syre, ved innblanding med varme gasser, som gjorde det mulig å kontinuerlig katalysere prosessen med nitrogenoksid.

I 1923 introduserte Petersen en forbedret tårnprosess som tillot konkurranseevnen med hensyn til kontaktprosedyren frem til 1950-tallet.

Kammerprosessen ble så robust at den i 1946 fortsatt representerte 25% av verdensproduksjonen av svovelsyre.

Nåværende produksjon: kontaktprosess

Kontaktprosessen er den nåværende produksjonsprosessen av svovelsyre i høye konsentrasjoner, som er nødvendig i moderne industrielle prosesser. Platina pleide å være katalysator for denne reaksjonen. Vanadiumpentoksid (V2O5) er imidlertid nå foretrukket.

I 1831, i Bristol, England, patenterte Peregrine Phillips oksydasjonen av svoveldioksid til svoveltrioksyd ved bruk av platinakatalysator ved forhøyede temperaturer.

Imidlertid begynte adopsjonen av oppfinnelsen og den intensive utviklingen av kontaktprosessen først etter at etterspørselen etter oleum for fargestoffproduksjon økte fra ca. 1872.

Deretter ble det søkt bedre faste katalysatorer, og kjemien og termodynamikken i SO2 / SO3-likevekten ble undersøkt.

Kontaktprosessen kan deles inn i fem faser:

1. Kombinasjon av svovel og dioxygen (O2) for å danne svoveldioksid.
2. Rensing av svoveldioksid i en renseenhet.
3. Tilsetning av et overskudd av dioxygen til svoveldioksid i nærvær av vanadiumpentoksydkatalysatoren ved temperaturer på 450 ° C og trykk på 1-2 atm.
4. Den dannede svoveltrioksydet tilsettes svovelsyren som gir opphav til oleum (disulfursyre).
5. Oljen blir så tilsatt til vannet for å danne svovelsyre som er meget konsentrert.

Den grunnleggende ulempen ved nitrogenoksidprosesser (under prosessen med blykammeret) er at konsentrasjonen av oppnådd svovelsyre er begrenset til maksimalt 70 til 75%, mens kontaktprosessen produserer konsentrert syre (98). %).

Med utviklingen av relativt billige vanadiumkatalysatorer for kontaktprosessen, sammen med den økende etterspørselen etter konsentrert svovelsyre, ble den globale produksjonen av svovelsyre i nitrogenoksydbehandlingsanlegg redusert jevnt.

I 1980 var det praktisk talt ingen syre produsert i nitrogenoksidprosessanleggene i Vest-Europa og Nord-Amerika.

Dobbelkontaktprosess

Dobbelkontakt-dobbeltabsorpsjonsprosessen (DCDA eller Double Contact Double Absorption) introduserte forbedringer i kontaktprosessen for produksjon av svovelsyre.

I 1960 søkte Bayer om patent på den såkalte dobbeltkatalyseprosessen. Det første anlegget som brukte denne prosessen, ble lansert i 1964.

Ved å inkorporere et foreløpig SO3 absorpsjonsstadium før de endelige katalytiske stadier tillater den forbedrede kontaktprosess en signifikant økning i SO2-omdannelse, noe som reduserer utslippene i atmosfæren vesentlig.

Gassene ledes tilbake gjennom den endelige absorpsjonskolonnen, og oppnår ikke bare en høy omdannelseseffektivitet fra SO2 til SO3 (på ca. 99, 8%), men tillater også produksjon av en høyere konsentrasjon av svovelsyre.

Den vesentlige forskjellen mellom denne prosessen og den vanlige kontaktprosessen er i antall stadier av absorpsjon.

Fra 1970-tallet innførte de viktigste industrilandene strengere forskrifter for beskyttelse av miljøet, og prosessen med dobbelt absorpsjon ble generalisert i de nye plantene. Den konvensjonelle kontaktprosessen fortsetter imidlertid å bli brukt i mange utviklingsland med mindre krevende miljøstandarder.

Den største impulsen for den nåværende utviklingen av kontaktprosessen er fokusert på å øke utvinningen og utnyttelsen av den store mengden energi som produseres i prosessen.

Faktisk kan en stor moderne plante av svovelsyre ikke bare ses som et kjemisk anlegg, men også som et termisk kraftverk.

Råvarer brukt i produksjon av svovelsyre

svovelkis

Pyritt var det dominerende råmaterialet i produksjonen av svovelsyre til midten av det 20. århundre, da store mengder av elementært svovel begynte å bli gjenvunnet fra oljeraffinering og rensing av naturgass, ble hovedmaterialet industri premie.

Svoveldioksid

For tiden oppnås svoveldioksid ved forskjellige metoder, fra flere råvarer.

I USA har industrien vært basert siden begynnelsen av det tjuende århundre i å skaffe elementært svovel fra underjordiske innskudd av "Frasch-prosessen".

Konsentrert svovelsyre produseres også ved rekoncentrasjon og rensing av store mengder svovelsyre oppnådd som et biprodukt fra andre industrielle prosesser.

resirkulert

Resirkuleringen av denne syren blir stadig viktigere fra miljøsynspunktet, særlig i de viktigste utviklede landene.

Fremstillingen av svovelsyre basert på elementært svovel og pyritt er selvsagt relativt følsomt overfor markedsforhold, siden syren fremstilt fra disse materialer representerer et primærprodukt.

På den annen side, når svovelsyre er et biprodukt, som er produsert som et middel for å eliminere avfall fra en annen prosess, blir ikke produksjonsnivået diktert av betingelsene i svovelsyre-markedet, men ved markedsforholdene for det primære produktet.

Kliniske effekter

-Svovelsyre brukes i industrien og i enkelte husholdningsrengjøringsprodukter, for eksempel baderomsrengjøringsmidler. Det brukes også i batterier.

- Den bevisste inntaket, spesielt av produkter med høy konsentrasjon, kan forårsake alvorlige skader og død. Disse eksponeringene er sjeldne i USA, men er vanlig i andre deler av verden.

-Det er en sterk syre som forårsaker vevskader og proteinkoagulasjon. Det er etsende for huden, øynene, nesen, slimhinnene, luftveiene og mage-tarmkanalen, eller noe vev som det kommer i kontakt med.

-Sværheten av skaden bestemmes av konsentrasjonen og varigheten av kontakten.

-Mildere eksponeringer (konsentrasjoner mindre enn 10%), forårsaker kun irritasjon i huden, øvre luftveier og mage-tarmslimhinnen.

- Åndedrettsvirkningen ved akutt eksponering ved innånding inkluderer: irritasjon av nese og hals, hoste, nysing, refleksbronkospasme, dyspné og lungeødem. Døden kan oppstå på grunn av plutselig sirkulasjonssvikt, glottisødem og kompromiss av luftveiene, eller akutt lungeskade.

Inntak av svovelsyre kan forårsake umiddelbar epigastrisk smerte, kvalme, spytt og oppkast av muskuløs eller hemorragisk materiale med utseende av "malt kaffe". Noen ganger oppdages oppkast av friskt blod.

Inntaket av konsentrert svovelsyre kan forårsake korrosjon av spiserøret, nekrose og perforering av spiserøret eller magen, spesielt i pyloren. Av og til kan det ses skade på tynntarmen. Senere komplikasjoner kan inkludere stenose og fisteldannelse. Etter inntak kan metabolsk acidose utvikles.

- Alvorlige hudforbrenninger kan oppstå med nekrose og arrdannelse. Disse kan være dødelige dersom et tilstrekkelig stort område av kroppsoverflaten påvirkes.

Øyeet er spesielt følsomt for korrosjonsskader. Irritasjon, tåre og konjunktivitt kan utvikle seg selv med lave konsentrasjoner av svovelsyre. Sprøyter med svovelsyre i høye konsentrasjoner forårsaker: Forbrenning i hornhinnen, tap av syn og sporadisk perforering av ballongen.

- Kronisk eksponering kan være assosiert med endringer i lungefunksjon, kronisk bronkitt, konjunktivitt, emfysem, hyppige respiratoriske infeksjoner, gastritt, erosjon av tannemalje og muligens kreft i luftveiene.

Sikkerhet og risiko

Fareuttalelser for det globalt harmoniserte systemet for klassifisering og merking av kjemikalier (SGA)

Det globalt harmoniserte systemet for klassifisering og merking av kjemikalier (SGA) er et internasjonalt avtalt system som er opprettet av De forente nasjoner, og som er utformet for å erstatte de ulike klassifikasjons- og merkingsstandardene som brukes i forskjellige land gjennom bruk av konsekvente globale kriterier (FN United, 2015).

Fareklassene (og deres tilhørende kapittel i GHS), klassifikasjons- og merkingsstandarder og anbefalinger for svovelsyre er som følger (European Chemicals Agency, 2017, United Nations, 2015, PubChem, 2017):

Fareklasser i GHS

H303: Kan være skadelig ved svelging [Advarsel Akutt toksisitet, oral - Kategori 5] (PubChem, 2017).

H314: Forårsaker alvorlige hudforbrenninger og øyeskade [Fare Hudkorrosjon / irritasjon - Kategori 1A, B, C] (PubChem, 2017).

H318: Forårsaker alvorlig øyeskader [Fare alvorlig øyeskader / øyeirritasjon - Kategori 1] (PubChem, 2017).

H330: Fatal ved innånding [Akutt toksisitet, innånding - Kategori 1, 2] (PubChem, 2017).

H370: Forårsaker organskader [Fare Spesifikk målorgan toksisitet, enkelt eksponering - Kategori 1] (PubChem, 2017).

H372: Forårsaker organskader ved langvarig eller gjentatt eksponering [Fare Spesifikk målorgantoksisitet, gjentatt eksponering - Kategori 1] (PubChem, 2017).

H402: Skadelig for vannlevende organismer [Farlig for vannmiljøet, akutt fare - Kategori 3] (PubChem, 2017).

Kodes for tilsynsrådene

P303 + P361 + P353, P304 + P340, P305 + P351 + P338, P307 + P311, P310, P312, P314, P320, P321, P330, P230, P230, P271, P273, P363, P403 + P233, P405 og P501 (PubChem, 2017).