Sulfuric acid và muối sulfate

I. Sulfuric acid

1. Cấu tạo phân tử

Phân tử sulfuric acid (H₂SO₄) có công thức cấu tạo:

Với cấu tạo gồm các nguyên tử hydrogen linh động và các nguyên tử oxygen có độ âm điện lớn, giữa các phân tử sulfuric acid hình thành nhiều liên kết hydrogen:

2. Tính chất vật lí

Ở điều kiện thường, sulfuric acid là chất lỏng sánh như dầu, không màu, không bay hơi, có tính hút ẩm mạnh.

Dung dịch sulfuric acid 98% có khối lượng riêng 1,84 g/cm³, nặng gần gấp hai lần nước.

Sulfuric acid tan vô hạn trong nước và toả rất nhiều nhiệt. Do vậy, tuyệt đối không tự ý pha loãng sulfuric acid. Khi pha loãng dung dịch sulfuric acid đặc, để đảm bảo an toàn phải rót từ từ dung dịch sulfuric acid đặc vào nước, vừa rót vừa khuấy (không làm ngược lại).

3. Quy tắc an toàn 

3.1. Bảo quản

Sulfuric acid được bảo quản trong chai, lọ có nút đậy chặt, đặt ở vị trí chắc chắn.

Đặt chai, lọ đựng dung dịch sulfuric acid đặc cách xa các lọ chứa chất dễ gây cháy, nổ như chlorate, perchlorate, permanganate, dichromate.

Kí hiệu cảnh báo sự nguy hiểm của sulfuric acid

3.2. Sử dụng

Sulfuric acid gây bỏng khi rơi vào da, do vậy khi sử dụng cần tuân thủ các nguyên tắc:

(1) Sử dụng găng tay, đeo kính bảo hộ, mặc áo thí nghiệm.

(2) Cầm dụng cụ chắc chắn, thao tác cẩn thận.

(3) Không tì, đè chai đựng acid lên miệng cốc, ống đong khi rót acid.

(4) Sử dụng lượng acid vừa phải, lượng acid còn thừa phải thu hồi vào lọ đựng.

(5) Không được đổ nước vào dung dịch acid đặc.

3.3. Sơ cứu khi bỏng acid

Khi bị bỏng sulfuric acid cần thực hiện sơ cứu theo các bước sau:

(1) Nhanh chóng rửa ngay với nước lạnh nhiều lần để làm giảm lượng acid bám trên da. Nếu bị bỏng ở vùng mặt nhưng acid chưa bắn vào mắt thì nhắm chặt mắt khi ngâm rửa. Nếu acid đã bắn vào mắt thì úp mặt vào chậu nước sạch, mở mắt và chớp nhiều lần để rửa acid.

(2) Sau khi ngâm rửa bằng nước, cần tiến hành trung hoà acid bằng dung dịch NaHCO₃

loãng (khoảng 2%).

(3) Băng bó tạm thời vết bỏng bằng băng sạch, cho người bị bỏng uống bù nước điện giải rồi đưa đến cơ sở y tế gần nhất.

4. Tính chất hoá học

4.1. Dung dịch sulfuric acid loãng

Dung dịch sulfuric acid loãng có đầy đủ tính chất của một acid mạnh.

• Làm đổi màu quỳ tím thành đỏ;
• Tác dụng với nhiều kim loại (Mg, Al, Zn, Fe,...) tạo thành muối sulfate và giải phóng khí hydrogen.

Ví dụ:

H₂SO_{4 (loãng)} + Mg → MgSO₄ + H₂

3H₂SO_{4 (loãng)} + 2Al → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

Chú ý: Các kim loại Hg, Cu, Ag, Au, Pt …không tác dụng với H₂SO₄ loãng.

Khi Fe tác dụng với H₂SO₄ loãng, sản phẩm thu được là muối iron(II).

H₂SO_{4 (loãng)} + Fe → FeSO₄ + H₂

• Tác dụng với base tạo thành muối sulfate và nước.

Ví dụ:

H₂SO₄ + Cu(OH)₂ → CuSO₄ + 2H₂O

H₂SO₄ + 2KOH → K₂SO₄ + 2H₂O

• Tác dụng với basic oxide tạo thành muối sulfate và nước.

Ví dụ:

H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O

H₂SO₄ + Na₂O → Na₂SO₄ + H₂O

• Tác dụng với một số muối tạo thành muối sulfate và acid mới

Ví dụ:

MgCO₃ + H₂SO₄ → MgSO₄ + CO₂ + H₂O

4.2. Dung dịch sulfuric acid đặc

• Tính acid

Dung dịch sulfuric acid đặc có tính acid mạnh và khó bay hơi, được sử dụng để điều chế một số acid dễ bay hơi.

Ví dụ: Dung dịch sulfuric acid đặc được dùng trong công nghiệp để điều chế HF bằng cách tác dụng với quặng fluorite.

CaF₂ + H₂SO₄ CaSO₄ + 2HF

• Tính oxi hoá

Dung dịch sulfuric acid đặc thể hiện tính oxi hoá mạnh, nhất là khi đun nóng, kèm theo sự giảm số oxi hoá của nguyên tử sulfur:

S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴;

S⁺⁶ + 6e → S⁰;

S⁺⁶ + 8e → S^-2;

Dung dịch sulfuric acid đặc, nóng oxi hoá được nhiều kim loại, phi kim và hợp chất.

Ví dụ:

Cu + 2H₂SO₄ CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

C + 2H₂SO₄ CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

2KBr + 2H₂SO₄ Br₂ + SO₂ + 2H₂O + K₂SO₄

• Tính háo nước

Dung dịch sulfuric acid đặc có khả năng lấy nước từ hợp chất carbohydrate và khiến chúng hoá đen (hiện tượng than hoá).

 C₁₂H₂₂O₁₁ 12C + 11H₂O 

Tính háo nước sulfuric acid đặc 

5. Ứng dụng

Một số ứng dụng của sulfuric acid

6. Sản xuất

Trong công nghiệp, sulfuric acid chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp tiếp xúc, đi từ nguyên liệu chính là sulfur, quặng pyrite (chứa FeS₂).

Phương pháp tiếp xúc gồm ba giai đoạn chính.

Giai đoạn 1: Sản xuất sulfur dioxide

Tuỳ thuộc vào nguồn nguyên liệu, sulfur dioxide được sản xuất bằng cách đốt cháy sulfur, pyrite hoặc quặng sulfide trong lò đốt bằng không khí.

S(g) + O₂(g) SO₂(g)

4FeS₂(s) + 11O₂(g) 2Fe₂O₃(s) + 8SO₂(g)

Giai đoạn 2: Sản xuất sulfur trioxide

Oxi hoá sulfur dioxide bằng không khí dư ở nhiệt độ khoảng 450^oC, áp suất 1 – 2 bar, xúc tác vanadium(V) oxide (V₂O₅), hiệu suất đạt trên 98%:

2SO₂(g) + O₂(g)­ 2SO₃(g)

Giai đoạn 3: Hấp thụ sulfur trioxide bằng sulfuric acid đặc, tạo ra oleum (hỗn hợp các acid có công thức chung dạng H₂SO₄.nSO₃). Sau đó, pha loãng oleum vào nước thu được dung dịch sulfuric acid loãng.

II. Muối sulfate

1. Ứng dụng

Một số ứng dụng của muối sulfate được thể hiện trong sơ đồ sau:

2. Nhận biết

Thuốc thử nhận biết ion sulfate là dung dịch muối barium hoặc dung dịch Ba(OH)₂. Sản phẩm phản ứng là barium sulfate BaSO₄ kết tủa trắng, không tan trong acid.

H₂SO₄ + BaCl₂ →BaSO₄↓ + 2HCl

Na₂SO₄ + Ba(OH)₂ →BaSO₄↓ + 2NaOH

Kết tủa trắng BaSO₄