حمض الكبريتيك

قالب:ترشيح مقالة مختارة قالب:معلومات كيمياء حَمْضُ الكِبْرِيتِيك حَمْضٌ مَعدِنيّ، صيغته الكيميائية H₂SO_4، يُوجَدُ سائلاً لَزِجاً عديمَ اللون مرتفعَ الكثافة في شكله النقي المستحصل صناعياً. يمتزج هو والماء بالتراكيز جميعِها. وكانَ من أوائل الأحماض التي حُضّرت في تاريخ علم الكيمِياء، إذ يعود الفضل إلى العالم جابِرِ بْنِ حَيَّانَ في تحضيره أوّلَ مرّة في القرن الثامن الميلادي.

ويُصنَّف من الأحماض الأكّالة جدّاً والمخرّشة، فهو مؤكسِد جيّد؛ ويتميّز حَمْض الكبريتيك المركّز بقدرته الكبيرة علىٰ نزع الماء من المركّبات الحاوية على مجموعات هِدرُكسيل في بِنيتها، ويتميّز أيضاً بقدرته الكبيرة على الاسترطاب، إذ يمتزّ بخار الماء من الهواء. عند إجراء عملية تمديد (تخفيف) للحمض بإضافته إلى الماء، تنتشر كمّيّة محسوسة من الحرارة، ولا ينبغي عند التمديد إضافة الماء إلى الحَمض؛ فقدْ يرافق ذلك خطورة تناثر قطيرات من الحمض الساخن، مما قد يؤدّي إلى حدوث حروق كيميائية، وحتّى حروق حرارية، من الدرجة الثانية.

لحمض الكبريتيك تطبيقات مهمّة كثيرة، في الحياة اليومية، وفي الصناعات الكيميائية أيضاً؛ فيعدّ معدّل الإنتاج من حمض الكبريتيك مؤشّراً جيّداً على القوّة الصناعية للبلدان. ويُنتَج حمض الكبريتيك بعدّة أساليبَ وطرائق، وأكثرها انتشاراً وشيوعاً في العصر الحاضر هي عملية التلامس وعملية حمض الكبريتيك الرطب؛ أمّا تاريخياً فقد كانت عملية غرف الرصاص هي العملية الشائعة في إنتاج هذا الحمض في القرن الثامن عشر. يستعمل حمض الكبريتيك استعمالًا واسعًا في تحضير الأسمدة، وفي معالجة المعادن، وفي مصافي النفط ومعالجة المياه العادمة، وفي الاصطناع الكيميائي؛ ويدخل حمض الكبريتيك أيضاً في تركيب بطّاريات السيّارات.

التسمية

يُسمى هذا الحَمْض قالب:إنج، يعرف هذا الحمض تحت اسم حَمْض الكِبريتيك أو حَمْض الكِبريت أو زيت الزاج أو الحَمْض الكِبريتي أو نقحرة من الإنجليزية حمض السَّلفوريك.

التاريخ

يرتبط تاريخ حمض الكبريتيك بشكل وثيق باكتشاف أملاح الزاج والتجارب عليها منذ تاريخ تطور الكيمياء.

التاريخ القديم

بدأت دراسة الزاج في العصور القديمة، وكان لدى السومريين قائمة بأنواع أملاح الزاج التي صنّفوها حسب لون المادة. حَوَت أعمال الطبيب اليوناني ديوسقوريدس (عاش في القرن الأول الميلادي) وعالم الطبيعة الروماني بلينيوس الأكبر (23-79 م) على بعض المناقشات المبكّرة عن أصل وخصائص الزاج؛ وناقش جالينوس أيضًا استخداماته الطبية. ووُثّقَت الاستخدامات المعدنية للزاج في عدد من الأعمال والكتب الخيميائية في العصر الهلنستي، مثل أعمال زوسيموس من بانوبوليس ، وفي النصوص المنسوبة إلى ديمقريطس ، وكذلك بردية ليدن X .

عصر الحضارة الإسلامية

صورة تمثيلية لجابر بن حيان، أوّل من حضّر حمض الكبريتيك.

استمرّت الأبحاث والتجارب على أملاح الزاج في عصر الحضارة الإسلامية، ويعود الفضل إلى عدد من العلماء المسلمين في توثيق نتائج تلك التجارب، أمثال جابر بن حيان (توفي قرابة 806 - 816 م)، وأبو بكر الرازي (865 - 925 م)، وابن سينا (980 - 1037 م)، ومحمد بن إبراهيم الوطواط (1234 - 1318 م) الذين أدرجوا الزاج في قوائم تصنيف المعادن الخاصّة بهم.

يرد في أغلب الأدبيات العربية أنّ العالم جابر بن حيان كان أوّل من حضّر «زيت الزاج»؛ وهو الاسم الذي كان يُطلَق على ناتج تقطير أملاح الزاج. ولكن على العموم هناك عدّة فرضيات مبنيّة على تحليل المتوفّر من المخطوطات والتي حاولت تحديد مَن كان أوّل من تمكّن من تحضير زيت الزاج ومتى حصل ذلك الاكتشاف. فقد جرّب العلماء المسلمون مثل ابن حيان والرازي تقطير مختلف المواد، بما في ذلك أملاح الزاج؛ وفي إحدى الوصفات المسجلّة في كتاب سرّ الأسرار، قد يكون الرازي قد حضّر حمض الكبريتيك دون أن يدرك ذلك:

وفي عملٍ مجهولٍ مكتوبٍ باللغة اللاتينية نُسب تارةً إلى أرسطو، وتارةً إلى الرازي ، أو إلى ابن سينا، والذي يتحدّث فيه المؤلف عن زيت يُستحصَل من عملية تقطير الزاج الأخضر (كبريتات الحديد الثنائي)، ومن المرجّح أن المقصود هو زيت الزاج (حمض الكبريتيك). يشير العمل عدّة مرّات إلى كتاب جابر بن حيان «كتاب السبعين» ، وهو أحد الأعمال القليلة المترجمة لجابر إلى اللاتينية. يُشير مؤلّف النسخة المنسوبة إلى الرازي إلى كتاب السبعين على أنّه عمله الخاص، ممّا يُظهر أنه اعتقد خطأً أنّه كان عملًا للرازي. بعض الفرضيات تشير أنّ العمل المجهول كان تأليفًا أصليًا باللاتينية، مع أنّ إحدى المخطوطات تشير إلى أنه ترجمهُ شخص يُدعى قالب:ط ، ممّا يعني أنّه قد يكون أيضًا مترجماً من العربية.

العصور الوسطى المتأخرة والحديثة المبكرة

تظهر أولى الإشارات إلى زيت الزاج في الأعمال الأوروبية في أعمال القرن الثالث عشر الميلادي، كما هو الحال في أعمال فنسنت دي بوفيه و جابر الزائف .

يُظهر جزيء حمض الكبريتيك الذي اكتشفه جون دالتون عام 1808 ذرّة كبريت مركزية مرتبطة بثلاث ذرات أكسجين، أو ثلاثي أكسيد الكبريت، وهو أنهيدريد حمض الكبريتيك.

ظهر في أوروبا في القرن السادس عشر أسلوب تحضير عُرِف باسم قالب:ط ، والذي كان يتضمّن حرق الكبريت تحت جرس زجاجي في وسط رطب (أو لاحقاً تحت جرس مبلل). ومع ذلك، كانت هذه الطريقة غير فعّالة للغاية (إذ كانت تتضمّن وفقًا لغيسنر تحويل ما يقارب 2.3 كغ من الكبريت إلى أقلّ من أونصة واحدة (0.03 كغ) من الحمض)، بالإضافة إلى أن المنتج النهائي كان ملوّثًا بحمض الكبريتوز (أو بالأحرى محلول ثنائي أكسيد الكبريت)؛ لذلك فإنّ معظم الكيميائيين لم يعتبروه معادلاً لـ "زيت الزاج". وفي القرن السابع عشر، اكتشف يوهان رودولف غلاوبر أن إضافة ملح البارود (نترات البوتاسيوم KNO₃) واستبدال الرطوبة بالبخار يحسّن الإنتاج كثيرًا. إذ عند تفكّك نترات البوتاسيوم حرارياً، فإنّها تؤكسد الكبريت إلى SO₃ الذي يتّحد مع الماء لينتج حمض الكبريتيك. في سنة 1736، استخدم جوشوا وارد ، وهو صيدلي من لندن، هذه الطريقة للبدء بأوّل إنتاج واسع النطاق من حمض الكبريتيك.

الأساليب الحديثة في الإنتاج

عملية غرف الرصاص

في سنة 1746 تمكّن جون روبوك في مدينة برمنغهام من تحوير طريقة حرق الكبريت من أجل إنتاج حمض الكبريتيك في غرف مبطّنة بالرصاص، وكانت أكثر فعّالية وإنتاجية وأقلّ تكلفةً من طريقة الحاويات الزجاجية المستخدمة سابقًا. سمحت هذه العملية بتصنيع حمض الكبريتيك على نطاق صناعي؛ وبعد عدّة تحسينات وتطويرات، أصبحت هذه الطريقة، المعروفة باسم عملية غرف الرصاص أو "عملية الغرفة"، المعيارَ لإنتاج حمض الكبريتيك لمدّة قاربت القرنين من الزمن.

تقطير البيريت

وصل تركيز حمض الكبريتيك الناتج عن عملية جون روبوك إلى قرابة 65%. وأدّت تحسينات لاحقة على عملية غرف الرصاص من قبل الكيميائي الفرنسي جوزيف لويس جاي لوساك والكيميائي البريطاني جون جلوفر إلى تحسين التركيز ليصل إلى 78%. ومع ذلك، تطلّب تصنيع بعض الأصباغ والعمليات الكيميائية الأخرى حمضاً أكثر تركيزًا؛ وطوال القرن الثامن عشر، لم يكن بالإمكان إنتاج ذلك التركيز المرتفع إلّا من خلال التقطير الجاف للمعادن في تقنية مشابهة للعمليات الخيميائية. فقد كان البيريت (كبريتيد الحديد الثنائي قالب:Chem2) يُسخّن في الهواء لينتج كبريتات الحديد الثنائي قالب:Chem2، والذي كان يتأكسد بتسخينه مجدّدًا في الهواء ليشكّل كبريتات الحديد الثلاثي قالب:Chem2، وعند تسخينه إلى درجة 480 مئوية، يتفكّك إلى أكسيد الحديد الثلاثي وثلاثي أكسيد الكبريت، والذي كان يُخفّف بالماء لإنتاج حمض الكبريتيك بأيّ تركيز؛ لكن ارتفاع تكاليف هذه العملية منعت الاستخدام واسع النطاق لحمض الكبريتيك المركّز.

عملية التلامس

حصل تاجر الخل البريطاني قالب:ط على براءة اختراع لعملية التلامس في سنة 1831م، وهي عملية أكثر اقتصادية في إنتاج ثلاثي أكسيد الكبريت وحمض الكبريتيك المركّز. واليوم، يُنتَج تقريبًا أغلب حمض الكبريتيك في العالم باستخدام هذه الطريقة.

الخواص الفيزيائية

يوجد حمض الكبريتيك المركّز على هيئة سائل عديم اللون زيتي القوام مرتفع الكثافة. من الشائع أن تتلوّن الأشكال التجارية من حمض الكبريتيك بلون بنّي فاتح، وذلك يعود إلى الشوائب العضوية التي تخضع إلى تفاعل نزع ماء ممّا يؤدي إلى تفحّمها. تبلغ قيمة ضغط البخار لحمض الكبريتيك <0.001 مم زئبقي عند 25 °س، ومقدار 1 مم زئبقي عند 145.8 °س.

يبدأ حمض الكبريتيك المركّز الخالي من الماء (اللامائي) بالتجمّد عند درجات حرارة أدنى من 10.37 °س؛ وتنخفض نقطة التجمد انخفاضًا واضحًا عند وجود آثار من الماء، إذ تكون لحمض تركيزه 98% قريبة من 3.0 °س. بالمقابل، عند درجات حرارة أعلى من نقطة الغليان البالغ مقدارها 279.6 °س لحمض الكبريتيك المركّز اللامائي تبدأ الأبخرة بالتشكّل، ويبدأ ثلاثي أكسيد الكبريت بالتركّز في الأبخرة، في حين ييقى الماء في حمض الكبريتيك المتبخّر. بالتالي يتحوّل حمض الكبريتيك اللامائي إلى حمض كبريتيك ذي تركيز 98.33%، والذي ترتفع نقطة الغليان فيه إلى درجة حرارة ثابتة مقدارها 338 °س. عند درجة الحرارة تلك، تحوي الأبخرة على تركيز من الحمض مقداره 98.33%، وبالتالي يتكوّن النظام من مزيج من الماء وحمض الكبريتيك في حالة توازن ثابت الغليان (نظام أزيوتروبي) . يُستحصَل على حمض كبريتيك بالتركيز ذاته وبذات نقطة الغليان عند تقطير حمض كبريتيك ممدّد، بالتالي لا يمكن الحصول على حمض الكبريتيك 100% المركّز اللامائي من تقطير حمض الكبريتيك الممدّد، ولكن بحلّ كمّيّات محدّدة من ثلاثي أكسيد الكبريت في حمض الكبريتيك المركّز. باستمرار التسخين إلى درجات حرارة أعلى من 338 °س يبدأ حمض الكبريتيك بالتفكّك إلى الماء وثلاثي أكسيد الكبريت، ويتفكّك تفكّكًا كاملًا عند درجة حرارة مقدارها 450 °س.

يوجد حمض الكبريتيك في حالة توازن كيميائي مع العديد من الأنواع الكيميائية، كما هو موضّح في الجدول:

التوازن في حمض الكبريتيك

الأنواع	ميلي مول/كغ
-HSO4	15.0
+H3SO4	11.3
+H3O	8.0
−HS2O7	4.4
H2S2O7	3.6
H2O	0.1

يشكّل حمض الكبريتيك العديد من الهيدرات المعروفة H₂SO₄·nH₂O حيث n تعادل 1 أو 2 أو 3 أو 4 أو 6.5 أو 8؛ وتكون أغلب الهيدرات الوسطية ثابتة ومستقرّة تجاه تفاعل عدم التناسب .

أمّا في الطور الصلب، فيوجد حمض الكبريتيك على هيئة بلّورات تتبع بنيتها نظاماً بلّورياً أحادي الميل والزمرة الفراغية C2/c، وتبلغ قيم ثوابت الشبكة البلورية: a مقدار 814 بيكومتر، وb مقدار 470 بيكومتر، وc مقدار 854 بيكومتر، وβ مقدار 111°. تتألّف البنية من طبقات متوازية، بحيث يكون فيها كلّ جزيء متّصلاً عبر روابط هيدروجينية إلى جزيئين آخرين.

بنية رباعية السطوح لحمض الكبريتيك في الطور الغازي

في الطور الغازي توجد جزيئات حمض الكبريتيك بحالة منفردة، وتكون بنيتها على هيئة رباعيات سطوح، تكون فيها زاوية الرابطة مقدار 101.3° بين مجموعات OH- ومقدار 123.3° بين ذرّات الأكسجين. تبلغ قيمة طول الرابطة بين الكبريت والأكسجين في الروابط S-OH مقدار 157.4 بيكومتر، أمّا الرابطة بين الكبريت وذرات الأكسجين الأخرى مقدار 142.2 بيكومتر. على العموم، تخضع الروابط الكيميائية في حمض الكبريتيك إلى حالات رنين متعدّدة كما بيّنت الحسابات النظرية.

القطبية والموصلية

يتميّز حمض الكبريتيك اللامائي (المركّز) بأنه سائل ذو قطبية كيميائية مرتفعة، وتبلغ قيمة ثابت العازل ما يقارب 100؛ ولديه موصلية كهربائية مرتفعة، نتيجة انتقال البروتونات بسبب البرتنة الذاتية ، التي تؤمّن انتقال الشحنة الكهربائية.

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{-}$

وتبلغ قيمة ثابت التوازن في البرتنة الذاتية عند 25 °س مقدار 2.7 × 10⁻⁴؛ وللمقارنة، تبلغ قيمة ثابت التوازن K_w في التأين الذاتي للماء مقدار 10⁻¹⁴، وذلك مقدار أقلّ ب10 بلايين مرة.

لحمض الكبريتيك لزوجة مرتفعة نسبياً، وتبلغ مقدار 24.6 ميلي باسكال.ثانية عند 25 °س. وللمقارنة، فإنّ لزوجة الماء تبلغ 0.89 ميلي باسكال.ثانية عند 25 °س. وعلى الرغم من الارتفاع النسبي للزوجة الحمض، فإنّ الموصلية المولية لأيونات ⁺H₃SO₄ و ^-HSO₄ مرتفعة بسبب آلية تبادل البروتونات بين الجزيئية (بشكل مشابه لآلية جروتاس في الماء)، ممّا يجعل من حمض الكبريتيك موصلاً جيداً للكهرباء، وتبلغ قيمة الموصلية النوعية مقدار 1.044 · 10⁻² سيمنز/سم.

درجات حمض الكبريتيك

يُقصَد بالدرجة في هذا السياق درجة التركيز في تصنيف حمض الكبريتيك. على الرغم من أنّه من الممكن الحصول على محلول يقارب 100% من حمض الكبريتيك، إلّا أنّ فقدان ثلاثي أكسيد الكبريت SO₃ يجعل من التركيز 98.3% الأكثر ثباتية واستقراراً في التخزين، وهو الشكل النهائي المُسوّق تجارياً تحت قالب:ط. توجد عدّة درجات من تراكيز حمض الكبريتيك الشائعة والمستخدمة في تطبيقات مختلفة، منها:

الكسر الكتلي قالب:Chem2	الكثافة (كغ/ل)	التركيز (مول/ل)	الاسم الشائع
<29%	1.00-1.25	<4.2	حمض الكبريتيك الممدّد
29–32%	1.25–1.28	4.2–5.0	حمض البطارية (المستخدم في بطارية الرصاص)
62–70%	1.52–1.60	9.6–11.5	حمض غرف الرصاص حمض الأسمدة
78–80%	1.70–1.73	13.5–14.0	حمض الأبراج حمض غلوفر
93.2%	1.83	17.4	حمض 66 درجة بوميه
98.3%	1.84	18.4	حمض الكبريتيك المركّز

إن تسميتا حمض غرف الرصاص وحمض الأبراج هي تسميات تاريخية، إذ كلاهما كانا يُستحصَلان من عملية غرف الرصاص، فحمض غرف الرصاص هو الحمض المُنتَج في الغرف ذاتها بتركيز أقلّ من 70% من أجل تجنّب الإشابة بحمض نتروزيل الكبريتيك؛ أمّا حمض الأبراج فهو المُسترجَع من أسفل قالب:ط (وهي أبراج مرتفعة درجة الحرارة كانت تستخدم في غرف الرصاص لاسترجاع أكاسيد النتروجين). في الوقت الحالي يمكن الحصول على درجات التركيز تلك بالتمديد عند الحاجة، مثل درجة التركيز 10 مولار، والمقاربة لتركيز حمض غرف الرصاص، والمستخدمة بكثرة في المعايرة في المختبرات الكيميائية.

الخواص الكيميائية

مخطط بييروم لحمض الكبريتيك: H₂SO₄: أسود؛ ⁻HSO₄: بنفسجي؛ ²⁻SO₄: فيروزي؛ ⁺H: مخطط؛ ⁻OH: منقط

الحموضة

إنّ تفاعل إماهة حمض الكبريتيك هو تفاعل طارد للحرارة كثيرًا، لذا يرافق تمديد (أو تخفيف) حمض الكبريتيك بالماء ارتفاع درجة حرارة الوسط.

إنّ حمض الكبريتيك هو حمض متعدّد البروتون ؛ ويتأيّن في خطوتين، في المرحلة الأولى يعطي تأيّن الحمض في الماء أنيون البيكبريتات ^-HSO₄، وهذا الأيون المرافق حمض أضعف بكثير من حمض الكبريتيك.

قالب:Chem2 K_a1 = 1000 (pK_a1 = −3)

إنّ ناتج التفكّك الثاني لحمض الكبريتيك هو أنيون الكبريتات ^2-SO₄.

قالب:Chem2 K_a2 = 0.01 (pK_a2 = 2)

تشير قيمة ثابت تفكك الحمض (pK_a1 = −3) بوضوح إلى أنّ حمض الكبريتيك حمض قويّ، وذلك واضح أيضاً وفق دالة هاميت للحموضة ، إذ تعادل H₀ قيمة مقدارها −11.9 بالنسبة للتفكّك الأول لحمض الكبريتيك إلى البيكبريتات. لذلك لا يصنف حمض الكبريتيك من الأحماض الفائقة ، ولكن بالرغم من ذلك، فهو يعدّ معياراً بتعريف تلك الأحماض؛ إذ الأحماض الفائقة هي المحاليل الحمضية الأكثر حموضةً من حمض الكبريتيك المركّز (تركيز 100%).

نزع الماء

ملف:07. Дехидратациони својства на концентрирана сулфурна киселина.webm لحمض الكبريتيك المركّز ألفة كيميائية كبيرة تجاه الماء، فهو يتميّز بقدرته الكبيرة على القيام بتفاعل نزع الماء (البلمهة)، إذ هو قادر على إزالة جزيئات الماء H₂O من المركّبات الكيميائية الأخرى، وخاصّةً تلك الحاوية على مجموعات هيدروكسيل كثيرة في بنيتها، مثل السكّروز (السكّر الأبيض) وكذلك السكّريات الأخرى، لينتج الكربون وبخار الماء بتفاعل طارد للحرارة. يعدّ تفاعل نزع الماء من السكّر من الأمثلة النمطية في المختبرات التعليمية لإظهار مقدرة حمض الكبريتيك على نزع الماء. يتفحّم السكّر في هذا التفاعل، ويتشكّل عمود صلب من الفحم الأسود المسامي، الذي يطلق عليه في بعض الأحيان اسم قالب:ط .

$\underset{\text{sucrose}}{\mathrm{C}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{H}{\phantom{A}}_{22}\mathrm{O}{\phantom{A}}_{11}}⟶\underset{\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{black}}{\text{graphitic foam}}}{12\mathrm{C}}+11\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_{(\mathrm{g},\mathrm{l})}$

بشكلٍ مشابهٍ، فإنّ حمض الكبريتيك قادرٌ على نزع الماء من النشا أو السليولوز. ويمكن مشاهدة ذلك بوضوح في المثال الأخير عند سكب حمض الكبريتيك على الورق، إذ يترك آثار احتراق واضحة بالإضافة إلى السناج. بشكلٍ مشابهٍ أيضاً ولكن أقلّ وضوحاً، يتفاعل حمض الكبريتيك مع القطن، ممّا يؤدّي إلى تدمير بنية النسيج.

تأثير قطرات من حمض الكبريتيك المركّز على نسيج قطني

$\underset{\text{polysaccharide}}{{[\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{10}\mathrm{O}{\phantom{A}}_5]}_n}⟶6n\mathrm{C}+5n\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

هناك استثناء ملفت للانتباه، إذ يعدّ خماسي أكسيد الفوسفور من المواد الكيميائية القلائل القادرة على نزع الماء من حمض الكبريتيك، وتحويله إلى ثلاثي أكسيد الكبريت.

التفاعل مع الأملاح

يتفاعل حمض الكبريتيك مع أغلب القواعد الكيميائية وكذلك الأملاح ليعطي أملاح الكبريتات أو البيكبريتات الموافقة. فيتفاعل حمض الكبريتيك مع كلوريد الصوديوم ليعطي غاز كلوريد الهيدروجين وبيكبريتات الصوديوم:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$

يُحضّر كبريتات الألومنيوم من مفاعلة البوكسيت مع حمض الكبريتيك:

$2\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{O}(\mathrm{O}\mathrm{H})+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2(\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_3+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

يستطيع حمض الكبريتيك أن يزيح الأحماض الأضعف من أملاحها، فعلى سبيل المثال عند تفاعل حمض الكبريتيك مع أسيتات الصوديوم يقوم حمض الكبريتيك بإزاحة حمض الخليك (حمض الأسيتيك) من الملح ويتشكّل بيكبريتات الصوديوم:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{a}⟶\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$

بشكلٍ مشابهٍ، فإنّ تفاعل حمض الكبريتيك مع نترات البوتاسيوم يحرّر حمض النتريك. وعند مزج حمض الكبريتيك مع حمض النتريك فإنّ المزيج يكون ذو خواص مؤكسدة قويّة، وقادر على تشكيل أيون النترونيوم ⁺NO₂، والذي يقوم بدورٍ مهمٍّ في تفاعلات النترتة، وخاصّةً تفاعلات الاستبدال العطري المحبّ للإلكترونات. يعدّ هذا النوع من التفاعلات، حيث تحدث تفاعلات إضافة بروتون (بروتون) على ذرّة الأكسجين، من التفاعلات المهمّة في الكيمياء العضوية مثل تفاعل أسترة فيشر وتفاعل نزع الماء (بلمهة) من الكحولات.

البنية في الطور الصلب لأيون ⁺[D₃SO₄] والمستحصَل عند استخدام الديوتيريوم محلّ الهيدروجين (البروتون) في حمض فلوريد الأنتيمون الفائق

عند التفاعل مع الأحماض الفائقة يقوم حمض الكبريتيك بدور قاعدة ويمكن برتنته، ممّا يؤدّي إلى الحصول على الأيون ⁺[H₃SO₄]، والذي يمكن تحضير أملاح منه، مثل ملح قالب:ط والذي يحضّر وفق التفاعل التالي في فلوريد الهيدروجين HF السائل:

$\text{[(CH3)3SiO]2SO2}+3\mathrm{H}\mathrm{F}+\mathrm{S}\mathrm{b}\mathrm{F}{\phantom{A}}_5⟶\text{[H3SO4]}{\phantom{A}}^{+}\text{[SbF6]}{\phantom{A}}^{-}+2(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{F}$

إنّ التفاعل أعلاه مفضّل من حيث الديناميكية الحرارية بسبب ارتفاع قيمة طاقة تفكك الرابطة Si–F في المنتج الثانوي قالب:ط. أمّا البرتنة باستخدام حمض فلوريد الأنتيمون لوحده فلا تعطي النتائج المرجوّة، لأنّ حمض الكبريتيك النقيّ يخضع لتفاعل تأين تلقائي جزيئي ليعطي أيون الهيدرونيوم:

$2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{H}\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7{\phantom{A}}^{-}$

والذي يَحُولُ دون التحوّل إلى أيون ⁺[H₃SO₄].

التفاعل مع الفلزات

يتفاعل حمض الكبريتيك الممدّد (المخفّف) مع العديد من الفلزّات عن طريق تفاعل إزاحة ، مثله مثل باقي الأحماض الأخرى، منتجاً بذلك غاز الهيدروجين وأملاح الكبريتات الموافقة؛ فهو قادر على مهاجمة الفلزّات النشيطة الفعّالة (الموجودة في مرتبة أعلى من النحاس في سلسلة النشاط الكيميائي) مثل الحديد والألومنيوم والزنك والمنغنيز والمغنيسيوم والنيكل، وغيرها.

$\mathrm{F}\mathrm{e}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$

حمض الكبريتيك المركّز هو مؤكسد عند التفاعل مع الفلزّات في أسفل سلسلة النشاط الكيميائي، محرّراً غاز ثنائي أكسيد الكبريت:

$\mathrm{C}\mathrm{u}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{2-}+\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{A}}^{2+}$

ولكن من جهةٍ أخرى، تُبدي بعض الفلزات مقاومةً لأثر حمض الكبريتيك المركّز، مثل الرصاص والتنغستن.

التفاعل مع اللافلزات

يتفاعل حمض الكبريتيك المركّز مع اللافلزّات، إذ يستطيع أن يؤكسد الكربون:

$\mathrm{C}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

وكذلك يستطيع أكسدة الكبريت:

$\mathrm{S}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶3\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

تفاعلات السلفنة

يستطيع حمض الكبريتيك أن يدخل بتفاعل سلفنة للمركبات العطرية مثل البنزين وفق آلية استبدال عطري محب للإلكترونات لينتج أحماض السلفونيك.

دورة الكبريت-اليود

يدخل حمض الكبريتيك في دورة الكبريت-اليود التي تمكّن من إنتاج غاز الهيدروجين من الماء وفق التفاعلات التالية:

$2\mathrm{I}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶4\mathrm{H}\mathrm{I}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}$		(120 °C) تفاعل بنزن
$2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$		(830 °C)
$4\mathrm{H}\mathrm{I}⟶2\mathrm{I}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$		(320 °C)

طُرحَت هذه الدورة ضمن الحلول المقترَحة من أجل إنتاج الهيدروجين بدلاً من التحليل الكهربائي للماء، ودون الحاجة لاستخدام الوقود الأحفوري عن طريق الإصلاح بالبخار للهيدروكربونات؛ لكنّ هذه العملية هي عملية ماصّة للحرارة، وليست مغرية للدول المعتمدة على الهيدروجين اقتصادياً.

الوفرة والجوانب البيئية

نهر لبلة بمياهه شديدة الحموضة

نادرًا ما يوجد حمض الكبريتيك في شكله اللامائي في الطبيعة، وذلك بسبب ارتفاع درجة استرطابه. ويُعتبر حمض الكبريتيك المخفّف مكوّنًا من مكوّنات الأمطار الحمضية، والتي تتشكّل عن طريق الأكسدة الهوائية لثنائي أكسيد الكبريت بوجود الماء / الرطوبة (أي أكسدة حمض الكبريتوز). عندما يُحرق الوقود المحتوي على الكبريت مثل الفحم أو النفط، يكون ثنائي أكسيد الكبريت المنتج الثانوي الرئيسي (إلى جانب المنتجات الرئيسية أكاسيد الكربون والماء).

تؤدّي الأمطار الحمضية المتهاطلة على الأرض إلى تخفيض قيمة pH الوسط، ممّا يؤدّي إلى تحمّض التربة وكذلك إلى تحمّض المحيطات ، وذلك يؤدّي بدوره إلى تدمير الموئل الحيوي للعديد من الكائنات الحيّة، ويعدّ مسؤولاً عن سقام الغابات وموتها وكذلك تلف المحاصيل الزراعية. وبسبب حموضته المرتفعة يؤثّر حمض الكبريتيك على الحياة البحرية مثل الأسماك وغيرها تأثيرًا سامًا. وتبلغ قيمة الجرعة المميتة LC₅₀ للأسماك 100–330 مغ/ل، وذلك بشكلٍ مشابهٍ للأحماض المعدنية الأخرى. يمكن التخفيف من تلك الآثار بإجراء عمليّات نزع كبريت غاز العادم في محطّات الطاقة الفحمية ومن خلال استخدام المشتقّات النفطية الخالية من الكبريت.

يتكوّن حمض الكبريتيك طبيعياً عن طريق أكسدة معادن الكبريتيد، مثل البيريت:

$2\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+7\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶2\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}^{2+}+4\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{2-}+4\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$

يكون الماء الناتج عن هذه العملية مرتفع الحموضة، ويسمى تصريف المناجم الحمضي .

يمكن أكسدة ²⁺Fe بشكل لاحق إلى ³⁺Fe:

$4\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}^{2+}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}⟶4\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}^{3+}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

بعد ذلك يمكن ترسيب ³⁺Fe المنتج على شكل هيدروكسيد أو أكسيد الحديد المائي:

$\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}^{3+}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{F}\mathrm{e}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3\text{↓}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$

يمكن لأيون الحديد الثلاثي ("الحديديك") أيضًا أكسدة البيريت:

$\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+14\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}^{3+}+8\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶15\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}^{2+}+2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{2-}+16\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$

عند أكسدة البيريت بواسطة الحديد الثلاثي، يمكن أن تصبح العملية سريعة.

يمكن لتصريف الصخور الحمضي أيضًا إنتاج حمض الكبريتيك بمعدل أبطأ، بحيث تستطيع قالب:ط للحوض المائي معادلة الحمض الناتج. في مثل هذه الحالات، يمكن زيادة تركيز المواد الصلبة الذائبة الكلية للماء نتيجة انحلال المعادن من تفاعل معادلة الحمض مع المعادن.

بعض الأنواع البحرية يستعمل حمض الكبريتيك كوسيلةً دفاعية، على سبيل المثال، قالب:ط قالب:اسم علمي والذي يكون متركّزاً في فجوات الخلايا.

الهباء الجوي في طبقة الستراتوسفير

في الستراتوسفير ، الطبقة الثانية من الغلاف الجوي الواقعة بين 10 و 50 كيلومترًا فوق سطح الأرض، يتكوّن حمض الكبريتيك نتيجة أكسدة ثنائي أكسيد الكبريت البركاني بواسطة جذر الهيدروكسيل :

$\mathrm{H}\mathrm{O}{\phantom{A}}^{\bullet }+\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

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

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

لأن حمض الكبريتيك يصل إلى درجة التشبّع الفائق في الستراتوسفير، فإنه يمكن أن يُنوّي جزيئات الهباء الجوي ويوفّر سطحًا لنموّ الهباء الجوّيّ عبر التكاثف والتجمّع مع قطيرات الهباء الجوي الأخرى المكوّنة من الماء وحمض الكبريتيك، مما ينتج عن ذلك طبقة الهباء الجوّيّ .

خارج الأرض

تنتج السحب الدائمة في كوكب الزهرة أمطاراً حمضية مركّزة، كما تنتج السحب في الغلاف الجوي للأرض أمطارًا مائية. يُعتقد أيضًا أن قمر المشتري "أوروبا" يحتوي على غلاف جوي يحتوي على هيدرات حمض الكبريتيك.

الإنتاج والتصنيع

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

يُحضّر حمض الكبريتيك صناعياً بأسلوبين حالياً، إمّا وفق عملية التلامس أو العملية الرطبة ؛ أمّا تاريخياً فقد كان يُحضَر في السابق وفق عملية غرف الرصاص . يعد عنصر الكبريت المادّة الأولية الخام الأساسية في إنتاج وتصنيع حمض الكبريتيك، وذلك إلى جانب الأكسجين والماء. يُستحصَل على الكبريت أساسًا من عملية نزع الكبريت المهدرج من الغاز الطبيعي أو النفط الخام والمعالجات الصناعية اللاحقة وفق عملية كلاوس ؛ أو بشكلٍ ثانوي من عملية فراش .

عملية التلامس

طُوّرَت هذه العملية في سنة 1831، ويمكن من خلالها إنتاج حمض الكبريتيك بتراكيز مرتفعة وبتكلفة قليلة نسبياً وبكمّيّات كبيرة تلبّي احتياجات وطلب السوق. تعتمد العملية على أكسدة الكبريت باستخدام حفّاز من أكسيد الفاناديوم الخماسي V₂O₅. في الخطوة الأولى يُحرَق الكبريت بوجود كمّيّة وفيرة من الأكسجين من أجل الحصول على ثنائي أكسيد الكبريت SO₂:

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

يمكن، بأسلوب آخر، استحصال غاز SO₂ من عمليّات تعدين الخامات الكبريتيدية لعددٍ من الفلزّات، مثل الزنك أو النحاس أو الرصاص:

$2\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}+3\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}+2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$

أمّا 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 تمرّ الخطوة التالية بعملية أكسدة إلى ثلاثي أكسيد الكبريت SO₃. لا يمكن الوصول إلى ثلاثي أكسيد الكبريت من التفاعل المباشر بين عنصري الكبريت والأكسجين؛ وتفاعل 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 أمرٌ غير محبّذ صناعياً، إذ تكون حركية التفاعل بطيئة. لذلك تُجرَى عمليّة الأكسدة اللاحقة بوجود حفّاز من أكسيد الفاناديوم الخماسي (أو خماسي أكسيد الفاناديوم):

$2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

يقوم أكسيد الفاناديوم الخماسي بدورٍ مهمٍّ في عملية نقل الأكسجين بتشكيله معقّداً تناسقياً ؛ وتجرى تفاعلات الأكسدة بوجود الحفّاز عند درجات حرارة تتراوح بين 420-620 °س؛ ويعدّ ذلك المجال ملائماً، إذ عند درجات حرارة أخفض يكون الحفاز غير نشطاً، وعند درجات حرارة أعلى يتفكّك. في الخطوة اللاحقة يُتخَلّص من المتبقّي من ثنائي أكسيد الكبريت بالمعالجة مع الأمونيا أو ثيوكبريتات الصوديوم؛ ثم يُحوَل غاز ثلاثي أكسيد الكبريت إلى الحمض. بما أنّ التفاعل بين ثلاثي أكسيد الكبريت والماء بطيء جدّاً، لذلك يُعمَد إلى تمرير غاز SO₃ على حمض كبريتيك ذي تركيز بين 97–98%، فتحدث عملية امتصاص ، ويتشكّل الأوليوم H₂S₂O₇ (أو قالب:ط أو قالب:ط):

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

والذي يُمدّد (يخفّف) لاحقاً بالماء من أجل الحصول على حمض الكبريتيك المركّز.

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$

عملية حمض الكبريتيك الرطب

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

• تفاعل الاحتراق: $2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}+3\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$
• تفاعل الأكسدة: $2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$
• تفاعل الإماهة : $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{g})$
• التكثيف : $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{g})⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{l})$

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.

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

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

يُحضَّر حمض الكبريتيك على نطاق مخبري صغير وفق عددٍ من الطرائق، منها:

• عملية الميتابيكبريتيت : هي عملية غير واسعة الانتشار في إنتاج حمض الكبريتيك على صعيد مخبري، إذ توضَع أملاح ثنائي الكبريتيت (ميتابيكبريتيت أو ميتابيسلفيت) مع حمض الهيدروكلوريك المركّز؛ ثم يفاعَل غاز ثنائي أكسيد الكبريت الناتج مع حمض النتريك، ويرافق ذلك انطلاق أبخرة غاز ثنائي أكسيد النيتروجين، والذي يعدّ مؤشّراً على سير التفاعل.
• من إحدى الطرق التاريخية القديمة للتحضير إجراء تفاعل احتراق الكبريت مع نترات البوتاسيوم بوجود البخار، ممّا يؤدّي إلى الأكسدة إلى ثلاثي أكسيد الكبريت، والذي يتميّه إلى حمض الكبريتيك في النهاية.
• من الأساليب الجديدة للتحضير، عملية البروم الكهربائية ، التي تتضمّن إجراء تحليل كهربائي لمزيج كهرلي من الكبريت والماء وحمض الهيدروبروميك باستخدام مهبط من النحاس ومصعد من البلاتين والغرافيت.

الاستخدامات

الإنتاج العالمي من حمض الكبريتيك في عام 2000

يعدّ حمض الكبريتيك مادّة كيميائية سلعية مهمّة جدًا، ويعد إنتاجه في أيّ دولة مؤشّرًا جيّدًا لقوتها الصناعية. بلغ الإنتاج العالمي عام 2004 قرابة 180 مليون طن، موزّعاً جغرافياً كما في الرسم البياني المرفق. قالب:رسم بياني دائري تُستهلَك معظم الكمّية المنتَجة من حمض الكبريتيك عالمياً (≈60%) في مجال صناعة الأسمدة، وخاصّةً السوبرفوسفات وفوسفات الأمونيوم وكبريتات الأمونيوم. يُستخدّم قرابة 20% في الصناعة الكيميائية لإنتاج المنظّفات والراتنجات الاصطناعية والأصباغ والأدوية والمحفّزات البترولية ومضادات التجمد؛ ونادراً ما يُستخدَم في صناعة المبيدات؛ بالإضافة إلى عمليّات صناعيّة مختلفة أخرى مثل الصناعة النفطية وإنتاج الألومنيوم وصناعة اللب والورق ومعالجة المياه. أمّا زهاء 6% من الاستخدامات، فهي متعلّقة في مجال صناعة الأصباغ والدهانات ووالمينا وأحبار الطباعة؛ في حين يُوزّع الباقي في العديد من التطبيقات المتنوّعة مثل إنتاج المتفجّرات والسيلوفان والأنسجة ومواد التشحيم والبطّاريات؛ ويستخدم كذلك في تركيب خلايا الوقود.

الإنتاج الصناعي للكيماويات

الاستخدام السائد لحمض الكبريتيك هو "الطريقة الرطبة" في إنتاج حمض الفسفوريك المستخدم في صناعة الأسمدة الفوسفاتية عن طريق معالجة صخور الفوسفات؛ إذ تُعالّج المواد الخام على شكل فلورأباتيت بحمض الكبريتيك بنسبة 93% لإنتاج كبريتات الكالسيوم وفلوريد الهيدروجين وحمض الفسفوريك، ويمكن تمثيل العملية بالمعادلة الكيميائية:

$\underset{\text{fluorapatite}}{\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{A}}_5(\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_3\mathrm{F}}+5\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+10\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\underset{\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{calcium sulfate}}{\text{dihydrate}}}{5\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\cdot 2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}}+\mathrm{H}\mathrm{F}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$

يُنتَج كبريتات الأمونيوم، وهو سماد نيتروجيني مهمّ، منتجاً ثانوياً من مصانع فحم الكوك التي تزوّد مصانع صناعة الحديد والصلب. ويُستحصَل على هذه المادّة من معالجة الأمونيا الناتجة عن التحلّل الحراري للفحم مع نفايات حمض الكبريتيك، الأمر الذي يسمح بتبلور الأمونيا لملح (غالبًا ما يكون بنّيًا بسبب التلوّث بالحديد) وبيعه في صناعة الكيماويات الزراعية. واستخدام حمض الكبريتيك مهمٌّ في صناعة محاليل الأصباغ. ويُستخدَم حمض الكبريتيك لصنع حمض الهيدروكلوريك من ملح الطعام عبر عملية مانهايم .

التنظيف الصناعي

يُستخدَم حمض الكبريتيك في مجال إنتاج الصلب والصناعات المعدنية من أجل عمليّات التنظيف بالحمض من أجل إزالة الصدأ والاتساخ . وعادةً ما يعاد تدوير الحمض، ويضاف إليه حمض جديد مستحصَل من معالجة أكاسيد الكبريت الناتجة من عمليات الاحتراق. ويُستخدَم حمض الكبريتيك في المختبرات لتنظيف الأسطح والأواني الزجاجية.

يمكن إضافة بيروكسيد الهيدروجين (قالب:Chem2) إلى حمض الكبريتيك لإنتاج محلول بيرانا ، وهو محلول تنظيفٍ قويٍّ ولكنّه شديد السمّيّة، ويُستخدَم عادةً في مجال الإلكترونيات الدقيقة والأواني الزجاجية.

التحفيز

يُستخدّم حمض الكبريتيك لمجموعةٍ متنوّعةٍ من الصناعات الكيميائية الأخرى على هيئة حفّاز (محفّز)، إذ يستخدَم لتحويل أوكسيم الهكسانون الحلقي إلى كابرولاكتام ، المستخدم لصنع النايلون. ويُستخدّم أيضاً في عمليّات تكرير النفط، فعلى سبيل المثال، يُستخدَم على هيئة محفّز لتفاعل إيزوبوتان مع إيزوبوتيلين لإنتاج الأيزوأوكتان ، وهو مركّب يرفع رقم الأوكتان للبنزين (وقود السيارات). ويُستخدَم حمض الكبريتيك في كثيرٍ من الأحيان كعامل تجفيفٍ أو مؤكسدٍ في التفاعلات الصناعية، مثل تجفيف السكّريات المختلفة لتكوين الكربون الصلب.

بطارية الرصاص

تحتوي منظّفات الصرف المنزلية الحمضية عادةً على حمض الكبريتيك بتركيزٍ مرتفعٍ والذي يغيّر لون قطعة من ورق الأس الهيدروجيني إلى اللون الأحمر ويفحّمها على الفور، ممّا يدلّ على الطبيعة الحمضيّة القوية.

يدخل حمض الكبريتيك في تركيب بطّاريات الرصاص الحمضية على هيئة كهرل (إلكتروليت ):

عند المصعد :

$\mathrm{P}\mathrm{b}+\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{2-}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+2\text{e}{\phantom{A}}^{-}$

عند المهبط :

$\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{2-}+2\text{e}{\phantom{A}}^{-}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

التفاعل الإجمالي:

$\mathrm{P}\mathrm{b}+\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{2-}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}2\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

استخدامات متفرقة

يُستخدّم حمض الكبريتيك بتراكيز مرتفعة في تركيب مستحضرَات منظّفات الصرف الحمضية المنزلية والتي تُستخدَم لإزالة الدهون والشعر والمناديل الورقية وغير ذلك، إذ تستطيع إذابة الدهون والبروتينات عن طريق التحلّل المائي. ويُستخدَم حمض الكبريتيك في المختبرات الكيميائية من أجل إذابة المواد العضوية.

المخاطر

مخاطر المختبر

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

تعرّض 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 قادرٌ على التسبّب بحروقٍ شديدةٍ للغاية، خاصّةً عندما يكون بتركيزات عالية. كما هو الحال مع الأحماض والقلويّات الأخرى المسبّبة للتآكل، فهو قادرٌ بسهولة على تفكيك البروتينات والدهون من خلال التحلّل المائي للأميدات والإسترات عند ملامسته للأنسجة الحيّة، مثل الجلد واللحم. بالإضافة إلى ذلك، فهو يُظهر قدرةً كبيرةً على نزع الماء من الكربوهيدرات، ممّا يؤدّي إلى تحرير الحرارة الزائدة والتسبّب في حروق ثانوية.

في حال ملامسته للعين، فإنّ حمض الكبريتيك يهاجم القرنية ويمكن أن يسبّب العمى الدائم إذا لامس العين. وفي حالة تناوله، فإنّه يلحق الضرر بالأعضاء الداخلية بشكلٍ لا رجعة فيه (غير عكوس) وقد يكون مميتًا. لذلك ينبغي دائمًا استخدام معدّات الوقاية عند التعامل به، وإنّ الأكسدة القوية التي يتمتّع بها تجعله مادة أكّالة للعديد من الفلزات وقد يمتدّ التآكل إلى مواد أخرى. ولهذه الأسباب، من المحتمل أن يكون الضرر الناتج عن حمض الكبريتيك أكثر خطورةً من الضرر الذي تسبّبه الأحماض القوية الأخرى المماثلة، مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك.

تُعالِج الإسعافات الأولية لانسكابات الأحماض على الجلد بسكب كمّيّات كبيرة من الماء والصابون، كما هو الحال مع العوامل الأكّالة الأخرى. يستمرّ الغسيل لمدّة لا تقلّ عن عشر دقائق إلى خمس عشرة دقيقة لتبريد الأنسجة المحيطة بمكان الحرق الحمضي ولمنع حدوث أضرار ثانوية، تُنزَع أو تُزال الملابس الملوّثة على الفور ويُغسَل الجلد تحتها جيّدًا. تُصنَّف المحاليل التي تعادل أو تزيد عن 1.5 مولار على أنها "مسبّبة للتآكل"، بينما تُصنَّف المحاليل التي تزيد عن 0.5 مولار ولكن أقلّ من 1.5 مولار على أنها "مهيّجة". ومع ذلك، حتى الدرجة المخفّفة العادية في المختبر (تقريبًا 1 مولار، 10%) ستحرق الورق إذا تُركت على تماس لفترة كافية. يجب تخزين حمض الكبريتيك بعناية في حاويات مصنوعة من مواد غير نشيطة كيميائياً (مثل الزجاج)، ويجب وضعها في أماكن معزولة ومهوّاة وبعيدة عن المصادر الحرارية، ويجب أن تكون الحاويات مغلقة بإحكام وعليها بطاقات التوصيف الملائمة.

مخاطر التخفيف

يمكن أن يكون تحضير الحمض المخفّف خطيرًا بسبب الحرارة المنبعثة والمنتشرة أثناء عملية التخفيف. ولتجنّب تناثر الحمض، عادةً ما يُضاف الحمض المركّز إلى الماء وليس العكس، وهناك قول مأثور يستخدم للتذكير، وهو قالب:إنج والذي يُترجم إلى "افعل كما ينبغي، أضف الحمض إلى الماء". يتمتّع الماء بسعة حرارية أعلى من الحمض، وبالتالي فإن وعاء من الماء البارد سوف يمتصّ الحرارة عند إضافة الحمض.

مقارنة حمض الكبريتيك والماء

الخاصية الفيزيائية	قالب:Chem2	قالب:Chem2	الوحدات
الكثافة	1.84	1.0	كغ/لتر
السعة الحرارية الحجمية	2.54	4.18	كيلوجول/لتر
نقطة الغليان	337	100	درجة مئوية

وأيضًا، لأنّ الحمض أكثر كثافة من الماء، فإنه يهبط إلى قاع الوعاء، وتتولّد الحرارة عند السطح البيني بين الحمض والماء، الموجود في قاع الوعاء. الحمض لا يغلي بسبب ارتفاع درجة غليانه، وان ارتفاع الماء الدافئ بالقرب من السطح بسبب الحمل الحراري يعمل على تبريد السطح، ويمنع غليان الحمض أو الماء. على العكس من ذلك، إضافة الماء إلى حمض الكبريتيك المركز يؤدّي إلى تكوّن طبقة رقيقة من الماء على سطح الحمض. تتولّد الحرارة في هذه الطبقة الرقيقة من الماء ويمكن أن تغلي، ممّا يؤدّي إلى انتشار رذاذ حمض الكبريتيك أو قد يسبّب انفجار.

إنّ تحضير محاليل بتركيز أكبر من 6 مولار (35%) يعتبر خطيرًا، ما لم يُضاف الحمض ببطء كافٍ للسماح للخليط بوقت كافٍ لكي يبرد. وإلّا، فإنّ الحرارة الناتجة قد تكون كافيةً لغليان الخليط. وإنّ التحريك الميكانيكي الفعّال والتبريد الخارجي (مثل الحمّام الثلجي ) ضروريان في عملية التخفيف. وتتضاعف معدّلات التفاعل عند كلّ زيادة قدرها 10 درجات مئوية في درجة الحرارة. لذلك، سيصبح التفاعل أكثر عنفًا مع استمرار عملية التخفيف، ما لم يُعطَ الخليط وقتًا كافياً ليبرد. إنّ إضافة الحمض إلى الماء الدافئ سيسبّب تفاعلًا عنيفًا. في المختبر، يمكن تخفيف حمض الكبريتيك عن طريق سكب الحمض المركّز على الثلج المسحوق المُجمّد من الماء منزوع الأيونات. يذوب الثلج في عملية ماصّة للحرارة أثناء إذابة الحمض، وكمّيّة الحرارة اللازمة لإذابة الثلج في هذه العملية أكبر من كمّيّة الحرارة المتولّدة من إذابة الحمض، وبالتالي تبقى المحلول باردًا. بعد ذوبان كلّ الثلج، يمكن إجراء المزيد من التخفيف باستخدام الماء.

المخاطر الصناعية

إنّ حمض الكبريتيك غير قابل للاشتعال. أمّا بالنسبة للمخاطر المهنية الرئيسية التي يشكّلها هذا الحمض هي ملامسة الجلد التي تؤدّي إلى حروق، أو استنشاق الرذاذ. في الولايات المتحدة، يبلغ التعرّض المسموح للحمض بمقدار 1 مغ/م³، والحدود في البلدان الأخرى مقاربة. يؤدّي التعرّض للرذاذ بتركيزات عالية إلى تهيّج شديد وفوري للعينين، والجهاز التنفسي، والأغشية المخاطية؛ بالإضافة إلى وجود خطر حدوث وذمة رئوية لاحقة إذا كان الضرر النسيجي أكثر شدّة. أمّا في التركيزات المنخفضة، فإنّ الأعراض الأكثر شيوعًا للتعرّض المزمن لرذاذ حمض الكبريتيك هو تآكل الأسنان، والذي وجد في جميع الدراسات تقريبًا؛ ويؤدّي التعرّض المتكرّر لرذاذ حمض الكبريتيك إلى تهيّج الجهاز التنفسي وتزيد احتمالية الإصابة بسرطان الرئة بنسبة تصل إلى 64%.

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

الهوامش

ملاحظات

مصطلحات

المراجع

فهرس الإحالات

المنشورات

بالعربية

بالألمانية

بالإنجليزية

بالفرنسية

وب

بالإنجليزية

معلومات المراجع

المقالات المحكمة

بالألمانية

• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات

بالإنجليزية

• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات

بالفرنسية

• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات

الكتب

بالعربية

• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات

بالألمانية

• قالب:استشهاد بويكي بيانات

بالإنجليزية

• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات
• قالب:استشهاد بويكي بيانات

بالفرنسية

• قالب:استشهاد بويكي بيانات