Kyselina sírová

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.

Kyselina sírová
Strukturní vzorec
Prostorový model
10% roztok
Obecné
Systematický název	Kyselina sírová
Ostatní názvy	vitriol, olej vitriolu, aqua vitrioli
Latinský název	Acidum sulphuricum
Anglický název	Sulfuric acid
Německý název	Schwefelsäure
Sumární vzorec	H2SO4
Vzhled	bezbarvá olejovitá kapalina
Identifikace
Registrační číslo CAS	7664-93-9
EC-no (EINECS/ELINCS/NLP)	231-639-5
Indexové číslo	016-020-00-8
UN kód	1830 (technická) 2796 (akumulátorová) 1832 (odpadní)
Číslo RTECS	WS5600000
Vlastnosti
Molární hmotnost	98,078 48 g/mol
Molární koncentrace cM	18,68 mol/dm3 (20 °C) 15,28 mol/dm3 (20 °C, 60% roztok)
Teplota tání	10,36 °C
Teplota varu	273 °C (1 013 hPa, 100% kyselina) 310–335 °C (1 013 hPa, 98% kyselina)
Teplota rozkladu	338 °C
Hustota	1,852 84 g/cm³ (0 °C) 1,832 13 g/cm³ (20 °C) 1,822 05 g/cm³ (25 °C) 1,498 7 g/cm³ (20 °C, 60% roztok)
Dynamický viskozitní koeficient	48,4 cP (0 °C) 32,8 cP (15 °C) 25,4 cP (20 °C) 15,7 cP (30 °C) 11,5 cP (40 °C) 5,917 cP (20 °C, 60% roztok)
Kinematický viskozitní koeficient	3,948 cS (20 °C, 60% roztok)
Index lomu	nD = 1,429 22 nD = 1,407 7 (20 °C, 60% roztok)
Disociační konstanta pKa	−3; 1,99
Rozpustnost ve vodě	neomezená mísitelnost (exotermní reakce)
Měrná magnetická susceptibilita	−4,996×10−6 cm3 g−1
Povrchové napětí	55,1 mN/m (20 °C)
Termodynamické vlastnosti
Standardní slučovací entalpie ΔHf°	−814,378 kJ/mol
Entalpie rozpouštění ΔHrozp	−945,5 J/g (20 °C) −971,8 J/g (25 °C)
Standardní molární entropie S°	156,98 J K−1 mol−1
Standardní slučovací Gibbsova energie ΔGf°	−690,431 kJ/mol
Izobarické měrné teplo cp	1,417 J K−1 g−1
Bezpečnost
GHS05 [1] Nebezpečí[1]
H-věty	H314
R-věty	R35
S-věty	(S1/2) S26 S30 S45
NFPA 704	0 3 2 COR
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa). Některá data mohou pocházet z datové položky.

Příprava a výroba

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

Tato část článku není dostatečně ozdrojována, a může tedy obsahovat informace, které je třeba ověřit.

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

${\displaystyle {\ce {S(s) + O2(g) -> SO2(g)}}}$

nebo pražením pyritu či markazitu

${\displaystyle {\ce {4FeS2(s) + 11O2(g) -> 8SO2(g) + 2Fe2O3(s)}}}$

nebo pražením sulfidu železnatého či jiných sulfidů

${\displaystyle {\ce {4FeS + 7O2(g) -> 4SO2(g) + 2Fe2O3(s)}}}$

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

${\displaystyle {\ce {2SO2(g) + O2(g) ->[{\ce {V2O5}}] 2SO3(g)}}}$ (tzv. kontaktní způsob)

${\displaystyle {\ce {SO2(g) + NO2(g) -> SO3(g) + NO(g)}}}$ (tzv. komorový způsob)

Nakonec reakcí oxidu sírového s vodou vzniká kyselina sírová

${\displaystyle {\ce {SO3(g) + H2O(l) -> H2SO4(aq)}}}$

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

${\displaystyle {\ce {SO3(g) + H2SO4(aq) -> H2S2O7(aq)}}}$

${\displaystyle {\ce {H2S2O7(aq) + H2O(l) -> 2H2SO4(aq)}}}$

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

${\displaystyle {\ce {SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}}}$

${\displaystyle {\ce {SO3 + H2S2O7 -> H2S3O10}}}$

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.

${\displaystyle {\ce {H2SO4(aq) + Zn(s) -> H2(g) + ZnSO4(aq)}}}$

Kyselina sírová reaguje se zinkem za vzniku vodíku a síranu zinečnatého

${\displaystyle {\ce {3H2SO4(aq) + 2Al(s) -> 3H2(g) + Al2(SO4)3(aq)}}}$

Kyselina sírová reaguje s hliníkem za vzniku vodíku a síranu hlinitého

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

${\displaystyle {\ce {CuO(s) + H2SO4(aq) -> H2O(l) + CuSO4(aq)}}}$

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

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

${\displaystyle {\ce {2NH3(g) + H2SO4(aq) -> (NH4)2SO4(aq)}}}$

resp.

${\displaystyle {\ce {2NH4OH(aq) + H2SO4(aq) -> (NH4)2SO4(aq) + H2O(l)}}}$

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:

${\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2(s) + H2SO4(aq) -> 2CaHPO4(aq) + CaSO4(s)}}}$

${\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2(s) + 2H2SO4(aq) -> Ca(H2PO4)2(aq) + 2CaSO4(s)}}}$

${\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2(s) + 3H2SO4(aq) -> 2H3PO4(aq) + 3CaSO4(s)}}}$

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.^[2]

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 veřejnost nemůže držet ani kupovat přípravky s obsahem kyseliny sírové více než 15% hmotnosti^[3]

Reference

1. Sulfuric acid. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov [online]. PubChem [cit. 2021-05-23]. Dostupné online. (anglicky)
2. KEMNITZ, E.; WERNER, C.; TROJANOV, S. Reinvestigation of Crystalline Sulfuric Acid and Oxonium Hydrogensulfate. Acta Crystallographica Section C Crystal Structure Communications. 1996-11-15, roč. 52, čís. 11, s. 2665–2668. Dostupné online [cit. 2023-09-30]. DOI 10.1107/S0108270196006749.
3. NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY č. 2019/1148, o uvádění prekurzorů výbušnin na trh a o jejich používání, změně nařízení (ES) č. 1907/2006 a zrušení nařízení (EU) č. 98/2013, § 5, příloha 1. [cit. 2023-05-28]. Dostupné online.

Literatura

• VOHLÍDAL, JIŘÍ; ŠTULÍK, KAREL; JULÁK, ALOIS. Chemické a analytické tabulky. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, 1999. ISBN 80-7169-855-5.

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu kyselina sírová na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo kyselina sírová ve Wikislovníku
• Sulfuric acid – UNEP publication (vliv na prostředí, toxikologie, angl.)

Portály: Chemie