גופרית דו-חמצנית

גופרית דו-חמצנית, תרכובת אי-אורגנית שנוסחתה (SO₂). הגופרית הדו-חמצנית היא גז רעיל בעל ריח מגרה חזק המהווה את אחד ממזהמי האוויר הנפוצים, והקשים, בעיקר בשל התרכבותה באטמוספירה עם חמצן ומים לקבלת חומצה גופרתית, המהווה את אחד מהמרכיבים של הגשם החומצי.

גפרית דו-חמצנית

מולקולת גפרית דו-חמצנית אורך הקשר -בפיקומטרים
מודל נפחי של המולקולה
שם סיסטמטי	Sulfur-dioxide
שמות נוספים	Sulfurous anhydride
כתיב כימי	SO₂
מסה מולרית	64.066 גרם/מול
מראה	גז
מספר CAS	7446-09-5
צפיפות	0.0026288 גרם/סמ"ק
מצב צבירה	גז
טמפרטורת היתוך	−72 °C 201.15 K
טמפרטורת רתיחה	-10 °C 263.15 K
חומציות	1.81 ‏pKa
אנתלפיית התהוות סטנדרטית	−296.9 קילוג'ול למול
אנטרופיה מולרית תקנית	248.2±0.05 ג'ול למול־קלווין

גופרית דו-חמצנית עשויה להיווצר באופן מלאכותי, בעיקר, כתוצאה מפעילותם של תחנות כוח הפועלות על פחם או גז טבעי, וגם באופן טבעי כתוצאה מפעילות הרי געש.

גופרית דו-חמצנית מיוצרת בתעשייה הכימית בקנה מידה עצום, כחלק מתהליך הייצור של חומצה גופרתית, המהווה את השימוש העיקרי והחשוב ביותר של חומר זה.

בנוסף, הגופרית הדו-חמצנית משמשת כחומר משמר הנקרא גם E-220 בייצור פירות יבשים ויין.

מבנה

רזוננס כימי במולקולת גפרית דו-חמצנית

המולקולה כפופה וחבורת הסימטריה שלה C2v. לגפרית, כמו לחמצן, 6 אלקטרוני ערכיות אך הקשרים הכימיים ב-SO₂ אינם זהים לאלו שבאוזון. אורך הקשר גפרית חמצן בגפרית דו-חמצנית -143.1 פיקומטר, קצר מזה שבגפרית חד-חמצנית SO -‏ 148.1 פיקומטר בעוד שקשרי חמצן-חמצן ארוכים יותר באוזון מאשר בחמצן. גם אנרגיית הקשר S-O גדולה יותר בגפרית דו-חמצנית -SO₂ 548 קילוג'אול למול לעומת גפרית חד-חמצנית SO₂ 524 קילוג'אול למול בעוד שאנרגיית הקשר באוזון נמוכה מזו שבחמצן. הבדלים אלו מרמזים שסדר הקשר בגפרית דו-חמצנית הוא 2 לעומת 1.5 באוזון

יצירת החומר

שרפה

גפרית דו-חמצנית מופקת בשרפה של גפרית ${\displaystyle S_{8}+8O_{2}\Rightarrow 8SO_{2}}$
וכן בתגובה של מימן גופרתי עם חמצן ${\displaystyle 2H_{2}S+3O_{2}\Rightarrow 2H_{2}O+2SO_{2}}$
כמויות ניכרות של גפרית דו-חמצנית נוצרות בשריפת חומרים אורגניים עתירי גופרית כדוגמת צמר ושיער הבנויים בעיקר מהחלבון קרטין שלו תכולה גבוהה של ציסטאין. החומר נוצר גם בשרפה של מוצרי גומי וגומי מוקצף מגופרים למשל בשרפה של מזרנים וכריות וכן בשריפת צמיגים. גם חימום של מינרלים כפיריט, ספלריט וצינובר יוצר גפרית דו-חמצנית. ${\displaystyle FeS_{2}+11O_{2}\Rightarrow 2Fe_{2}O_{3}+8SO_{2}}$
${\displaystyle ZnS+3O_{2}\Rightarrow 2ZnO+2SO_{2}}$
${\displaystyle HgS+1.5O_{2}\Rightarrow HgO+SO_{2}}$
תגובות אלו מתרחשות בעת התפרצויות געשיות ואחראיות לשחרור מיליוני טונות של גפרית דו-חמצנית לאטמוספירה

חיזור

SO₂ היא תוצר לוואי של ייצור סידן סיליקט (Ca₂SiO₃) בתעשיית המלט ${\displaystyle CaSO_{4}+2SiO_{2}+C\Rightarrow 2CaSiO_{3}+2SO_{2}+CO_{2}}$
הגז נוצר גם מהפעלת חומצה גופרתית חמה על נחושת ${\displaystyle Cu+2H_{2}SO_{4}\Rightarrow CuSO_{4}+SO_{2}+2H_{2}O}$

שימושים

בזיקוק נפט

בתהליך קלאוס (Claus process) גפרית דו-חמצנית משמשת להוצאת מימן גופרתי מגז טבעי ומתערובות גזים הנוצרות בזיקוק נפט. ${\displaystyle SO_{2}+2H2S\Rightarrow 3S+2H_{2}O}$

הפקת חומצה גופרתית

לייצור חומצה גופרתית מחמצנים גפרית דו-חמצנית לגפרית תלת חמצנית SO₃ באמצעות חמצן (מבוצע על זרז המבוססת על ונדיום): ${\displaystyle 2SO_{2}+O_{2}\Rightarrow 2SO_{3}}$

ובהמשך מגיבים את הגופרית התלת-חמצנית עם מים, לקבלת חומצה גופרתית: ${\displaystyle SO_{3}+H_{2}O\Rightarrow H_{2}SO_{4}}$

שימור מזון

גפרית דו-חמצנית משמשת לשימור של פירות יבשים כדוגמת משמשים. יתרונו בשמירה על מראה הפרי. כתוסף מזון יסומן כ E220.

שימור יין

גפרית דו-חמצנית משמשת הן כחומר אנטי-בקטריאלי והן כנוגד חמצון ביינות, מניעת התפתחות חיידקים מונעת התפתחות חומצות נדיפות ביין. החומר נמצא ביין כמולקולה חופשית או קשורה. קישור SO2 יכול להיות, למשל לקבוצה הקרבונילית של אצטאלדהיד והוא משתנה בין יינות שונים. החלק החופשי נמצא בשיווי משקל בין SO2 מומס ליון סולפיט SO₃^- ככל שהpH של היין גבוה (בסיסי) שיווי המשקל יטה לכיוון הסולפיט וריכוז הSO2 החופשי שהוא הפעיל בשימור היין ועשוי לגרום להופעת ריח יעלה בריכוז בPH נמוך (חומצי). שימוש בגפרית דו-חמצנית מחייב סימון על התווית "מכיל סולפיט". ריכוז החומר במשקה מוגבל בארצות הברית ל-350 מיליגרם לליטר ובארצות האיחוד האירופי ל-160 מ"ג לליטר ביינות אדומים ו-210 מ"ג לליטר ביינות לבנים או ביין רוזה.

הנדסת אקלים משוערת

פיזור תרחיף גפרית דו-חמצנית בגובה רב, היכולה לשמש גם כ"גז מזגנים"(אנ'), מוצעת במודלים(אנ') של הנדסת אקלים כנוגדת השפעות גזי חממה, כדי לייצב את הטמפרטורה העולמית הממוצעת. השפעה דומה נצפתה לאחר התפרצות הר הגעש פינטובו שבפיליפינים. אפשרות זו נבדקה באופן ראשוני, והשלכותיה הכוללות אינן ברורות, בהן תהליך הרס מואץ של שכבת האוזון ועלייה ניכרת בכמות המשקעים^[1].

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא גופרית דו-חמצנית בוויקישיתוף

• MSDS (גיליון בטיחות חומרים) של גופרית דו-חמצנית (אנגלית)
• גופרית דו-חמצנית אתר המשרד להגנת הסביבה
• גופרית דו-חמצנית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

הערות שוליים

1. NEW APPROACH TO GEOENGINEERING SIMULATIONS IS SIGNIFICANT STEP FORWARD, לאורה סניידר, תאגיד האוניברסיטאות לחקר אטמוספירי UCAR(אנ'),‏ 6 בנובמבר 2017