اسید سولفوریک

اسید سولفوریک از جمله اسید های بسیار معروف  می باشد. اسید سولفوریک اسید معدنی بسیار قوی می‌باشد. این اسید با هر درصدی در آب حل می‌شود.

اسید سولفوریک در گذشته به نام جوهر گوگرد معروف بوده است. وقتی غلظت بالایی از گازی به اسید سولفوریک اضافه  می‌شود، الئوم یا اسید سولفوریک دود کننده به فرمول ایجاد می‌شود. واکنش اسید سولفوریک با آب بسیار گرمازا می‌باشد. اضافه کردن آب به اسید سولفوریک غلیظ خطرناک است. زیرا در اثر حرارت حاصل از واکنش اسید و آب ، آب داغ ممکن است به اطراف پراکنده شود.

بنابراین آن را با آرامی به آب اضافه می‌کنند. این مساله بدلیل پایین بودن دانسیته آب نسبت به اسید سولفوریک می‌باشد که آب میل دارد روی اسید قرار گیرد. میل ترکیبی اسید سولفوریک با آب بقدری بالاست که می‌تواند مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن را از بقیه ترکیبات بصورت آب جدا کند. به عنوان مثال مخلوط کردن گلوکز و اسید سولفوریک ، عنصر کربن و آب ایجاد می‌کند.

اسید سولفوریک قسمت عمده باران اسیدی می‌باشد که از آلاینده‌های جوی مثل حاصل از کارخانه‌ها با آب باران بوجود می‌آید.

 

تاریخچه

اسید سولفوریک در قرن نهم توسط شیمیدان ایرانی به نام زکریای رازی کشف شد. او اسید سولفوریک را از طریق تقطیر خشک کانی‌هایی که شامل سولفات آهن که زاج سبز نامیده می‌شود و سولفات مس که کات کبود نامیده می‌شد بدست آورد. حرارت هر یک از این ترکیبات باعث تجزیه آنها و ایجاد اکسید آهن II یا اکسید مس II ، آب و می‌گردد. ترکیب آب و حاصل شده ، محلول رقیق اسید سولفوریک ایجاد می‌کند.

این روش با ترجمه متون علمی و کتاب‌های دانشمندان مسلمان ایرانی توسط شیمیدان‌های اروپایی در قرون وسطی مانند آلبرت ماگنوس در اروپا شناخته شد و به این دلیل اسید سولفوریک را شیمیدان‌های قرون وسطی به نام جوهر گوگرد شناختند.

در قرن هفدهم ، جان گلوبر ، اسید سولفوریک را از سوزاندن سولفورو نیترات پتاسیم در مجاورت بخار آب تهیه کرد. در سال 1746 ، جان روبک اسید سولفوریک را با غلظت 40-35% در ظروف سربی تولید می‌کرد. جوزف گیلوساک با اصلاح روش روبک ، اسید سولفوریکی با غلظت 78% بدست آورد.

با این همه صنایع رنگرزی و سایر صنایع شیمیایی خواهان اسید سولفوریک با غلظت بالاتر بودند. در اواسط قرن 18 این امر با روش تقطیر خشک کانی‌ها ، شبیه همان روش اولیه رازی ممکن شد. در این روش سولفید آهن در اثر حرارت در هوا تولید سولفات آهن II می‌کند و فراورده حاصل با حرارت اضافی اکسید شده و تولید سولفات آهن III می‌کند که آن هم در اثر حرارت در 480 درجه سانتیگراد تجزیه شده و اکسید آهن و ایجاد می‌کند. عبور دادن به آرامی از میان آب ، اسید سولفوریک با غلظت بالا ایجاد می‌کند.

کاربرد اسید سولفوریک

اسید سولفوریک جزء مواد شیمیایی پراستفاده می‌باشد. این ماده در واکنش‌های شیمیایی و فرآیندهای تولید سایر ترکیبات ، کابرد فراوانی دارد. عمده‌ترین استفاده آن در کارخانه‌های تولید کود شیمیایی ، استخراج فلزات ، سنتزهای شیمیایی ، تصفیه پساب‌ها و پالایشگاه‌های نفت می‌باشد. اسید سولفوریک در اثر واکنش با اسید نیتریک ، یون نیترونیوم تولید می‌کند که در فرآیند نیترو‌دار کردن ترکیبات استفاده می‌شود.

فرآیند نیترودار کردن در صنایع تولید مواد منفجره مانند تولید تری‌نیتروتولوئن (TNT) ، نیترو گلیسیرین و ... استفاده می‌شود. اسید سولفوریک در انباره‌های سربی (باطری‌های سربی) به عنوان محلول الکترولیت استفاده می‌شود.

اسید سولفوریک ، یک عامل آبگیری بسیار قوی است. در اکثر واکنش‌ها به عنوان عامل هیدراتاسیون استفاده می‌شود و در تولید میوه‌های خشک هم به میزان کم ، از اسید سولفوریک برای جذب آب استفاده می‌کنند.

تولید صنعتی اسید سولفوریک به روش تماسی

در سال 1832 یک تاجر انگلیسی سرکه ، روشی اقتصادی برای تولید و اسید سولفوریک غلیظ ابداع کرد که امروزه به نام فرآیند تماسی معروف است و قسمت اعظم اسید سولفوریک در دنیا به این روش تولید می‌گردد. این فرآیند در سه مرحله صورت می‌گیرد که عبارتند از :

• تهیه و خالص سازی :
  خالص سازی و هوا برای جلوگیری از مسموم‌شدن کاتالیزور لازم است. گازها پس از شستشو با آب ، با اسید سولفوریک خشک می‌شوند.
  
  
• اکسیداسیون کاتالیکی به :
  با در دمای بالاتر از 450 درجه سانتیگراد و فشار 2atm و کاتالیزور پنتا اکسید وانادیم ، واکنش داده و تولید می‌کند. تولید شده از میان تبادلگر گرمایی عبور داده شده و در اسید سولفوریک غلیظ حل شده و تولید الئوم می‌کند. به دلیل اینکه انحلال در آب بسیار گرمازا بوده و بجای اسید سولفوریک مایع ، مه تولید می‌شود، انحلال مستقیم در آب عملی نمی‌باشد.
  
  
• تولید :
  اولئوم با آب واکنش داده و اسید سولفوریک تولید می‌کند.

خواص فیزیکی
اسید سولفوریک	نام
H2SO4	فرمول
مایع بیرنگ	ظاهر
98gr/mol	وزن مولکولی
10 درجه سانتیگراد	دمای ذوب
337 درجه سانتیگراد	نقطه جوش
1.8gr/cm^3	دانسیته

نکات ایمنی

اسید سولفوریک ، اسید بسیار قوی و خورنده می‌باشد. نوشیدن آن باعث آسیب‌های شدید دائمی در دهان و سایر بافت‌های مورد تماس می‌شود. تنفس آن بسیار خطرناک بوده و باعث آسیب‌های جدی می‌شود. در صورت تماس با پوست و چشم باعث سوزش و ایجاد زخم می‌شود. در صورت تماس پوست و چشم با آن ، باید با آب فراوان شستشو داده و سپس از محلول بی‌کربنات سدیم یک درصد برای شستشو موضع مورد تماس استفاده گردد.

 

نقطه جوش وروش اندازه گیری آن

نقطه جوش

نقطه جوش یک مایع به صورت درجه حرارتی تعریف می‌شود که در آن فشار بخار مایع برابر با فشار بیرونی باشد. چنانچه فشار خارج 760 میلیمتر جیوه باشد. یک مایع وقتی خواهد جوشید که فشار بخار آن برابر با این مقدار باشد. برای مثال آب وقتی در دمای 100Cْ خواهد جوشید که فشار خارجی و فشار بخار آن برابر با 760 مییلیمتر جیوه باشد. در فشار 526 میلیمتر جیوه آب در 90Cْ می‌جوشد و اگر فشار را به 9.2 میلیمتر برسانیم نقطه جوش آب در 10Cْ خواهد بود به این علت است که نقطه جوش آب در ارتفاعات کمتر از مناطق نزدیک به سطح دریا می‌باشد.

فشار بخار

مولکولهای یک مایع دارای انرژی جنبشی هستند و انرژی جنبشی مولکول معینی از یک مایع ضمن برخورد با سایر مولکولها دائما تغییر می‌کند. در یک لحظه معین تعدادی از مولکولها دارای انرژی نسبتا زیاد و تعدادی دارای انرژی نسبتا کمی هستند مولکولهایی که انرژی جنبشی آنها زیاد است می‌توانند بر نیروی جاذبه مولکولهای اطراف خود غلبه کرده و از سطح مایع فرار کرده و وارد فاز گاز می‌شوند.

اگر مایع در حال تبخیر در یک ظرف سربسته‌ای محبوس باشد مولکولهای بخار نمی‌توانند از نزدیکی مایع دور شوند و تعدادی از مولکولهای بخار به فاز مایع بر می‌گردند سرانجام حالتی پیش می‌آید که در آن سرعت فرار مولکولها از فاز مایع به بخار (تبخیر) و سرعت برگشت مولکول از فاز بخار به مایع (میعان) برابر می‌شود. فشار بخاری که در دمای معین با مایع خود در حال تعادل است، فشار بخار نامیده می‌شود.

چگونگی جوشیدن یک مایع

وقتی که فشار بخار یک مایع با فشار جو برابر می شود، مایع شروع به جوشیدن می‌کند. در این دما ، بخار حاصل در داخل مایع سبب ایجاد حباب و غلیان خاص جوشش می‌شود. تشکیل حباب در دمای پایینتر از نقطه جوش غیر‌ ممکن است، زیرا فشار جو بر سطح مایع که بیش از فشار داخل آن است، مانع از تشکیل حباب می‌شود. دمای مایع در حال جوش تا هنگامی که تمام مایع بخار نشده است، ثابت می‌ماند در یک ظرف بدون درپوش حداکثر فشار بخاری که هر مایع می‌تواند داشته باشد برابر با فشار جو می‌باشد.

فشار بخار هر مایع تنها از روی دما معین می‌شود. بنابراین اگر فشار بخار ثابت باشد دما نیز ثابت است. برای ثابت ماندن دمای یک مایع در حال جوش باید به آن گرما داده شود. زیرا در فرایند جوش مولکولهای با انرژی زیاد از مایع خارج می‌شوند. اگر سرعت افزایش گرما بیش از حداقل لازم برای ثابت نگهداشتن دمای مایع در حال جوش باشد، سرعت جوشش زیاد می‌شود ولی دمای مایع بالا نمی رود.

تاثیر فشار در نقطه جوش

نقطه جوش یک مایع با تغییر فشار خارجی تغییر می‌کند. نقطه جوش نرمال یک مایع ، دمایی است که در آن فشار بخار مایع برابر با یک اتمسفر باشد. نقطه جوش داده شده در کتابهای مرجع ، نقاط جوش نرمال می‌باشند. نقطه جوش یک مایع را می‌توان از منحنی فشار بخار آن بدست آورد و آن دمایی است که در آن فشار بخار مایع با فشار وارد بر سطح آن برابری می‌کند.

نوسانات فشار جو در یک موقعیت جغرافیایی ، نقطه جوش آب را حداکثر تا 2Cْ تغییر می‌دهد. ولی تغییر محل ممکن است باعث تغییرات بیشتر شود، متوسط فشاری که هواسنج در سطح دریا نشان می‌دهد یک اتمسفر ، ولی در ارتفاعات بالاتر کمتر از این مقدار است. مثلا در ارتفاع 5000 پایی از سطح دریا متوسط فشاری که فشارسنج نشان می‌دهد 0.836atm است و نقطه جوش آب در این فشار 95.1Cْ می‌باشد.

پایین آوردن نقطه جوش یک مایع

اگر نقطه جوش نرمال مایعی بالا باشد یا مایع در اثر گرما تجزیه شود، می‌توان با کاهش فشار آن را در دماهای پایین به جوش آورد از این روش برای تقطیر مایعات در خلا استفاده می‌شود. مثلا با کاهش فشار تا 0.0121atm می‌توان نقطه جوش 10Cْ که بطور قابل ملاحظه‌ پایینتر از دمای معمولی است، رساند. با کاهش فشار می‌توان آب غیر ضروری بسیاری از فراورده های غذایی را خارج کرده و آنها را تغلیظ کرد. در این روش دمای فراورده مورد نظر به دمایی که ممکن است سبب تجزیه یا تغییر رنگ آن شود، نمی‌رسد.

جدول تغییرات نقطه جوش آب و بنزن بر اثر تغییر فشار
نقطه جوش بنزن بر حسب Cْ	نقطه جوش آب بر حسب Cْ	فشار بر حسب mmHg
81.2	100.7	770
80.8	100.4	770
80.1	100	750
79.9	99.6	750
79.5	99.3	750
71.2	92.8	584

 

مخلوطهایی با نقطه جوش ثابت یا آزئوتروپ

بسیاری از مخلوطهای دوتایی ترکیبات آلی تشکیل مخلوطهایی با نقطه جوش ثابت می‌دهند. گاهی سه سازنده در چنین مخلوطی وجود دارند. یعنی آنها مخلوطهایی با نقطه جوش مینیمم هستند اما استثناهایی هم وجود دارد (مخلوط آزئوتروپ آب و اسید فرمیک که نقطه جوش مخلوط بالاتر از نقطه جوش هر یک از اجزا به تنهایی است).

چنانچه مخلوط اولیه A+B نسبت به جزء A غنی‌تر باشد در اثر تقطیر جز به جز ابتدا مخلوط بر اثر تقطیر با نقطه جوش ثابت و با ترکیب درصد M جدا می‌شود. وقتی همه B به این طریق جدا شد، پس از آن باقیمانده A خواهد بود که با ادامه تقطیر به صورت خالص بدست می‌آید. از این روش برای تخلیص انواع مایعات استفاده می‌شود.

جدول نمونه‌ای از مخلوطهای آزئوتروپ
نام ترکیب	نقطه جوش هر ترکیب	نقطه جوش مخلوط	درصد وزنی
ایزوپروپیل آب	82.3 100	80.4	87.4 12.6
اتیل الکل تتراکلرید کربن	78.3 76.5	65	20 80
اسید فرمیک آب	100.8 100	107.3	22.6 77.4

اندازه گیری نقطه جوش به روش میکرو:
انتهای دو لوله مویین تمیز یک میلی متری را به وسیله حرارت شعله بسته و به هم متصل کنید و در حدود سه یا چهار میلی متر پایین تر آنرا صاف ببرید مانند شکل  (1- محل اتصال 2- محل برش).

یک لوله شیشه ای 4 میلی متری مطابق شکل 2 تهیه کنید و آنرا با یک حلقه لاستیکی به یک گرما سنج متصل کنید حدود 2 قطره از مایع مورد آزمایش را به کمک پیپت مویین در انتهای لوله 4 میلی متری قرار دهید و لوله مویین جوش را در آن داخل کنید چنانچه سطح نمونه مایع در زیر محل اتصال لوله مویین باشد آنقدر از نمونه اضافه کنید تا سطح مایع به بالای اتصال برسد. گرماسنج و لوله های متصل به آنرا در داخل حمامی که بتوان آنرا گرم کرد قرار دهید و مواظب باشید که حلقه لاستیکی در بالای سطح مایع باشد. درجه حرارت را به سرعت بالا ببرید تا حبابهای تند و مداومی از لوله مویین جوش خارج شود. در این حال حرارت را قطع کنید. با سرد شدن تدریجی حمام سرعت خروج حباب کم میشود. در لحظه ای که خروج حباب کاملا متوقف میشود و مایع شروع به بالا رفتن از داخل لوله مویین میکند درجه حرارت گرما سنج را یادداشت کنید. این درجه، نقطه جوش نمونه مایع است.

 1-دماسنج 2-بند لاستیکی 3-بشر 4-پارافین مایع 5-لوله مویین 6-لوله با قطر 4 میلیمتر 7- مایع نمونه 8-شعله

 

نقطه ذوب و روش اندازه گیری آن

 

نقطه ذوب

نقطه ذوب درجه حرارتی است که در آن درجه حرارت، ماده جامد به مایع تبدیل شود (درجه حرارتی که در آن فشار بخار مایع با جامد برابر گردد). در تمام مدت ذوب درجه حرارت ثابت میماند و در این درجه حرارت دو فاز در حال تعادل هستند. وجود ناخالصی در یک ماده، نقطه ذوب آنرا پایین می آورد و مخلوط دو ماده، دارای نقطه ذوبی پایین تر از هر کدام از دو ماده اولیه است.
دامنه ذوب، دمائی است که ترکیب شروع به مایع شدن میکند تا دمایی که به طور کامل مایع میشود. ترکیب خیلی خالص دامنه ذوب 5/0 درجه یا کمتر دارد. دامه ذوب ترکیبات خالص معمولی 2-1 درجه است.

خلوص ترکیب از دو طریق مشخص میشود: اول اینکه ماده خالصتر نقطه ذوب بالاتری دارد، دوم اینکه ماده خالصتر دامنه ذوب کمتری دارد یعنی بین درجه حرارت شروع و پایان ذوب اختلاف کمتری وجود دارد.
تعیین نقطه ذوب صحیح یک ترکیب آلی احتیاج به ماده کافی دارد تا با سرد و گرم کردنهای متناوب بتوان در بین فازهای مایع و جامد تعادل برقرار کرد و درجه حرارت آنرا اندازه گرفت. مقدار ماده ای که برای این عمل لازم است غالبا بیشتر از مقداری است که شیمیدان در دسترس دارد. از اینرو روشهای میکرو که چندان دقیق نیستند ولی احتیاج به مقدار ناچیزی از نمونه دارند و آسان هم هستند توسعه یافته اند. یکی از متداولترین روشها، استفاده از لوله مویین است. در کلیه روشهای میکرو نقطه ذوب را به صورت حدود تغییرات ذوب اندازه میگیرند. این حدود شامل درجه حرارتی است که عمل ذوب نمونه شروع میشود و بعد خاتمه می یابد.
 
در اندازه گیری نقطه ذوب با لوله مویین از گرم کن های گوناگونی استفاده میشود. این گرم کن ها از یک بشر ساده که محتوی مایعی با نقطه جوش بالاست و با چراغ گاز گرم و با دست همزده میشود، شروع شده و به وسایل کاملی میرسد که با الکتریسیته گرم میشود و بطور مکانیکی به هم میخورد.
تعیین نقطه ذوب یک نمونه
مقدار کمی از نمونه پودر شده را در روی یک شیشه ساعت کوچک بگذارید (در صورتی که نمونه به صورت پودر نباشد با هاون چینی آنرا کاملا پودر کنید)، یک لوله مویین کاملا تمیز برداشته و به وسیله شعله یک طرف آنرا کاملا مسدود نمائید و چند بار نوک باز لوله مویین را آهسته به داخل جسم جامد بزنید. با برگرداندن لوله و با زدن سریع انتهای بسته لوله بر روی یک سطح محکم میتوان جسم جامد را به طرف انتهای بسته لوله هدایت کرد. جسم باید در انتهای بسته لوله کاملا متراکم شود. بهترین راه انجام این کار آن است که در خاتمه لوله مویین را از درون یک قطعه لوله شیشه ای بزرگتر که تقریبا به طول 60 سانتیمتر باشد، بر روی سطح محکمی رها کنید. نمونه باید به اندازه ای باشد که پس از عمل تراکم لوله مویین را تا عمق 3-2 میلی متر پر کند. این مقدار نباید بیشتر باشد.  لوله مویین را به وسیله یک بند لاستیکی کوچک به گرماسنج متصل کنید. خود نمونه باید در مجاورت حباب گرماسنج باشد و بند لاستیکی در بالا ترین جا تا از سطح مایع داغ دور باشد. سپس گرماسنج را به کمک چوب پنبه سوراخداری که یک طرف آن بریده شده درداخل گرمکن قرار دهید (مطابق شکل زیر). منظور از این بریدگی آن است که درجات گرماسنج در آن حدود آشکار شوند و همچنین دستگاه یک سیستم باز باشد. (احتیاط: هرگز نباید یک سیستم بسته را حرارت داد.) با استفاده از حرارت یک چراغ کوچک بونزن به آرامی درجه حرارت مایعی را که باید گرم شود بالا ببرید (حدود 2 درجه در دقیقه) درجه ای را که ابتدا عمل ذوب مشاهده میشود و همچنین درجه ای را که در آن آخرین قسمت جامد ذوب میشود را یادداشت کنید.
1- مخزن دماسنج
2- محل نمونه
3- مایعی با نقطه جوش بالا
4- بند لاستیکی
5- چوب پنبه برش داده شده



شکل: نمای نزدیک چگونگی بستن لوله مویین به دماسنج و چگونگی برش چوب پنبه

اثر گلخانه ای

گرم شدن زمين یعنی چه؟

مي‌دانيم كه كره زمين به طور طبيعي در اثر تابش خورشيد گرم مي‌شود، اما اينجا منظور ما از گرم شدن زمين، پديده ديگري است.اين پديده نسبتا جديد عبارت است از تغيير دماي زمين در اثر فعاليتهاي بشري كه با تغييرات طبيعي آن فرق دارد. در طول ۱۰۰ سال گذشته، كره زمين به طور غيرطبيعي ۴/۰ درجه سانتيگراد گرمتر شده كه اين موضوع دانشمندان را نگران كرده‌است. آنها حدس مي‌زنند فعاليت‌هاي صنعتي در ايجاد اين مشكل بسيار موثر است و به گرم شدن كره زمين کمک می کند.

منظور از«گرم شدن زمين» افزايش ميانگين دماي زمين است. «تغيير آب و هوا» در اثر اين افزايش دما به وجود مي‌آيد. گرم شدن زمين موجب تغيير الگوي بارش، افزايش سطح آب درياهاي آزاد و كاهش سطح آب درياچه‌ها و تاثيرات وسيع بر گياهان، حيات وحش و انسانها مي‌شود.

اثر گلخانه اي چيست؟ گازهاي گلخانه اي چه گازهايي هستند؟

به مجموعه‌اي از گازها كه مقداري از انرژي خورشيد را در جو زمين نگه مي‌دارندو باعث گرم شدن جو مي‌شوند‍‍، گازهاي گلخانه‌اي مي‌گويند. بخار آب(H₂O)، دي اكسيدنيتروژن (NO₂)، دي اكسيدكربن (CO₂) و متان (CH₄) گازهاي گلخانه‌اي اصلي هستند. اگر اين گازها در جو نبودند، انرژي گرمايي خورشيد مجددا به فضا بر مي‌گشت و به اين ترتيب هواي زمين ۳۳ درجه سانتيگراد سردتر از الان مي‌شد. اثر گلخانه‌اي به افزايش دماي كره زمين در اثر وجود گازهاي گلخانه‌اي در جو زمين گفته مي‌شود.

آيا مي دانيد چرا به اين گازها، گازها‌ي‌ گلخانه‌اي مي‌گوييم؟

آيا شما تا حالا يك گلخانه ديده ايد؟
گلخانه يك اتاق شيشه‌اي است كه نور خورشيد از شيشه‌هاي آن به داخل مي‌تابد و هواي گلخانه را گرم مي‌كند. اما شيشه‌هاي گلخانه اجازه نمي‌دهند كه اين هواي گرم از گلخانه خارج‌شود.

جو يا هوايي كه در اطراف ماست، شبيه يك گلخانه است. گازهاي گلخانه‌اي در جو درست مثل شيشه‌هاي گلخانه عمل مي‌كنند. نور خورشيد پس از عبور از لايه‌هاي گازهاي گلخانه‌اي وارد جو زمين مي‌شود. زماني كه نور خورشيد به سطح زمين مي‌رسد، مقداري از انرژي گرمايي آن توسط خاك، آب و ساير موجودات جذب مي‌شود. مقداري هم در جو زمين مي‌ماند و باقيمانده آن به فضا برمي‌گردد. اگر مقدار گازهاي گلخانه‌اي در جو از حد طبيعي آن بالاتر باشد، انرژي كمتري به فضا برمي‌گردد، در نتيجه جو زمين گرم تر مي‌شود و به دنبال آن دماي كره زمين بالا مي‌رود.

اثر گلخانه‌اي، كره زمين را به اندازه‌اي گرم نگه مي دارد كه ما انسان ها بتوانيم بر روي آن زندگي كنيم. اما اگر اثر گلخانه اي شدت يابد، ممكن است دماي زمين به قدري زياد شود كه ما و بقيه گياهان و جانوران نتوانيم گرماي آن را تحمل كنيم.