Ácido sulfúrico, também conhecido como vitríolo, é um ácido mineral composto pelos elementos enxofre, oxigênio e hidrogênio com a fórmula molecular H2SO4. É um líquido viscoso, incolor, inodoro e solúvel em água, produzindo uma reação altamente exotérmica.
Sua corrosividade pode ser atribuída principalmente à sua natureza de ácido forte e, se em alta concentração, a suas propriedades de desidratação e oxidação. Também é higroscópico, prontamente absorvendo vapor d'água do ar. Em contato com a pele o ácido sulfúrico pode causar graves queimaduras químicas e até queimaduras de segundo grau; é muito perigoso mesmo em concentrações moderadas.
O ácido sulfúrico é um importante produto e, de fato, a produção de ácido sulfúrico de um país é um bom indicador de sua força industrial. É largamente produzido por diferentes métodos, como o processo de contato, o processo de ácido sulfúrico a úmido, o processo de câmara de chumbo e alguns outros métodos.
O uso mais comum de ácido sulfúrico (60% do total) é na a indústria de fertilizantes. Também é uma substância essencial para a indústria química. Os usos principais incluem produção de fertilizantes (e outros processamentos minerais), refinamento de petróleo, tratamento de águas residuais e síntese química. Possui um vasto uso de aplicações finais, como em eletrólitos de baterias de chumbo-ácido e em vários agentes de limpeza.
Propriedades físicas Gradação do ácido sulfúrico Embora quase 100% possa ser produzido, a perda subsequente de no ponto de ebulição leva a uma concentração ácida de 98,3%. A gradação de 98% é mais estável para armazenamento e é a forma comum do que é descrito como "ácido sulfúrico concentrado". Outras concentrações são usadas com diferentes objetivos. Algumas concentrações comuns são: PercentualH2SO4 Densidade(kg/L) Concentração(mol/L) Nome comum 10% 1.07 ≈1 ácido sulfúrico diluído 29–32% 1.25–1.28 4.2–5 ácido de bateria(usado em baterias de chumbo-ácido) 62–70% 1.52–1.60 9.6–11.5 ácido de câmaraácido fertilizande 78–80% 1.70–1.73 13.5–14 ácido de torreácido Glover 98% 1.84 ≈18 ácido sulfúrico concentrado
"Ácido de câmara" e "ácido de torre" eram as concentrações de ácido sulfúrico produzidas pelo processo de câmara de chumbo, sendo o ácido de câmara o ácido produzido na própria câmara (<70% para evitar contaminação com ácido nitrosilsulfúrico e o ácido de torre sendo o ácido recuperado do fundo da torre de Glover. Atualmente são obsoletas como concentrações comerciais de ácido sulfúrico, embora possam ser preparadas em laboratório a partir de ácido sulfúrico concentrado se necessário. Em particular, o ácido sulfúrico "10M" (a versão moderna equivalente do ácido de câmara, usada em várias titulações) é preparada adicionando lentamente ácido sulfúrico 98% em um volume igual de água, com boa agitação: a temperatura da mistura pode chegar a 80 ºC(176 ºF) ou mais.
O ácido sulfúrico reage com seu anidro, , para formar , chamada de ácido dissulfúrico, oleum ou, mais raramente, ácido Nordhausen. Concentrações de oleum são expressas em termos de % de (chamada % oleum) ou como % (a quantidade de que foi adicionada); concentrações comuns são 40% oleum (109% ) e 65% oleum (114.6% ). puro é sólido com ponto de fusão em 36 °C.
Ácido sulfúrico puro possui uma pressão de vapor de <0.001 mmHg a 25 °C e 1 mmHg a 145,8 °C, e ácido sulfúrico a 98% tem uma pressão de vapor <1 mmHg a 20 °C.
Ácido sulfúrico puro é um líquido viscoso claro, como óleo, e isso explica o antigo nome do ácido ('óleo de vitriolo').
O ácido sulfúrico é sólido em diversos graus de pureza diferentes. A gradação técnica é impura e frequentemente colorida, mas é indicada para produção de fertilizante. Gradações puras, como a gradação United States Pharmacopeia (USP), é utilizada para manufatura de medicamentos e corantes. Gradações analíticas também são disponíveis.
São conhecidos nove hidratos, mas três deles foram confirmados como tetrahidratos (H2SO4·4H2O), hemihexhidrato (H2SO4·H2O) e octahidrato (H2SO4·8H2O).
Polaridade e condutividade Equilíbrio de ácido sulfúrico anidroSpeciesmMol/kg 15.0 11.3 8.0 4.4 3.6 0.1 O anidro é um líquido muito polar, possuindo uma constante dielétrica em torno de 100. Possui uma alta condutividade elétrica causada pela dissociação por meio de protonação, um processo conhecido como autoprólise. 2 + A constante de equilíbrio para a autoprólise é Kap (25 °C) = [][] =
comparável à constante de equilíbrio da água, Kw é 10−14, um fator de 1010 (10 bilhões) menor.
Apesar da viscosidade do ácido, a condutividade efetiva dos íons e do é maior devido ao mecanismo de troca de prótons intramolecular (análogo ao mecanismo de Grotthuss na água), tornando o ácido sulfúrico um bom condutor de eletricidade. Também é um excelente solvente em muitas reações.
Propriedades químicas Reação com água e propriedade desidratante thumb|direita|Gotas de ácido sulfúrico concentrado rapidamente decompõem por desidratação um pedaço de uma toalha de algodão thumb|280px|Um experimento que demonstra a propriedade desidratante do ácido sulfúrico concentrado. Quando ácido sulfúrico concentrado entra em contato com sacarose, a carbonificação lenta da sucarose entra em ação. A reação é acompanhada pela emissão de produtos gasosos que contribuem para a formação do pilar de carbono que sobe no béquer.
Devido à reação de hidratação o ácido sulfúrico é altamente exotérmico. A diluição deve sempre ser feita adicionando ácido à água ao invés de adicionar água ao ácido.Consortium of Local Education Authorities for the Provision of Science Equipment -STUDENT SAFETY SHEETS 22 Sulfuric(VI) acid Como a reação está em um equilíbrio que favorece a rápida protonação da água, a adição de ácido à água garante que o ácido é o reagente limitante. Esta reação é melhor entendida com a formação de íons de hidrônio:
+ → + Ka1 = (ácido forte) + → + Ka2 =
é o ânion bisulfato e é o ânion sulfato anion. Ka1 e Ka2 são as constantes de dissociação ácida.
Em razão da hidratação do ácido sulfúrico ser termodinamicamente favorável e consequente afinidade pela água ser suficientemente forte, ele é um excelente agente desidratante. O ácido sulfúrico concentrado possui uma forte propriedade de desidratação, removendo a água(H2O) de outros compostos químicos, incluindo o açúcar e outros carboidratos, resultando em carbono, calor e vapor.
No laboratório, isso é frequentemente demonstrado misturando açúcar (sucralose) com ácido sulfúrico. O açúcar se transforma de branco para marrom escuro e então o carbono preto é formado. Uma coluna rígida de carbono preto e poroso emerge dessa reação. O carbono terá um cheiro forte de caramelo devido ao calor gerado.sulfuric acid on sugar cubes chemistry experiment 8. Old Version. YouTube. Retrieved on 2011-07-18.
Similarmente, misturando amido em ácido sulfúrico concentrado produzirá carbono e água conforme é absorvida pelo ácido (que se torna levemente diluído). O efeito disso pode ser visto quando ácido sulfúrico concentrado é aspergido em papel composto de celulose: a celulose reage e produz um efeito de queimadura e o carbono parece muito como fuligem em um incêndio. Embora menos dramática, a ação do ácido no algodão mesmo na forma diluída, destruirá o tecido.
A reação com sulfato de cobre(II) também pode demonstrar a propriedade de desidratação do ácido sulfúrico. O cristal azul é transformado em um pó branco conforme a água é removida.
Propriedades ácido-base Como todo ácido, o ácido sulfúrico reage como a maioria das bases produzindo o sulfato correspondente. Por exemplo, o sal sulfato de cobre(II), comumente usado para cobreação e como fungicida, é preparado com a reação do óxido de cobre (II) com ácido sulfúrico: :CuO (s) + (aq) → (aq) + (l) O ácido sulfúrico também pode ser utilizado para separar ácidos fracos dos seus sais. A reação química com acetato de sódio, por exemplo, separa ácido acético, e apresentações de bissulfato de sódio + → +
Similarmente, a reação de ácido sulfúrico com nitrato de potássio pode ser utilizada para produzir ácido nítrico e um precipitado de bissulfato de potássio. Quando combinado com ácido nítrico, o ácido sulfúrico atua em ambos como um ácido e como um agente desidratante, produzindo um íon nitrônio que é importante em reações de nitração envolvendo substituição eletrolífica aromática. Este tipo de reação, na qual ocorre protonação de um átomo de oxigênio é importante em muitas reações de química orgânica, como a esterificação de Fischer–Speier e a desidratação de álcoois.
direita|thumb|200px|Estrutura sólida do íon [D3SO4]+ presente em [D3SO4]+[SbF6]−, sintetizada utilizando DF no lugar de HF. (veja o texto)
Quando permitida a reação com superácidos, o ácido sulfúrico pode agir como uma base e ser protonado, produzindo o íon [H3SO4]+. Sal de [H3SO4]+ tem sido preparado utilizando a reação abaixo com HF líquido: ((CH3)3SiO)2SO2 + 3 HF + SbF5 → [H3SO4]+[SbF6]− + 2 (CH3)3SiF
A reação acima é termodinamicamente favorecida devida à alta entalpia da ligação Si-F do produto. Contudo, a protonação utilizando HF/SbF5 não é bem sucedida, porque o ácido sulfúrico puro sofre auto ionização gerando íons [H3O]+, que impedem a conversão de H2SO4 para [H3SO4]+ pelo sistema HF/SbF5: 2 H2SO4 [H3O]+ + [HS2O7]−
Reações com metais e propriedade oxidante forte Ácido sulfúrico diluído reage com metais por meio de uma reação de deslocamento assim como com outros ácidos típicos, produzindo gás hidrogênio e sais (o sulfato metálico). Ele ataca metais reativos (metais posicionados acima do cobre na série de reatividade), como ferro, zinco, manganês, magnésio e níquel. Fe (s) + (aq) → (g) + (aq)
Não obstante, ácido sulfúrico concentrado é um forte agente oxidante e não reage com metais da mesma forma que outros ácidos típicos. Dióxido de enxofre, água e íons são envolvidos na reação ao invés de hidrogênio e sais. 2 H2SO4 + 2 e− → SO2 + 2 H2O +
Ele pode oxidar metais não ativos como estanho e cobre, dependendo da temperatura. Cu + 2 H2SO4 → SO2 + 2 H2O + + Cu2+
Chumbo e tungstênio, contudo, são resistentes ao ácido sulfúrico.
Reações com não metais Ácido sulfúrico concentrado quente oxida não metais como o carbono (como por exemplo carvão betuminoso) e enxofre. C + 2 H2SO4 → CO2 + 2 SO2 + 2 H2O S + 2 H2SO4 → 3 SO2 + 2 H2O
Reações com cloreto de sódio Ele reage com cloreto de sódio e produz gás cloreto de hidrogênio e bissulfato de sódio: NaCl + H2SO4 → NaHSO4 + HCl
Substituição aromática eletrofílica O benzeno sofre substituição aromática eletrofílica com ácido sulfúrico produzindo os ácidos sulfônicos correspondentes: 250px
Ocorrência natural thumb|direita|250px|Rio Tinto com sua água bastante ácida.
O ácido sulfúrico puro não é encontrado naturalmente na Terra na sua forma anidra, devido à sua alta afinidade com a água. Ácido sulfúrico diluído é um constituinte da chuva ácida, que é produzida pela oxidação atmosférica do dióxido de enxofre na presença de água, ou seja, oxidação de ácido sulfuroso. O dióxido de enxofre é o resultado principal produzido quando combustíveis sulfurosos como carvão ou óleo são queimados.
O ácido sulfúrico é formado naturalmente pela oxidação de sulfetos minerais, como o sulfeto de ferro. A água resultante pode ser altamente ácida e é chamada de drenagem ácida de mina (DAM) ou drenagem ácida de rocha (DAR). A água acidificada é capaz de dissolver metais presentes em minérios de sulfeto, o que resulta em fios de água tóxicos e altamente coloridos. A oxidação da pirita (sulfeto de ferro) pelo oxigênio molecular produz Ferro II, ou : 2 (s) + 7 + 2 → 2 + 4 + 4
O pode ser oxidado posteriormente em : 4 + + 4 → 4 + 2
O produzido pode precipitar como o hidróxido ou óxido hidratado: + 3 → ↓ + 3
O íon de Ferro(III) ("íon férrico") também pode oxidar a pirita: (s) + 14 + 8 → 15 + 2 + 16
Quando a oxidação do Ferro(III) da pirita acontece, o processo pode se tornar bem rápido. Valores abaixo de zero do pH foram medidos em DAR produzida nesse processo.