Sådan blander du svovlsyre og vand sikkert

Svovlsyre (H ₂ SO ₄ ) er en af ​​de bedst kendte stærke mineralsyrer. Det er oxsyren af ​​grundstoffet svovl i dets højeste oxidationstilstand (VI) og kommer fra hydreringen af ​​svovlsyreanhydrid eller svovltrioxid (SO ₃ ). Det er en diprotisk syre, hvis første dissociation er næsten fuldstændig, og hvis anden dissociation stadig er relativt stærk, så bisulfationen (HSO ₄ ^– ) er en sur anion.

Svovlsyreopløsninger er allestedsnærværende i kemi- og biologilaboratorier, hvor det bruges som et kemisk reagens, som en katalysator og i nogle tilfælde endda som et middel til at rense laboratoriematerialer. I alle disse applikationer kræves svovlsyreopløsninger i forskellige koncentrationer, hvorfor tilberedning af dem er en del af rutineprocesserne i disse laboratorier.

Når det er sagt, er det vigtigt at vide, at forberedelse af en svovlsyreopløsning ikke kun handler om at blande syren med vand på nogen måde, da det kan være meget farligt at gøre det på den forkerte måde og føre til nogle alvorlige ulykker.

Hvorfor er det farligt at blande svovlsyre med vand?

Grunden til, at det kan være farligt at blande svovlsyre med vand, er fordi de kemiske reaktioner, der opstår, når man kombinerer begge forbindelser, er meget eksoterme; det vil sige, at de afgiver store mængder varme. De pågældende reaktioner består i opløsning af syren og protonering af vandet til dannelse af hydroniumioner:

En anden dissociation kan også forekomme, men denne er meget mindre vigtig end den første:

Begge reaktioner er eksoterme, og hvis de ikke udføres på en kontrolleret måde, kan al denne varme hurtigt hæve opløsningens temperatur til over 100°C, hvilket forårsager vand (som har et lavere kogepunkt end ren svovlsyre). Dette producerer igen stænk af koncentreret syre, der kan lande i vores øjne, på vores hud, på tøj eller på enhver overflade i laboratoriet.

Hvis dette sker, kan vi få meget alvorlige forbrændinger, da koncentreret svovlsyre næsten øjeblikkeligt ødelægger eller forkuler ethvert organisk stof, det kommer i kontakt med. Hvis det bliver sprøjtet i vores øjne, er det meget sandsynligt, at vi mister synet.

Også, hvis vi ved uheld indånder dråber koncentreret svovlsyre, og de når vores luftveje og lunger, kan forbrændinger og andre skader bringe vores liv i fare.

Heldigvis er der en måde at fremstille svovlsyreopløsninger på, som minimerer risikoen for sputtering og sprøjt fra koncentreret syre. Dette sammen med en række standard sikkerhedsforanstaltninger i ethvert kemilaboratorium er normalt nok til at forhindre de fleste ulykker og minimere deres fare, hvis de opstår.

Den sikre måde at fremstille opløsninger fra koncentreret svovlsyre på

Tommelfingerreglen ved sikker blanding af svovlsyre med vand er altid at tilsætte svovlsyren til vandet og ikke vandet til svovlsyren . Når den koncentrerede svovlsyre tilsættes, skal den resulterende opløsning også omrøres kraftigt.

Det betyder, at vi først skal tilsætte en betydelig mængde vand i målekolben, hvor vi skal forberede opløsningen (det vi kalder en vandpude) og derefter, lidt efter lidt og under konstant omrøring, tilsætter vi det målte volumen koncentreret syre. Til sidst får opløsningen lov til at køle af, og målingen afsluttes med rent vand.

Det er også vigtigt at holde målekolben om halsen i stedet for ved pæren eller den bredeste del, der er i direkte kontakt med opløsningen. Dette skyldes, at denne sidste del af bolden kan blive meget varm, hvilket enten fører til forbrændinger eller til at tabe bolden ved et uheld, knække den og forårsage et farligt syrespild.

Begrundelse for proceduren

Hvorfor tilsættes vandet først og syren senere?

Grunden til, at det foretrækkes at tilsætte vandet først og derefter syren, er en konsekvens af de termodynamiske egenskaber i systemet, der dannes ved at blande begge komponenter. Hvis opløsningen, vi skal fremstille, er betydeligt mere fortyndet end den kommercielle opløsning (som er ca. 18 M), så vil blandingen bestå af en stor mængde vand og en lille mængde koncentreret syre.

Tilføjer vi syren først og derefter vandet, vil den lille mængde syre have en meget lille varme (eller varme) kapacitet, så en lille mængde varme vil forårsage en stor temperaturændring. I denne situation vil det være meget nemt at opvarme syren til over 100°C, hvilket får vandet til at koge hurtigt, som at tilføje et par dråber vand til en gryde med varm olie.

På den anden side, hvis vi tilsætter et stort startvolumen vand før tilsætning af den koncentrerede syre, vil systemets varmekapacitet være meget højere, da varmen skal fordeles over en større masse og sluttemperaturen vil være lavere .

Hvorfor den konstante agitation?

Det skal konstant omrøres, fordi opløsningens varmeledningsevne er begrænset. Med andre ord, den varme, der frigives under opløsningen af ​​syren, fordeles ikke øjeblikkeligt i hele vandet; denne proces tager tid. Som en konsekvens heraf, hvis vi tilsætter syren for hurtigt uden omrøring, er det muligt for varme at bygge op på et tidspunkt og bringe temperaturen på vandet lokalt i kog, hvilket forårsager sprøjt, før varmen spredes til resten af ​​systemet.

Dette er det samme, der sker, når smeltet lava eller glødende metal bliver kastet i koldt vand. Vi kan tydeligt se, hvordan vand, der kommer i direkte kontakt med jern eller magma, koger længe før resten af ​​vandet bliver varmt.

Mekanisk omrøring accelererer fordelingen af ​​varme i hele opløsningen og forhindrer dette i at ske.

Yderligere sikkerhedsforanstaltninger ved fremstilling af svovlsyreopløsninger

Ud over at følge den førnævnte protokol til fremstilling af opløsningen, skal vi overholde standard sikkerhedsforanstaltninger for laboratoriearbejde, da stænk ikke er den eneste risiko ved håndtering af disse opløsninger. Disse sikkerhedsforanstaltninger omfatter:

• Bær en laboratoriefrakke for at beskytte hud og tøj . De fleste kjoler er lavet af syntetiske materialer, der er i stand til at modstå mindre stænk. På den anden side kan en dråbe syre på bukser eller en T-shirt, der ikke bliver bemærket, udover at undgå skader på vores tøj give alvorlige hudforbrændinger senere hen.
• Bær latex- eller nitrilhandsker . Disse handsker er modstandsdygtige over for mange kemikalier, herunder fortyndede svovlsyreopløsninger. I tilfælde af kontakt med koncentreret syre giver handsken tilstrækkelig beskyttelse til at give tid til at fjerne den, før den bliver forbrændt.
• Bær sikkerhedsbriller . Det er den bedste måde at beskytte øjnene og en god del af ansigtet på.
• Saml dit hår i en knold eller en hestehale . Langt hår er en risiko i laboratoriet. Det kan komme i kontakt med syre eller andre reagenser, så det skal hele tiden opbevares samlet.
• Hav en lille flaske med en opløsning af natriumbicarbonat ved hånden . Natriumbicarbonat er et salt, der producerer alkaliske opløsninger, der er i stand til at neutralisere selv koncentreret svovlsyre. Sprøjtning af overfladen, der kommer i kontakt med syren med bicarbonat i tilfælde af et spild, er det første skridt, der skal tages for at stoppe dens ætsende virkning.

Referencer

Chang, R. (2021). Kemi (11. ^udgave ). MCGRAW HILL UDDANNELSE.

Dinamek. (2018, 30. november). Sådan vælger du den bedst egnede kemikalieresistente handske . Dinameks hjemmeside. https://www.dinamek.com/blog/how-to-choose-the-chemical-resistant-glove-most-suitable

Hvor meget varme frigives der, hvis en 98 % (m/m) H2SO4 opløsning fortyndes til 96 % (m/m) . (2019, 15. februar). American Chemical Societys hjemmeside. https://communities.acs.org/t5/Ask-An-ACS-Chemist/How-much-heat-will-be-released-if-a-98-mm-H2SO4-solution-is/td-p/ 11867

Sippola, H., & Taskinen, P. (2014). Termodynamiske egenskaber af vandig svovlsyre. Journal of Chemical & Engineering Data , 59 (8), 2389-2407. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/je4011147