Comment mélanger l’acide sulfurique et l’eau en toute sécurité

L’acide sulfurique (H ₂ SO ₄ ) est l’un des acides minéraux forts les plus connus. C’est l’oxacide de l’élément soufre dans son état d’oxydation le plus élevé (VI) et provient de l’hydratation de l’anhydride sulfurique ou du trioxyde de soufre (SO ₃ ). C’est un acide diprotique dont la première dissociation est presque complète et dont la seconde dissociation est encore relativement forte, donc l’ion bisulfate (HSO ₄ ^– ) est un anion acide.

Les solutions d’acide sulfurique sont omniprésentes dans les laboratoires de chimie et de biologie, où elles sont utilisées comme réactif chimique, comme catalyseur et, dans certains cas, même comme agent de nettoyage du matériel de laboratoire. Dans toutes ces applications, des solutions d’acide sulfurique de différentes concentrations sont nécessaires, c’est pourquoi leur préparation fait partie des processus de routine dans ces laboratoires.

Cela étant dit, il est important de savoir que préparer une solution d’acide sulfurique ne consiste pas seulement à mélanger l’acide avec de l’eau de quelque manière que ce soit, car le faire dans le mauvais sens peut être très dangereux et entraîner de graves accidents.

Pourquoi le mélange d’acide sulfurique avec de l’eau est-il dangereux ?

La raison pour laquelle le mélange d’acide sulfurique avec de l’eau peut être dangereux est que les réactions chimiques qui se produisent lors de la combinaison des deux composés sont très exothermiques ; c’est-à-dire qu’ils libèrent de grandes quantités de chaleur. Les réactions en question consistent en la dissolution de l’acide et la protonation de l’eau pour former des ions hydronium :

Une deuxième dissociation peut également se produire, mais celle-ci est beaucoup moins importante que la première :

Les deux réactions sont exothermiques, et si elles ne sont pas effectuées de manière contrôlée, toute cette chaleur peut rapidement élever la température de la solution à plus de 100°C, produisant de l’eau (qui a un point d’ébullition inférieur à celui de l’acide sulfurique pur). Ceci, à son tour, produit des éclaboussures d’acide concentré qui peuvent atterrir dans nos yeux, sur notre peau, sur nos vêtements ou sur n’importe quelle surface du laboratoire.

Si cela se produit, nous pouvons subir de très graves brûlures, car l’acide sulfurique concentré détruit ou carbonise presque instantanément toute matière organique avec laquelle il entre en contact. S’il est éclaboussé dans nos yeux, il est très probable que nous perdrons la vue.

De plus, si par malchance nous inhalons des gouttes d’acide sulfurique concentré et qu’elles atteignent nos voies respiratoires et nos poumons, des brûlures et d’autres blessures peuvent mettre notre vie en danger.

Heureusement, il existe un moyen de préparer des solutions d’acide sulfurique qui minimise le risque de pulvérisation et d’éclaboussures d’acide concentré. Ceci, associé à une série de mesures de sécurité standard dans tout laboratoire de chimie, est généralement suffisant pour prévenir la plupart des accidents et minimiser leur danger s’ils se produisaient.

Le moyen sûr de préparer des solutions à partir d’acide sulfurique concentré

La règle d’or lors du mélange en toute sécurité de l’acide sulfurique avec de l’eau est de toujours ajouter l’acide sulfurique à l’eau et non l’eau à l’acide sulfurique . De plus, lorsque l’acide sulfurique concentré est ajouté, la solution résultante doit être agitée vigoureusement.

Cela signifie que nous devons d’abord ajouter une quantité considérable d’eau dans la fiole jaugée où nous allons préparer la solution (ce que nous appelons un coussin d’eau) puis, petit à petit et sous agitation constante, nous ajoutons le volume mesuré d’acide concentré. Enfin, on laisse refroidir la solution et on complète le jaugeage avec de l’eau pure.

Il est également important de tenir la fiole jaugée par le col plutôt que par le bulbe ou la partie la plus large qui est en contact direct avec la solution. En effet, cette dernière partie de la balle peut devenir très chaude, entraînant soit des brûlures, soit une chute accidentelle de la balle, la cassant et provoquant un dangereux déversement d’acide.

Justification de la procédure

Pourquoi l’eau est-elle ajoutée en premier et l’acide ensuite ?

La raison pour laquelle il est préférable d’ajouter d’abord l’eau puis l’acide est une conséquence des propriétés thermodynamiques du système qui est formé en mélangeant les deux composants. Si la solution que nous allons préparer est considérablement plus diluée que la solution commerciale (qui est d’environ 18 M), alors le mélange sera constitué d’une grande quantité d’eau et d’une petite quantité d’acide concentré.

Si nous ajoutons d’abord l’acide, puis l’eau, la petite quantité d’acide aura une très petite capacité calorifique (ou thermique), donc une petite quantité de chaleur provoquera un grand changement de température. Dans cette situation, il sera très facile de chauffer l’acide au-dessus de 100°C, faisant bouillir l’eau rapidement, comme ajouter quelques gouttes d’eau dans une casserole d’huile chaude.

En revanche, si l’on ajoute un grand volume initial d’eau avant d’ajouter l’acide concentré, la capacité calorifique du système sera beaucoup plus élevée, car la chaleur devra être répartie sur une plus grande masse et la température finale sera plus faible .

Pourquoi cette agitation constante ?

Il doit être constamment agité car la conductivité thermique de la solution est limitée. En d’autres termes, la chaleur dégagée lors de la dissolution de l’acide n’est pas instantanément répartie dans l’eau ; ce processus prend du temps. Par conséquent, si nous ajoutons l’acide trop rapidement sans agitation, il est possible que la chaleur s’accumule à un moment donné et porte localement la température de l’eau à ébullition, provoquant des éclaboussures avant que la chaleur ne se dissipe dans le reste du système.

C’est la même chose qui se produit lorsque de la lave en fusion ou du métal incandescent est plongé dans de l’eau froide. Nous pouvons clairement voir comment l’eau qui entre en contact direct avec le fer ou le magma bout bien avant que le reste de l’eau ne devienne chaud.

L’agitation mécanique accélère la répartition de la chaleur dans toute la solution et empêche que cela se produise.

Mesures de sécurité supplémentaires lors de la préparation de solutions d’acide sulfurique

En plus de suivre le protocole susmentionné pour préparer la solution, nous devons respecter les mesures de sécurité standard pour le travail en laboratoire, car les éclaboussures ne sont pas le seul risque lors de la manipulation de ces solutions. Ces mesures de sécurité comprennent :

• Portez une blouse de laboratoire pour protéger la peau et les vêtements . La plupart des blouses sont faites de matériaux synthétiques capables de résister à de légères éclaboussures. Par contre, en plus d’éviter d’abîmer nos vêtements, une goutte d’acide sur un pantalon ou un T-shirt qui passe inaperçu peut provoquer ultérieurement de graves brûlures cutanées.
• Portez des gants en latex ou en nitrile . Ces gants résistent à de nombreux produits chimiques, y compris les solutions diluées d’acide sulfurique. En cas de contact avec de l’acide concentré, le gant offre une protection suffisante pour laisser le temps de l’enlever avant de subir une brûlure.
• Portez des lunettes de sécurité . C’est le meilleur moyen de protéger les yeux et une bonne partie du visage.
• Rassemblez vos cheveux en chignon ou en queue de cheval . Les cheveux longs sont un risque en laboratoire. Il peut entrer en contact avec de l’acide ou d’autres réactifs, il doit donc être conservé à tout moment.
• Ayez sous la main une petite bouteille contenant une solution de bicarbonate de sodium . Le bicarbonate de sodium est un sel qui produit des solutions alcalines capables de neutraliser l’acide sulfurique même concentré. Pulvériser la surface qui entre en contact avec l’acide avec du bicarbonate en cas de déversement est la première mesure à prendre pour arrêter son action corrosive.

Les références

Chang, R. (2021). Chimie (11e ^éd .). ÉDUCATION DE MCGRAW HILL.

Dinamek. (2018, 30 novembre). Comment choisir le gant résistant aux produits chimiques le plus adapté . Site Web Dinamek. https://www.dinamek.com/blog/how-to-choose-the-chemical-resistant-glove-most-suitable

Quelle quantité de chaleur sera dégagée si une solution de H2SO4 à 98 % (m/m) est diluée à 96 % (m/m) . (2019, 15 février). Site Web de l’American Chemical Society. 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). Propriétés thermodynamiques de l’acide sulfurique aqueux. Journal of Chemical & Engineering Data , 59 (8), 2389–2407. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/je4011147