Come mescolare acido solforico e acqua in modo sicuro

L’acido solforico (H ₂ SO ₄ ) è uno degli acidi minerali forti più conosciuti. È l’ossiacido dell’elemento zolfo nel suo più alto stato di ossidazione (VI) e deriva dall’idratazione dell’anidride solforica o triossido di zolfo (SO ₃ ). È un acido diprotico la cui prima dissociazione è quasi completa e la cui seconda dissociazione è ancora relativamente forte, quindi lo ione bisolfato (HSO ₄ ^– ) è un anione acido.

Le soluzioni di acido solforico sono onnipresenti nei laboratori di chimica e biologia, dove viene utilizzato come reagente chimico, come catalizzatore e in alcuni casi anche come agente per pulire i materiali di laboratorio. In tutte queste applicazioni sono richieste soluzioni di acido solforico di diverse concentrazioni, motivo per cui la loro preparazione fa parte dei processi di routine in questi laboratori.

Detto questo, è importante sapere che preparare una soluzione di acido solforico non significa solo mescolare l’acido con l’acqua in alcun modo, poiché farlo nel modo sbagliato può essere molto pericoloso e portare a gravi incidenti.

Perché mescolare acido solforico con acqua è pericoloso?

Il motivo per cui la miscelazione di acido solforico con acqua può essere pericolosa è perché le reazioni chimiche che si verificano quando si combinano entrambi i composti sono molto esotermiche; cioè rilasciano grandi quantità di calore. Le reazioni in questione consistono nella dissoluzione dell’acido e nella protonazione dell’acqua per formare ioni idronio:

Può verificarsi anche una seconda dissociazione, ma questa è molto meno importante della prima:

Entrambe le reazioni sono esotermiche e, se non condotte in modo controllato, tutto questo calore può portare rapidamente la temperatura della soluzione a oltre 100°C, provocando acqua (che ha un punto di ebollizione più basso dell’acido solforico puro). Questo, a sua volta, produce schizzi di acido concentrato che possono cadere nei nostri occhi, sulla nostra pelle, sui vestiti o su qualsiasi superficie del laboratorio.

Se ciò accade, possiamo subire ustioni molto gravi, poiché l’acido solforico concentrato distrugge o carbonizza quasi istantaneamente qualsiasi materia organica con cui viene a contatto. Se viene spruzzato nei nostri occhi, è molto probabile che perderemo la vista.

Inoltre, se per sfortuna inaliamo gocce di acido solforico concentrato e queste raggiungono le nostre vie respiratorie e i polmoni, ustioni e altre lesioni possono mettere in pericolo la nostra vita.

Fortunatamente, esiste un modo per preparare soluzioni di acido solforico che riduce al minimo il rischio di sputtering e spruzzi dall’acido concentrato. Questo, insieme a una serie di misure di sicurezza standard in qualsiasi laboratorio chimico, sono solitamente sufficienti per prevenire la maggior parte degli incidenti e minimizzare il loro pericolo se si verificano.

Il modo sicuro per preparare soluzioni da acido solforico concentrato

La regola empirica quando si mescola in modo sicuro l’acido solforico con l’acqua è di aggiungere sempre l’acido solforico all’acqua e non l’acqua all’acido solforico . Inoltre, quando viene aggiunto l’acido solforico concentrato, la soluzione risultante deve essere agitata vigorosamente.

Ciò significa che prima dobbiamo aggiungere una notevole quantità di acqua nel matraccio tarato dove prepareremo la soluzione (quello che chiamiamo cuscino d’acqua) e poi, a poco a poco e sotto costante agitazione, aggiungiamo il volume misurato di acido concentrato. Infine si lascia raffreddare la soluzione e si completa la calibratura con acqua pura.

È anche importante tenere il matraccio graduato per il collo piuttosto che per il bulbo o la parte più larga che è a diretto contatto con la soluzione. Questo perché quest’ultima parte della palla può diventare molto calda, provocando ustioni o facendo cadere accidentalmente la palla, rompendola e provocando una pericolosa fuoriuscita di acido.

Giustificazione della procedura

Perché l’acqua viene aggiunta prima e l’acido dopo?

Il motivo per cui si preferisce aggiungere prima l’acqua e poi l’acido è una conseguenza delle proprietà termodinamiche del sistema che si forma miscelando entrambi i componenti. Se la soluzione che andremo a preparare è notevolmente più diluita della soluzione commerciale (che è circa 18 M), allora la miscela sarà composta da una grande quantità di acqua e una piccola quantità di acido concentrato.

Se aggiungiamo prima l’acido e poi l’acqua, la piccola quantità di acido avrà una capacità termica (o termica) molto piccola, quindi una piccola quantità di calore causerà un grande cambiamento di temperatura. In questa situazione, sarà molto facile riscaldare l’acido sopra i 100°C, facendo bollire rapidamente l’acqua, come aggiungere qualche goccia d’acqua a una pentola di olio bollente.

Se invece aggiungiamo un grande volume iniziale di acqua prima di aggiungere l’acido concentrato, la capacità termica del sistema sarà molto più alta, poiché il calore dovrà essere distribuito su una massa maggiore e la temperatura finale sarà inferiore .

Perché l’agitazione costante?

Deve essere costantemente agitato perché la conducibilità termica della soluzione è limitata. In altre parole, il calore rilasciato durante la dissoluzione dell’acido non si distribuisce istantaneamente nell’acqua; questo processo richiede tempo. Di conseguenza, se aggiungiamo l’acido troppo velocemente senza mescolare, è possibile che il calore si accumuli in un punto e porti localmente a ebollizione la temperatura dell’acqua, provocando schizzi prima che il calore si disperda nel resto del sistema.

È la stessa cosa che accade quando la lava fusa o il metallo incandescente vengono immersi nell’acqua fredda. Possiamo vedere chiaramente come l’acqua che entra in contatto diretto con il ferro o il magma bolle molto prima che il resto dell’acqua si riscaldi.

L’agitazione meccanica accelera la distribuzione del calore in tutta la soluzione e impedisce che ciò accada.

Ulteriori misure di sicurezza durante la preparazione di soluzioni di acido solforico

Oltre a seguire il suddetto protocollo per preparare la soluzione, dobbiamo osservare le misure di sicurezza standard per il lavoro di laboratorio, poiché gli schizzi non sono l’unico rischio quando si maneggiano queste soluzioni. Queste misure di sicurezza includono:

• Indossare un camice da laboratorio per proteggere la pelle e gli indumenti . La maggior parte dei camici sono realizzati con materiali sintetici in grado di resistere a piccoli spruzzi. D’altra parte, oltre a evitare danni ai nostri vestiti, una goccia di acido sui pantaloni o su una maglietta che passa inosservata può causare in seguito gravi ustioni alla pelle.
• Indossare guanti in lattice o nitrile . Questi guanti sono resistenti a molte sostanze chimiche, comprese le soluzioni di acido solforico diluito. In caso di contatto con acido concentrato, il guanto fornisce una protezione sufficiente per consentire il tempo di rimuoverlo prima di subire un’ustione.
• Indossare occhiali di sicurezza . È il modo migliore per proteggere gli occhi e buona parte del viso.
• Raccogli i capelli in uno chignon o in una coda di cavallo . I capelli lunghi sono un rischio in laboratorio. Può entrare in contatto con acidi o altri reagenti, quindi deve essere tenuto sempre raccolto.
• Tenete a portata di mano una bottiglietta con una soluzione di bicarbonato di sodio . Il bicarbonato di sodio è un sale che produce soluzioni alcaline in grado di neutralizzare anche l’acido solforico concentrato. Spruzzare con bicarbonato la superficie che viene a contatto con l’acido in caso di sversamento è il primo passo che deve essere fatto per arrestarne l’azione corrosiva.

Riferimenti

Chang, R. (2021). Chimica (11a ^ed .). EDUCAZIONE DELLA COLLINA DI MCGRAW.

Dinamec. (2018, 30 novembre). Come scegliere il guanto resistente agli agenti chimici più adatto . Sito Dinamek. https://www.dinamek.com/blog/come-scegliere-il-guanto-resistente-alle-chimiche-più-adatto

Quanto calore verrà rilasciato se una soluzione di H2SO4 al 98% (m/m) viene diluita al 96% (m/m) . (2019, 15 febbraio). Sito web dell’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. e Taskinen, P. (2014). Proprietà termodinamiche dell’acido solforico acquoso. Journal of Chemical & Engineering Data , 59 (8), 2389–2407. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/je4011147