Hvordan blande svovelsyre og vann trygt

Svovelsyre (H ₂ SO ₄ ) er en av de mest kjente sterke mineralsyrene. Det er okssyren til grunnstoffet svovel i sin høyeste oksidasjonstilstand (VI) og kommer fra hydrering av svovelsyreanhydrid eller svoveltrioksid (SO ₃ ). Det er en diprotisk syre hvis første dissosiasjon er nesten fullstendig og hvis andre dissosiasjon fortsatt er relativt sterk, så bisulfationet (HSO ₄ ^– ) er et surt anion.

Svovelsyreløsninger er allestedsnærværende i kjemi- og biologilaboratorier, der det brukes som et kjemisk reagens, som en katalysator, og i noen tilfeller til og med som et middel for å rense laboratoriematerialer. I alle disse bruksområdene kreves svovelsyreløsninger med forskjellige konsentrasjoner, og derfor er tilberedningen en del av rutineprosessene i disse laboratoriene.

Når det er sagt, er det viktig å vite at å tilberede en svovelsyreløsning ikke bare handler om å blande syren med vann på noen måte, da det kan være svært farlig å gjøre det på feil måte og føre til noen alvorlige ulykker.

Hvorfor er det farlig å blande svovelsyre med vann?

Grunnen til at det kan være farlig å blande svovelsyre med vann er fordi de kjemiske reaksjonene som oppstår når man kombinerer begge forbindelsene er svært eksoterme; det vil si at de slipper ut store mengder varme. Reaksjonene det er snakk om består av oppløsning av syren og protonering av vannet for å danne hydroniumioner:

En andre dissosiasjon kan også forekomme, men dette er mye mindre viktig enn den første:

Begge reaksjonene er eksoterme, og hvis den ikke utføres på en kontrollert måte, kan all denne varmen raskt øke temperaturen på løsningen til over 100°C, noe som forårsaker vann (som har et lavere kokepunkt enn ren svovelsyre). Dette produserer igjen sprut av konsentrert syre som kan lande i øynene våre, på huden vår, på klær eller på hvilken som helst overflate i laboratoriet.

Hvis dette skjer, kan vi få svært alvorlige brannskader, ettersom konsentrert svovelsyre nesten umiddelbart ødelegger eller forkuller alt organisk materiale den kommer i kontakt med. Hvis det blir sprut i øynene, er det stor sannsynlighet for at vi mister synet.

Dessuten, hvis vi ved uflaks inhalerer dråper konsentrert svovelsyre og de når luftveiene våre og lungene, kan brannskader og andre skader sette livene våre i fare.

Heldigvis finnes det en måte å tilberede svovelsyreløsninger på som minimerer risikoen for spruting og sprut fra konsentrert syre. Dette, sammen med en rekke standard sikkerhetstiltak i ethvert kjemilaboratorium, er vanligvis nok til å forhindre de fleste ulykker og minimere faren hvis de inntreffer.

Den sikre måten å tilberede løsninger fra konsentrert svovelsyre

Tommelfingerregelen når du trygt blander svovelsyre med vann er å alltid tilsette svovelsyren til vannet og ikke vannet til svovelsyren . Når den konsentrerte svovelsyren tilsettes, må også den resulterende løsningen omrøres kraftig.

Dette betyr at vi først må tilsette en betydelig mengde vann i målekolben hvor vi skal tilberede løsningen (det vi kaller en vannpute) og deretter, litt etter litt og under konstant omrøring, tilsetter vi det målte volumet av konsentrert syre. Til slutt får løsningen avkjøles og målingen fullføres med rent vann.

Det er også viktig å holde målekolben i halsen i stedet for ved pæren eller den bredeste delen som er i direkte kontakt med løsningen. Dette er fordi denne siste delen av ballen kan bli veldig varm, noe som enten kan føre til brannskader eller til å miste ballen ved et uhell, bryte den og forårsake farlig syresøl.

Begrunnelse for fremgangsmåten

Hvorfor tilsettes vannet først og syren senere?

Grunnen til at det foretrekkes å tilsette vannet først og deretter syren er en konsekvens av de termodynamiske egenskapene til systemet som dannes ved å blande begge komponentene. Hvis løsningen vi skal tilberede er betydelig mer fortynnet enn den kommersielle løsningen (som er ca. 18 M), så vil blandingen bestå av en stor mengde vann og en liten mengde konsentrert syre.

Hvis vi tilsetter syren først og deretter vannet, vil den lille mengden syre ha en veldig liten varme (eller varme) kapasitet, så en liten mengde varme vil forårsake en stor temperaturendring. I denne situasjonen vil det være veldig enkelt å varme opp syren over 100°C, noe som får vannet til å koke raskt, som å tilsette noen dråper vann i en panne med varm olje.

På den annen side, hvis vi tilsetter et stort startvolum vann før vi tilsetter den konsentrerte syren, vil varmekapasiteten til systemet være mye høyere, siden varmen må fordeles over en større masse og slutttemperaturen blir lavere .

Hvorfor konstant uro?

Den må hele tiden omrøres fordi den termiske ledningsevnen til løsningen er begrenset. Med andre ord, varmen som frigjøres under oppløsningen av syren blir ikke umiddelbart fordelt gjennom vannet; denne prosessen tar tid. Som en konsekvens, hvis vi tilsetter syren for raskt uten å røre, er det mulig for varme å bygge seg opp på et tidspunkt og bringe temperaturen på vannet lokalt til en koking, noe som forårsaker sprut før varmen forsvinner til resten av systemet.

Dette er det samme som skjer når smeltet lava eller glødende metall blir kastet ned i kaldt vann. Vi kan tydelig se hvordan vann som kommer i direkte kontakt med jern eller magma koker lenge før resten av vannet blir varmt.

Omrøring akselererer mekanisk fordeling av varme gjennom løsningen og forhindrer at dette skjer.

Ytterligere sikkerhetstiltak ved tilberedning av svovelsyreløsninger

I tillegg til å følge den nevnte protokollen for å klargjøre løsningen, må vi følge standard sikkerhetstiltak for laboratoriearbeid, siden sprut ikke er den eneste risikoen ved håndtering av disse løsningene. Disse sikkerhetstiltakene inkluderer:

• Bruk en laboratoriefrakk for å beskytte hud og klær . De fleste kjoler er laget av syntetiske materialer som tåler mindre sprut. På den annen side, i tillegg til å unngå skader på klærne våre, kan en dråpe syre på bukser eller en t-skjorte som ikke blir lagt merke til, forårsake alvorlige hudforbrenninger senere.
• Bruk lateks- eller nitrilhansker . Disse hanskene er motstandsdyktige mot mange kjemikalier, inkludert fortynnede svovelsyreløsninger. Ved kontakt med konsentrert syre gir hansken nok beskyttelse til å gi tid til å fjerne den før den brenner seg.
• Bruk vernebriller . Det er den beste måten å beskytte øynene og en god del av ansiktet på.
• Samle håret i en bolle eller en hestehale . Langt hår er en risiko i laboratoriet. Det kan komme i kontakt med syre eller andre reagenser, så det må holdes samlet til enhver tid.
• Ha en liten flaske med en løsning av natriumbikarbonat for hånden . Natriumbikarbonat er et salt som produserer alkaliske løsninger som er i stand til å nøytralisere selv konsentrert svovelsyre. Spraying av overflaten som kommer i kontakt med syren med bikarbonat i tilfelle et utslipp er det første skrittet som må tas for å stoppe dens etsende virkning.

Referanser

Chang, R. (2021). Kjemi (11. ^utgave ). MCGRAW HILL UTDANNING.

Dinamek. (2018, 30. november). Hvordan velge den mest egnede kjemikaliebestandige hansken . Dinameks nettsted. https://www.dinamek.com/blog/how-to-choose-the-chemical-resistant-glove-most-suitable

Hvor mye varme frigjøres hvis en 98 % (m/m) H2SO4-løsning fortynnes til 96 % (m/m) . (2019, 15. februar). American Chemical Society nettsted. 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 egenskaper til vandig svovelsyre. Journal of Chemical & Engineering Data , 59 (8), 2389–2407. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/je4011147