Sulfuric acid | Công thức, tính chất và ứng dụng của H2SO4

Sulfuric acid (H₂SO₄), còn gọi là acid sulfuric, là một hóa chất quan trọng trong công nghiệp và được sử dụng phổ biến ở cả dạng sulfuric acid loãng và sulfuric acid đặc. Hai dạng này có sự khác nhau rõ rệt về tính chất hóa học: dung dịch loãng chủ yếu thể hiện tính acid mạnh, trong khi sulfuric acid đặc còn có tính oxi hóa mạnh và tính háo nước.

Vì vậy, để hiểu rõ sulfuric acid là gì, cách phân biệt tính chất của sulfuric acid loãng và đặc, cũng như cách pha loãng sulfuric acid an toàn, người học cần nắm chắc đặc điểm và nguyên tắc sử dụng của H₂SO₄.

Sulfuric acid là gì?

Sulfuric acid (H₂SO₄), còn gọi là acid sulfuric (sulphuric acid), là một acid vô cơ mạnh và là hóa chất quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp [1].

Công thức hóa học của sulfuric acid là H₂SO₄. Phân tử sulfuric acid gồm một nguyên tử sulfur (S) ở trung tâm, hai nguyên tử hydrogen linh động và bốn nguyên tử oxygen có độ âm điện lớn. Giữa các phân tử sulfuric acid có thể hình thành liên kết hydrogen [1].

Tính chất vật lí và cách pha loãng sulfuric acid

Tính chất vật lí của sulfuric acid

Ở điều kiện thường, sulfuric acid là chất lỏng sánh như dầu, không màu, không bay hơi và có tính hút ẩm mạnh. Vì vậy, sulfuric acid đặc có thể được dùng làm chất hút ẩm để làm khô một số chất không phản ứng với acid [1].

Sulfuric acid đặc có thể dùng để làm khô nhiều khí không phản ứng với acid; không dùng sulfuric acid đặc để làm khô các khí có thể phản ứng với nó, chẳng hạn NH₃ hoặc H₂S.

Dung dịch sulfuric acid 98% có khối lượng riêng 1,84 g/\(cm^3\) và nặng gần gấp 2 lần nước [1].

Cách pha loãng sulfuric acid đặc an toàn

Sulfuric acid tan vô hạn trong nước và quá trình hòa tan tỏa rất nhiều nhiệt. Khi pha loãng sulfuric acid đặc, phải rót từ từ acid vào nước, vừa rót vừa khuấy đều; không đổ nước vào sulfuric acid đặc [1].

Quy tắc an toàn khi sử dụng sulfuric acid

Bảo quản sulfuric acid

Sulfuric acid được bảo quản trong chai, lọ có nút đậy chặt, đặt ở vị trí chắc chắn.

Đặt chai, lọ đựng dung dịch sulfuric acid đặc cách xa các lọ chứa chất dễ gây cháy, nổ như chlorate, perchlorate, permanganate, dichromate [1].

Nguyên tắc sử dụng sulfuric acid an toàn

1. Sử dụng găng tay, đeo kính bảo hộ, mặc áo thí nghiệm.

2. Cầm dụng cụ chắc chắn, thao tác cẩn thận.

3. Không tì, đè chai đựng acid lên miệng cốc, ống đong khi rót acid.

4. Sử dụng lượng acid vừa phải, lượng acid còn thừa phải thu hồi vào lọ đựng.

5. Không được đổ nước vào dung dịch acid đặc.

Các nguyên tắc trên giúp hạn chế nguy cơ bỏng và sự cố khi thao tác với sulfuric acid đặc [1].

Sơ cứu khi tiếp xúc với sulfuric acid

1. Nếu sulfuric acid tiếp xúc với da, lập tức xả vùng bị ảnh hưởng dưới thật nhiều nước trong ít nhất 15 phút và loại bỏ quần áo bị nhiễm acid.

2. Nếu acid bắn vào mắt, rửa mắt ngay bằng nhiều nước trong ít nhất 15 phút; tháo kính áp tròng nếu có thể thực hiện dễ dàng và cần được chăm sóc y tế ngay.

3. Không tự trung hòa acid trên da hoặc trong mắt bằng hóa chất khác; sau khi rửa, cần đưa người bị nạn đến cơ sở y tế để được đánh giá và xử trí phù hợp.

Tính chất hóa học của sulfuric acid

Sulfuric acid loãng

Dung dịch sulfuric acid loãng có đầy đủ các tính chất hóa học của một acid mạnh [1].

Tính acid mạnh của sulfuric acid loãng

• Làm đổi màu chất chỉ thị: sulfuric acid làm quỳ tím chuyển sang màu đỏ.

• Phản ứng với kim loại đứng trước hydrogen (như Fe, Zn, Al…) tạo muối sulfate và giải phóng khí hydrogen:

\[Zn+H_2SO_{4\left(aq\right)}\to ZnSO_4+H_2\uparrow\]

• Phản ứng với oxide base tạo muối sulfate và nước:

\[CuO+H_2SO_{4\left(aq\right)}\to CuSO_4+H_2O\]

• Phản ứng trung hòa với base tạo muối sulfate và nước:

\[2NaOH+H_2SO_{4\left(aq\right)}\to Na_2SO_4+2H_2O\]

• Phản ứng với dung dịch muối tạo acid mới yếu hơn hoặc muối mới không tan:

\[Na_2CO_3+H_2SO_{4\left(aq\right)}\rightarrow Na_2SO_4+CO_2+H_2O\]

\[BaCl_2+H_2SO_{4\left(aq\right)}\rightarrow BaSO_4+2HCl\]

Sulfuric acid đặc

Tính oxi hóa mạnh

Sulfuric acid đặc vẫn có tính acid mạnh; ngoài ra, dung dịch sulfuric acid đặc còn có tính oxi hóa mạnh, đặc biệt khi đun nóng. Trong các phản ứng oxi hóa – khử, sulfur trong H₂SO₄ có thể giảm từ số oxi hóa +6 xuống +4, 0 hoặc −2 [1].

\[S^{+6}+2e\rightarrow S^{+4}\;(SO_2)\]

\[S^{+6}+6e\rightarrow S^{0}\]

\[S^{+6}+8e\rightarrow S^{-2}\;(H_2S)\]

Các sản phẩm khử của sulfuric acid đặc

• Khí sulfur dioxide (SO2): là sản phẩm khử phổ biến nhất, chất khí không màu, mùi xốc, thường được tạo ra khi sulfuric acid đặc phản ứng với một số kim loại như Cu, Ag… [1].

\[Cu+2H_2SO_4\left(đặc\right)\xrightarrow{t^\circ}CuSO_4+SO_2+2H_2O\]

• Lưu huỳnh (S): chất rắn màu vàng, thường được tạo ra khi cho sulfuric acid đặc phản ứng với chất khử rất mạnh như hydrogen sulfide (\(H_2S\)).

\[H_2S+H_2SO_4\left(đặc\right)\xrightarrow{t^\circ}S+SO_2+2H_2O\]

• Khí hydrogen sulfide (H₂S): có thể xuất hiện khi sulfuric acid đặc phản ứng với một số kim loại có tính khử mạnh như Mg, Zn, Al… [1].

\[4Mg+5H_2SO_4\left(đặc\right)\xrightarrow{t^\circ}4MgSO_4+H_2S+4H_2O\]

Tính háo nước

Dung dịch sulfuric acid đặc có tính háo nước mạnh, có khả năng lấy nước từ một số hợp chất carbohydrate và làm chúng hóa đen do hiện tượng than hóa [1].

Do tính háo nước mạnh, sulfuric acid đặc có thể làm cellulose trong sợi bông bị tách nước và hóa đen [1].

Hiện tượng:

• Đường trắng (\(C_{12}H_{22}O_{11}\)) chuyển dần sang màu đen (carbon).

• Carbon xốp phồng lên và trào ra khỏi miệng cốc.

• Phản ứng tỏa rất nhiều nhiệt, có khói trắng và mùi.

• Khí mùi hắc (\(SO_2\)) và khí \(CO_2\) thoát ra làm sủi bọt.

Phương trình hóa học:

\[C_{12}H_{22}O_{11}\xrightarrow{H_2SO_4\;đặc}12C+11H_2O\]

\[C+2H_2SO_4\left(đặc\right)\xrightarrow{t^\circ}CO_2+2SO_2+2H_2O\]

Ứng dụng của sulfuric acid

Sulfuric acid được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như sản xuất phân bón, chất tẩy rửa, chế biến dầu mỏ, sản xuất muối và acid, thuốc nổ, chất dẻo, tơ sợi, giấy và thuốc nhuộm [1].

Sản xuất sulfuric acid trong công nghiệp

Trong công nghiệp, sulfuric acid chủ yếu được sản xuất theo phương pháp tiếp xúc từ sulfur (S) hoặc quặng pyrite chứa FeS₂, gồm ba giai đoạn chính [1].

Giai đoạn 1: Sản xuất sulfur dioxide

Sulfur dioxide được sản xuất bằng cách đốt cháy sulfur, pyrite hoặc quặng sulfide trong lò đốt bằng không khí [1].

\[S+O_2\xrightarrow{t^\circ}SO_2\]

\[4FeS_2+11O_2\xrightarrow{t^\circ}2Fe_2O_3+8SO_2\]

Giai đoạn 2: Sản xuất sulfur trioxide

Oxi hóa sulfur dioxide bằng không khí dư ở nhiệt độ khoảng 450 °C, áp suất 1–2 bar, xúc tác vanadium(V) oxide (\(V_2O_5\)), hiệu suất đạt trên 98% [1].

\[2SO_2+O_2\rightleftharpoons 2SO_3\]

Giai đoạn 3: Hấp thụ sulfur trioxide và tạo sulfuric acid

Sulfur trioxide (SO₃) được hấp thụ vào sulfuric acid đặc để tạo oleum, có công thức chung H₂SO₄·nSO₃. Sau đó, oleum được pha loãng bằng nước để thu sulfuric acid có nồng độ thích hợp [1].

\[H_2SO_4+nSO_3\rightarrow H_2SO_4\cdot nSO_3\]

\[H_2SO_4\cdot nSO_3+nH_2O\rightarrow (n+1)H_2SO_4\]

Tham khảo thêm: Cân bằng hóa học | Khái niệm và các yếu tố ảnh hưởng

Bài tập sulfuric acid có đáp án và giải thích

Câu 1: Tính chất nào sau đây không phải tính chất của dung dịch sulfuric acid đặc?

A. Tính háo nước.

B. Tính oxi hóa.

C. Tính acid.

D. Tính khử.

Đáp án: D.

Giải thích: Sulfuric acid đặc vẫn có tính acid mạnh, đồng thời có tính oxi hóa mạnh và tính háo nước. Sulfuric acid không có tính khử, nên đáp án đúng là D.

Câu 2: Để nhận biết anion có trong dung dịch \(K_2CO_3\), không thể dùng thuốc thử nào sau đây?

A. \(Ba\left(OH\right)_2\).

B.\(BaCl_2\).

C. \(Ba\left(NO_3\right)_2\).

D. \(MgCl_2\).

Đáp án: D.

Giải thích: Dùng cation \(Ba^{2+}\) để nhận biết anion \(CO_3^{2-}\)

Mg²⁺ có thể tạo kết tủa MgCO₃, nhưng đây không phải thuốc thử đặc trưng để nhận biết ion CO₃²⁻ trong bài toán này.

Câu 3: Kim loại nào sau đây không tác dụng với dung dịch \(H_2SO_4\) loãng?

A. Al.

B. Zn.

C. Na.

D. Cu.

Đáp án: D.

Giải thích: Copper (Cu) không tác dụng với dung dịch H₂SO₄ loãng vì Cu đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động hóa học của kim loại.

Câu 4: Cho 11,2 g Fe tác dụng hoàn toàn với dung dịch H₂SO₄ loãng dư, thu được dung dịch X và khí H₂. Khối lượng dung dịch sau phản ứng tăng hay giảm so với ban đầu bao nhiêu gam?

A. Giảm 10,8 g

B. Tăng 10,8 g

C. Tăng 10,2 g

D. Giảm 10,2 g

Đáp án: B.

Giải thích:

n(Fe) = 11,2/56 = 0,2 mol. Theo phương trình Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂, n(H₂) = 0,2 mol nên m(H₂) = 0,4 g. Vì Fe đi vào dung dịch còn H₂ thoát ra, khối lượng dung dịch tăng 10,8 g.

\[\Delta m_{\text{dd}}=m_{\text{Fe}}-m_{H_2}=11.2-0.4=10.8\;g\]

Câu 5: Cho 2,8 g Fe tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng. Thể tích SO₂ thu được ở điều kiện chuẩn (đkc) là bao nhiêu?

A. 1,86 L.

B. 3,36 L.

C. 1,68 L.

D. 1,65 L.

Đáp án: A.

Giải thích:

\[2Fe+6H_2SO_4\left(đặc\right)\xrightarrow{t^\circ}Fe_2(SO_4)_3+3SO_2+6H_2O\]

n(Fe) = 2,8/56 = 0,05 mol, nên n(SO₂) = 0,05 × 3/2 = 0,075 mol.

Ở đkc, Vₘ = 24,79 L/mol nên V(SO₂) = 0,075 × 24,79 ≈ 1,86 L.

Sulfuric acid (H₂SO₄) là một acid vô cơ mạnh, có nhiều tính chất và ứng dụng quan trọng trong Hóa học 11 cũng như trong công nghiệp. Ở điều kiện thường, sulfuric acid là chất lỏng sánh như dầu, không màu, khó bay hơi và có tính hút ẩm mạnh. Sulfuric acid loãng chủ yếu thể hiện tính acid mạnh, còn sulfuric acid đặc có thêm tính oxi hóa mạnh và tính háo nước. Nhờ những đặc tính này, H₂SO₄ được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất chất tẩy rửa, muối và acid, thuốc nổ, chất dẻo, tơ sợi, giấy và phân bón. Trong công nghiệp, sulfuric acid được sản xuất chủ yếu từ sulfur (S) hoặc quặng pyrite qua nhiều giai đoạn phản ứng. Học sinh có thể tiếp tục hệ thống kiến thức và luyện tập thêm trong chuyên đề Hóa học 11 tại ZIM Academy.