วิธีผสมกรดกำมะถันกับน้ำอย่างปลอดภัย

กรดกำมะถัน (H ₂ SO ₄ ) เป็นหนึ่งในกรดแร่แรงที่รู้จักกันดี เป็นออกซิไดซ์ของธาตุกำมะถันในสถานะออกซิเดชันสูงสุด (VI) และมาจากไฮเดรชันของซัลฟิวริกแอนไฮไดรด์หรือซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO ₃ ) เป็นกรดไดโปรติกที่การแยกตัวครั้งแรกเกือบสมบูรณ์และการแตกตัวครั้งที่สองยังคงค่อนข้างแข็งแกร่ง ดังนั้นไบซัลเฟตไอออน (HSO ₄ ^– ) จึงเป็นไอออนที่เป็นกรด

สารละลายกรดซัลฟิวริกมีอยู่ทั่วไปในห้องปฏิบัติการเคมีและชีววิทยา ซึ่งใช้เป็นสารทำปฏิกิริยาเคมี เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และในบางกรณีอาจใช้เป็นสารทำความสะอาดวัสดุในห้องปฏิบัติการด้วย ในการใช้งานทั้งหมดเหล่านี้ จำเป็นต้องใช้สารละลายกรดซัลฟิวริกที่มีความเข้มข้นต่างกัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการเตรียมสารละลายจึงเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการประจำในห้องปฏิบัติการเหล่านี้

ดังที่กล่าวไว้ สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าการเตรียมสารละลายกรดซัลฟิวริกไม่ใช่แค่การผสมกรดกับน้ำเท่านั้น เนื่องจากการทำเช่นนั้นผิดวิธีอาจเป็นอันตรายอย่างมากและนำไปสู่อุบัติเหตุร้ายแรง

ทำไมการผสมกรดซัลฟิวริกกับน้ำจึงเป็นอันตราย?

เหตุผลที่การผสมกรดซัลฟิวริกกับน้ำอาจเป็นอันตรายได้เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อรวมสารประกอบทั้งสองนั้นคายความร้อนมาก นั่นคือพวกมันจะปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา ปฏิกิริยาดังกล่าวประกอบด้วยการละลายของกรดและการโปรตอนของน้ำเพื่อสร้างไฮโดรเนียมไอออน:

การแยกตัวครั้งที่สองสามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน แต่สิ่งนี้มีความสำคัญน้อยกว่าครั้งแรกมาก:

ปฏิกิริยาทั้งสองเป็นแบบคายความร้อน และหากไม่มีการควบคุม ความร้อนทั้งหมดนี้สามารถเพิ่มอุณหภูมิของสารละลายให้สูงกว่า 100°C อย่างรวดเร็ว ทำให้น้ำ (ซึ่งมีจุดเดือดต่ำกว่ากรดกำมะถันบริสุทธิ์) ซึ่งจะทำให้เกิดกรดเข้มข้นกระเด็นเข้าตา ผิวหนัง เสื้อผ้า หรือพื้นผิวใดๆ ในห้องทดลอง

หากสิ่งนี้เกิดขึ้น เราอาจถูกเผาไหม้อย่างรุนแรงได้ เนื่องจากกรดซัลฟิวริกเข้มข้นจะทำลายหรือทำให้สารอินทรีย์ใดๆ ที่สัมผัสกับมันกลายเป็นถ่านแทบจะในทันที ถ้ากระเด็นเข้าตาก็มีโอกาสมากที่เราจะสูญเสียการมองเห็นได้

นอกจากนี้ หากโชคไม่ดีที่เราสูดกรดซัลฟิวริกเข้มข้นเข้าไปและกรดเหล่านั้นเข้าไปถึงทางเดินหายใจและปอดของเรา แผลไหม้และการบาดเจ็บอื่นๆ อาจเป็นอันตรายต่อชีวิตของเรา

โชคดีที่มีวิธีเตรียมสารละลายกรดซัลฟิวริกที่ช่วยลดความเสี่ยงของการสปัตเตอร์และการกระเด็นจากกรดเข้มข้น เมื่อรวมกับชุดมาตรการรักษาความปลอดภัยมาตรฐานในห้องปฏิบัติการเคมีใดๆ ก็มักจะเพียงพอที่จะป้องกันอุบัติเหตุส่วนใหญ่ และลดอันตรายหากเกิดขึ้น

วิธีที่ปลอดภัยในการเตรียมสารละลายจากกรดซัลฟิวริกเข้มข้น

หลักง่ายๆในการผสมกรดซัลฟิวริกกับน้ำอย่างปลอดภัยคือต้องเติมกรดซัลฟิวริกลงในน้ำเสมอ ไม่ใช่เติมน้ำลงไปในกรดซัลฟิวริก นอกจากนี้ เมื่อมีการเติมกรดซัลฟิวริกเข้มข้น สารละลายที่ได้จะต้องถูกกวนอย่างแรง

ซึ่งหมายความว่า อันดับแรก เราต้องเติมน้ำในปริมาณที่พอเหมาะในขวดวัดปริมาตรที่เราจะเตรียมสารละลาย (เรียกว่าเบาะรองน้ำ) จากนั้น ทีละเล็กทีละน้อยและภายใต้การกวนอย่างต่อเนื่อง เราจะเพิ่มปริมาตรของกรดเข้มข้นที่วัดได้ ในที่สุด สารละลายจะปล่อยให้เย็นลงและการวัดจะเสร็จสมบูรณ์ด้วยน้ำบริสุทธิ์

สิ่งสำคัญคือต้องจับขวดวัดปริมาตรที่คอขวดแทนที่จะจับที่กระเปาะหรือส่วนที่กว้างที่สุดที่สัมผัสกับสารละลายโดยตรง นี่เป็นเพราะส่วนสุดท้ายของลูกบอลอาจร้อนจัดจนไหม้หรือทำลูกบอลตกโดยไม่ตั้งใจ ทำให้ลูกบอลแตกและทำให้กรดรั่วไหลได้

เหตุผลของขั้นตอน

ทำไมเติมน้ำก่อนแล้วเติมกรดทีหลัง?

เหตุผลที่นิยมเติมน้ำก่อนแล้วจึงเติมกรดเป็นผลมาจากคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของระบบที่เกิดจากการผสมส่วนประกอบทั้งสอง หากสารละลายที่เราจะเตรียมเจือจางมากกว่าสารละลายทั่วไป (ประมาณ 18 M) ส่วนผสมจะประกอบด้วยน้ำจำนวนมากและกรดเข้มข้นเล็กน้อย

ถ้าเราเติมกรดก่อนแล้วจึงเติมน้ำ กรดจำนวนเล็กน้อยจะมีความจุความร้อน (หรือความร้อน) น้อยมาก ดังนั้นความร้อนจำนวนเล็กน้อยจะทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงมาก ในสถานการณ์เช่นนี้ การทำให้กรดร้อนเกิน 100°C เป็นเรื่องง่ายมาก ทำให้น้ำเดือดอย่างรวดเร็ว เหมือนกับการเติมน้ำสองสามหยดลงในกระทะที่มีน้ำมันร้อน

ในทางกลับกัน หากเราเติมน้ำในปริมาณมากก่อนที่จะเติมกรดเข้มข้น ความจุความร้อนของระบบจะสูงขึ้นมาก เนื่องจากความร้อนจะต้องกระจายไปทั่วมวลที่มากขึ้นและอุณหภูมิสุดท้ายจะต่ำลง .

ทำไมความปั่นป่วนอย่างต่อเนื่อง?

ต้องกวนอย่างต่อเนื่องเนื่องจากค่าการนำความร้อนของสารละลายมีจำกัด กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการละลายของกรดจะไม่กระจายไปทั่วน้ำในทันที กระบวนการนี้ต้องใช้เวลา ผลที่ตามมาคือ หากเราเติมกรดเร็วเกินไปโดยไม่คน ความร้อนอาจสะสมที่จุดหนึ่งและทำให้อุณหภูมิของน้ำในพื้นที่เดือด ทำให้เกิดการกระเด็นก่อนที่ความร้อนจะกระจายไปยังส่วนอื่นๆ ของระบบ

นี่เป็นสิ่งเดียวกับที่เกิดขึ้นเมื่อลาวาหลอมเหลวหรือโลหะที่ลุกเป็นไฟจมลงในน้ำเย็น เราสามารถเห็นได้อย่างชัดเจนว่าน้ำที่สัมผัสโดยตรงกับเหล็กหรือหินหนืดจะเดือดนานก่อนที่น้ำที่เหลือจะร้อนได้อย่างไร

การกวนจะเร่งการกระจายความร้อนทั่วสารละลายและป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้น

มาตรการความปลอดภัยเพิ่มเติมเมื่อเตรียมสารละลายกรดซัลฟิวริก

นอกเหนือจากการปฏิบัติตามระเบียบการข้างต้นเพื่อเตรียมสารละลายแล้ว เราต้องปฏิบัติตามมาตรการความปลอดภัยมาตรฐานสำหรับงานในห้องปฏิบัติการ เนื่องจากการกระเด็นไม่ได้เป็นเพียงความเสี่ยงเพียงอย่างเดียวเมื่อจัดการกับสารละลายเหล่านี้ มาตรการรักษาความปลอดภัยเหล่านี้รวมถึง:

• สวมเสื้อคลุมห้องปฏิบัติการเพื่อปกป้องผิวหนังและเสื้อผ้า เสื้อคลุมส่วนใหญ่ทำจากวัสดุสังเคราะห์ที่สามารถทนต่อการกระเด็นเล็กน้อยได้ ในทางกลับกัน นอกจากการหลีกเลี่ยงไม่ให้เสื้อผ้าเสียหายแล้ว การหยดกรดลงบนกางเกงหรือเสื้อยืดโดยที่ไม่มีใครสังเกตเห็นอาจทำให้ผิวหนังไหม้ได้ในภายหลัง
• สวมถุงมือยางหรือถุงมือไนไตร ถุงมือเหล่านี้ทนทานต่อสารเคมีหลายชนิด รวมถึงสารละลายกรดซัลฟิวริกเจือจาง ในกรณีที่สัมผัสกับกรดเข้มข้น ถุงมือให้การป้องกันที่เพียงพอเพื่อให้เวลาดึงออกก่อนที่จะเกิดแผลไหม้
• สวมแว่นตานิรภัย เป็นการปกป้องดวงตาและส่วนที่ดีของใบหน้าได้ดีที่สุด
• รวบผมเป็นมวยหรือหางม้า ผมยาวมีความเสี่ยงในห้องปฏิบัติการ สามารถสัมผัสกับกรดหรือสารรีเอเจนต์อื่น ๆ ได้ ดังนั้นจึงต้องเก็บสะสมไว้ตลอดเวลา
• เตรียมขวดขนาดเล็กที่มีสารละลายโซเดียมไบคาร์บอเนตไว้ในมือ โซเดียมไบคาร์บอเนตเป็นเกลือที่ผลิตสารละลายอัลคาไลน์ที่สามารถทำให้กรดซัลฟิวริกเข้มข้นเป็นกลางได้ การฉีดพ่นพื้นผิวที่สัมผัสกับกรดด้วยไบคาร์บอเนตในกรณีที่เกิดการรั่วไหลเป็นขั้นตอนแรกที่ต้องดำเนินการเพื่อหยุดฤทธิ์กัดกร่อน

อ้างอิง

ช้าง ร. (2564). เคมี ( ^ฉบับ ที่ 11 ) MCGRAW HILL การศึกษา

ไดนาเม็ก. (2561, 30 พฤศจิกายน). วิธีเลือกถุงมือกันสารเคมีที่เหมาะสมที่สุด . เว็บไซต์ไดนาเม็ก. https://www.dinamek.com/blog/how-to-choose-the-chemical-resistant-glove-most-suitable

ปริมาณความร้อนจะถูกปล่อยออกมาหากสารละลาย H2SO4 98% (m/m) ถูกเจือจางเป็น 96% (m/m ) (2562, 15 กุมภาพันธ์). เว็บไซต์สมาคมเคมีอเมริกัน 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). คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของกรดซัลฟิวริกในน้ำ Journal of Chemical & Engineering Data , 59 (8), 2389–2407. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/je4011147