硫酸（Sulfuric acid）

硫酸（Sulfuric acid）
台北市立第一女子高級中學三年級李依柔/台北市立第一女子高級中學化學科詹莉芬老師修改/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

簡介
硫酸，分子式為 $$H_2SO_4$$，是一種無色無味的液體，也是一種強酸，亦是礦物酸之一，容易溶於水，可以和水做任意比例的混合，是重要的化工原料，因此也被稱為化學工業之母，一個國家工業生產力可由其硫酸的製造量來評斷。

硫酸的製備

• 古法（中國唐朝）

加熱藍色硫酸銅晶體產生無水白色硫酸銅，繼續加熱硫酸銅分解產生氧化銅及三氧化硫，三氧化硫與水反應即得硫酸，反應式如下：

$$CuSO_4\cdot 5H_2O\overset{\Delta}{\longrightarrow}CuSO_{4(s)}+5H_2O$$

$$CuSO_{4(s)}\overset{\Delta}{\longrightarrow}CuO_{(s)}+SO_{3(g)}$$

$$SO_{3(g)}+H_2O\longrightarrow H_2SO_{4(aq)}$$

• 鉛室法（Chamber process，17世紀）：

古老製備硫酸的方法，以二氧化硫為原料，由於二氧化硫氧化成三氧化硫不易進行，需要是當催化劑增加反應速率，因此以一氧化氮和二氧化氮為催化劑，再將產生的三氧化硫溶於水可得到約70％濃度的硫酸。
因為其所得的硫酸純度較低，且又無法去除一氧化氮及二氧化氮而混有亞硝酸及硝酸在其中，因此在工業上已經被接觸法所取代。
相關反應式：

$$SO_2+\frac{1}{2}O_2\overset{NO,NO_2}{\longrightarrow}SO_3$$

$$SO_3+H_2O\longrightarrow H_2SO_4$$

• 接觸法（Contact process）：

目前工業上製造硫酸的方法，主要分成四個部分。首先，先在空氣中燃燒硫磺產生二氧化硫氣體，經過淨化和除去雜質後，讓二氧化硫和氧氣再以五氧化二釩（V₂O₅）為催化劑的高溫環境中，進行可逆反應生成三氧化硫，之後再用濃硫酸吸收三氧化硫，形成發煙硫酸（H₂S₂O₇），最後把發煙硫酸用水稀釋，形成98%的硫酸。因為這個方法可以得到純度就高的硫酸，因此是現在工業上最普遍使用的方法。
相關反應式：

$$SO_2+\frac{1}{2}O_2\overset{V_2O_5}{\longrightarrow}SO_3$$

$$SO_3+H_2SO_4\longrightarrow H_2S_2O_7$$

$$H_2S_2O_7+H_2O\longrightarrow 2H_2SO_4$$

硫酸的性質及應用

• 加熱濃硫酸至338℃時，硫酸分子將釋放出水及三氧化硫。
• 濃硫酸是黏稠油狀液體，具有脫水性，它可以將碳水化合物中的氫、氧以2：1的比例脫去，留下海綿狀、黑色的碳。因此在使用濃硫酸應該非常小心。
• 濃流酸具有強氧化性，是強氧化劑，可以和活潑的金屬像是鋅、鐵、錳、鎂、鋁等，產生硫或硫化氫。與不活潑的金屬像是銅等反應，被還原成二氧化硫。相關半反應式：

$$SO_{4}^{2-}+8e^-+10H^+\longrightarrow H_2S+4H_2O$$

$$SO_{4}^{2-}+6e^-+8H^+\longrightarrow S+4H_2O$$

$$SO_{4}^{2-}+2e^-+4H^+\longrightarrow SO_2+2H_2O$$

• 濃流酸的強氧化性，可以與非金屬碳或硫反應，但這類反應比較緩慢，通常需要加熱才能進行，相關反應式：

$$C+2H_2SO_4\longrightarrow CO_2+2SO_2+2H_2O$$

$$S+2H_2SO_4\longrightarrow 3SO_2+2H_2O$$

• 稀硫酸僅能與活潑金屬反應，產生氫氣，而不能與其他金屬發生反應。譬如

$$Fe+2H_2SO_4\longrightarrow FeSO_4+H_2$$

• 硫酸是揮發性低的強酸，因此可以利用它的高沸點來製取會揮發或是沸點低的其他酸，像是和硝酸鈉反應產生硝酸、和氯化鈉反應得到氯化氫等等。但因為濃硫酸有強氧化性，因此製備硫化氫、溴化氫、碘化氫等還原性氣體不能使用濃硫酸，會發生氧化還原反應而無法製取所需的產物。相關反應式：

$$2NaNO_{3(s)}+2H_2SO_4\overset{\Delta}{\longrightarrow}2HNO_{3(g)}+Na_2SO_{4(s)}$$

$$2NaCl_{(s)}+H_2SO_4\overset{\Delta}{\longrightarrow}2HCl_{(g)}+Na_2SO_{4(s)}$$

$$2NaBr_{(s)}+2H_2SO_4\overset{\Delta}{\longrightarrow}Br_{2(g)}+SO_{2(s)}+Na_2SO_{4(s)}+2H_2O$$

注意事項

• 硫酸溶於水會放出大量熱，可使水沸騰，因此要稀釋濃硫酸時，應該要將濃硫酸緩緩倒入水中，同時不斷攪拌，讓釋出的熱可以傳導。另外，絕對不可以將水倒入 硫酸中，因為這樣會導致水因為密度比較小而服在濃硫酸上，並且接觸到的面積較小，容易使水因為放出的熱而沸騰，濺出傷人。
• 硫酸是強腐蝕性介質，接觸人體會引起嚴重灼傷，使用時都應該小心，帶好手套等防護用具。若不慎接觸到硫酸，應立即以大量的清水沖洗並就醫。
• 切洋蔥之所以有刺激眼睛的感覺，是由於洋蔥釋放之丙硫醇類之硫的氧化物，與眼睛裡的水分接觸可反應產生硫酸，因此刺激到眼睛。

參考資料：

1. http://terms.nict.gov.tw/search_b.php
2. http://baike.baidu.com/view/1730.htm
3. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A1%AB%E9%85%B8
4. http://web.fccj.org/~ethall/h2so4/h2so4.htm