S kyselinou sírovou väčšina ľudí nikdy neprišla do styku. To je dobre, pretože ide o mimoriadne nebezpečnú látku. S istotou však môžeme tvrdiť, že u nás neexistuje nik, kto by každodenne neprichádzal do styku s produktmi, ktorých výroba bezpodmienečne závisí práve od tejto kyseliny. S ohľadom na vyrobené množstvo ide o najvýznamnejšiu priemyselnú chemikáliu.
Kyselina sírová (H2SO4) je na prvý pohľad celkom nenápadná chemikália. Je to bezfarebná olejovitá kvapalina bez zápachu. Práve absencia zápachu ju odlišuje napríklad od silne zapáchajúcej kyseliny chlorovodíkovej (HCl) alebo aj kyseliny octovej (CH3COOH), ktorá je vo forme 8 až 10 % roztoku bežnou potravinárskou ingredienciou. Neprítomnosť zápachu kyseliny sírovej teda nenaznačuje nijaký hroziaci problém a v priehľadnej nádobe si ju môžeme pomýliť s vodou. Na rozdiel od vody má väčšiu hustotu (1,84 g/cm3) a tiež vyššiu teplotu mrznutia (10,36 °C). V zimných mesiacoch by to u nás bola vo vonkajšom prostredí tuhá látka. Teplotou varu 338 °C tromfne vodu omnoho výraznejšie. V bežnej praxi sú zvyčajne k dispozícii jej koncentrované, 96 alebo 98 % roztoky. No aj také malé množstvá vody posúvajú jej teploty tuhnutia k nižším teplotám, takže napríklad 96 % kyselina ju má už iba 3 °C.
Prečo je nebezpečná
Nebezpečné sú predovšetkým veľmi reaktívne koncentrované roztoky. Ich silne oxidačné vlastnosti menia škrob, cukor, celulózu alebo prírodné textilné vlákna na tmavú hmotu, pretože pri reakcii je ich hlavným rozkladným produktom uhlík. Človek nemusí mať veľa fantázie na to, aby si domyslel, čo to urobí s tkanivom pokožky, očí alebo pľúc. Všetky podliehajú nevratným zmenám, ale miera poškodenia závisí od dĺžky kontaktu s kyselinou. Tá spôsobuje ťažké popáleniny, ktoré nie sú len výsledkom oxidačnej degradácie, ale aj silne exotermickej reakcie s vodou v tkanivách.
Tlak pár kyseliny sírovej je pri bežných teplotách nízky, preto by nemalo pri manipulácii s ňou hroziť poškodenie pľúc. Stáva sa však, že pri rôznych prácach z nej môžu vzniknúť veľmi nebezpečné aerosóly. Kyselina sírová patrí medzi silné kyseliny, z čoho vyplývajú aj jej silne korozívne vlastnosti rozrušujúce horniny, stavebné materiály, kovy a zliatiny. Látok, ktoré jej odolávajú, je však viac.
Ako sa vyrába v súčasnosti
Východiskom jej výroby je väčšinou síra z odsírovania ropy a zemného plynu. Menej sa používa aj síra z ložísk vytvorených vulkanickou činnosťou. V minulosti sa namiesto síry využíval najmä minerál pyrit (FeS2), z ktorého sa vyrábala kyselina sírová aj na Slovensku. Ruda obsahovala viac rudných minerálov. Vstupnou surovinou môže byť aj odpadový oxid siričitý (SO2) alebo sulfán (H2S) z rôznych priemyselných technológií.
Súčasná, tzv. kontaktná metóda pozostáva z troch krokov. Prvým je oxidácia síry na oxid siričitý, druhým oxidácia tohto oxidu na oxid sírový (SO3) a tretím je reakcia oxidu sírového s vodou: SO2 >> SO3 >> H2SO4. Princíp je teda jednoduchý. Priemyselné technológie sa však musia vysporiadať s niektorými komplikáciami. Prvý krok je bezproblémový. Je ním spaľovanie síry vzdušným kyslíkom. Druhý krok, oxidácia oxidu siričitého na oxid sírový, vyžaduje prítomnosť katalyzátora, ktorým je zvyčajne žltooranžový oxid vanadičný (V2O5). Táto reakcia prebieha pri teplote 430 °C. Poslednou komplikáciou je mimoriadne búrlivá reakcia oxidu sírového s čistou vodou, vďaka ktorej vzniká horúci žieravý aerosól. Získať z neho kvapalnú kyselinu je ťažké.
Schodným riešením je, že oxid sírový sa nechá zreagovať s malým množstvom vody obsiahnutej v koncentrovanej 98 % kyseline sírovej. Reálne to prebieha vo vežiach, v ktorých sa oxid sírový absorbuje v studenej kyseline. Produktom je oleum, roztok oxidu sírového v kyseline sírovej. (Názov je odvodený z latinského slova pre olej.) Jeho riedením vodou získavame kyselinu s požadovanou koncentráciou. Komerčné produkty majú zvyčajne koncentrácie 25, 37, 48, 78, 96 a 98 %.
Odkedy ju poznáme
Mohlo by sa zdať, že kyselina sírová je moderný chemický produkt. No nie je to tak. Jej história je dlhá. O mineráloch melanterit (zelenej skalici alebo zelenom vitriole) a chalkantit (modrej skalici alebo modrom vitriole), z ktorých sa dala vyrobiť, vedeli ľudia už dávno. Sú to totiž banské minerály, ktoré sa tvoria zvetrávaním sulfidických minerálov železa a medi. Používali sa na rôzne účely, ale až neskôr alchymisti prišli na to, že z nich možno vyrobiť túto kyselinu. Prvá zmienka o jej výrobe sa pripisuje moslimskému alchymistovi Jabirovi ibn Hayyanovi (asi 721 – 815) známemu pod latinským menom Geber.
V 16. storočí boli popísané dva spôsoby jej prípravy. Prvým bolo spaľovanie síry s rôznymi dusíkatými látkami. Spaľovanie prebiehalo v prítomnosti vodných pár. Druhá metóda spočívala v zahrievaní mletého melanteritu (FeSO4 · 7H2O) s vodou a mletým kremeňom v sklenej alebo kamenej nádobe. Výslednú kyselinu nazývali olej z vitriolu.
Komorový proces výroby
Dopyt po kyseline sírovej bol až do polovice 18. storočia malý, lebo sa obmedzoval na výrobu Glauberovej soli (Na2SO4 · 10H2O). Nárast výroby nastal až v roku 1760, keď sa kyselina sírová začala používať na bielenie tkanín. Neskôr ju síce nahradil účinnejší chlór, ktorý sa však vyrábal reakciou kyseliny sírovej s chloridom sodným, takže dopyt neustále stúpal.
Rastúci dopyt po kyseline viedol k tzv. komorovému procesu výroby, ktorý sa používal až do začiatku 20. storočia. Jeho autorom bol anglický vynálezca John Roebuck (1718 – 1794), spolupracovník Jamesa Watta pri vývoji parného stroja. Technológia vychádzala z vulkanickej síry alebo pyritu, ktoré sa spaľovali v prítomnosti dusičnanu draselného (KNO3) v olovených komorách. Následnou reakciou s vodou vznikla 60 % kyselina. Jej vyššie koncentrácie sa získavali zahrievaním v platinových kotlíkoch.
Objav superfosfátu
Od polovice 19. storočia sa záujem o kyselinu sírovú znova významne zvýšil po objave nového hnojiva superfosfátu. (Ten je v súčasnosti označením viacerých hnojív s rôznym obsahom fosforu.) Vyrába sa pomocou kyseliny sírovej z hornín obsahujúcich fosfor. Tá mení pôvodné vo vode nerozpustné minerály na rozpustnú formu. Tu stojí za zmienku, že pôvodne sa ako hnojivo často používali zomleté kosti zvierat, ale aj ľudí. Záujem o ne bol taký veľký, že sa preto po celej Európe dlho vykrádali cintoríny a katakomby.
Autorom nápadu využiť kyselinu sírovú na spracovanie skameneného trusu živočíchov bol Angličan William Buckland, ktorý si postup nechal patentovať a v roku 1842 ho začal vyrábať pod názvom super phosphate of lime (vápenatý superfosfát). V súčasnosti sa viac ako polovica celosvetovej produkcie kyseliny sírovej využíva práve na výrobu superfosfátu.
Nedržte ju v otvorenej nádobe
Toto dôležité pravidlo platí pre všetky chemikálie, a predovšetkým pre tie žieravé a toxické, no v rámci malého experimentu by sme ho mohli porušiť. (Rozhodne to neskúšajte!) Ak do malej kadičky nalejeme malé množstvo koncentrovanej kyseliny sírovej, po určitom čase zistíme, že jej hladina trochu stúpla. Vyzerá to tak, ako keby k nej niekto niečo prilial. Je to zaujímavé, pretože sme zvyknutí na to, že pri iných kvapalinách ich hladina v dôsledku odparovania postupne klesne, až nakoniec úplne zmizne. Toto samovoľné pribúdanie kyseliny sírovej je spôsobené práve pohlcovaním vodných pár zo vzduchu.
Súčasná kontaktná metóda
Na konci prvej svetovej vojny bola komorová výroba kyseliny sírovej vytlačená novým kontaktným procesom, ktorý ju umožňoval získať s vyššou koncentráciou bez nutnosti odparovania vody. Tá bola nevyhnutná pre výrobu farbív, výbušnín a iných látok. Prvé najväčšie fabriky na výrobu kyseliny sírovej týmto spôsobom postavili v 80. rokoch 19. storočia v Nemecku. Patrili nemeckej priemyselnej skupine BASF (Badische Anilin- und Sodafabrik).
Ďalším veľkým výrobcom tejto kyseliny bol tiež nemecký Hoechst, ktorý prvý závod postavil v 90. rokoch 19. storočia. Obe spoločnosti sa stali zároveň aj najväčšími svetovými výrobcami syntetických farbív.
Text a foto prof. Ing. Karol Jesenák, CSc.
