સલ્ફ્યુરિક ઍૅસિડ (ગંધકનો તેજાબ)

સલ્ફ્યુરિક ઍૅસિડ (ગંધકનો તેજાબ) : જલદ ખનિજ ઍસિડ. તે વિટ્રિયોલના તેલ (oil of vitriol) અથવા વિટ્રિયોલિક ઍસિડ તરીકે પણ ઓળખાય છે. સૂત્ર H2SO4. રાસાયણિક સંયોજનો પૈકી તે અત્યંત અગત્યનું હોઈ લગભગ દરેક દેશમાં તેનું ઉત્પાદન મોટા પાયા પર થાય છે. પર્શિયન લેખક અબૂ બક્ર અલ રાઝીએ 940માં તેનો ઉલ્લેખ કરેલો છે. મધ્યયુગના અંત ભાગમાં ફેરસ સલ્ફેટ(હીરાકસી, green vitriol)ના સ્ફટિકને ગરમ કરીને તે મેળવવામાં આવતો હતો. 18મી સદીની શરૂઆતમાં સલ્ફરને ચિલી સૉલ્ટ પીટર(NaNO₃)ને થોડું પાણી ધરાવતાં કાચનાં પાત્રોમાં બાળીને તે મેળવવામાં આવતો. 1972માં સોવિયેત સંઘના વેનેરા(Venera)-8 અને 1978માં યુ.એસ.ના વેનસ પાયોનિયર-2 દ્વારા શુક્રના વાતાવરણમાં પણ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ હોવાનું માલૂમ પડ્યું છે.

ઔદ્યોગિક રીતે સલ્ફ્યુરિક ઍસિડના ઉત્પાદન માટેની બે પદ્ધતિઓ છે : સંપર્ક-પ્રવિધિ (contact process) અને લેડ ચેમ્બર-પ્રવિધિ (lead chamber process). લૅડ ચેમ્બર-પદ્ધતિ 1746ના અરસામાં બર્મિંગહામ(યુ.કે.)ના જોહ્ન રોઇબકે દાખલ કરી હતી. 1793માં ક્લેમેન્ટ અને ડેસોર્મસે શોધ કરી કે સલ્ફરને બાળવા માટે હવાનો ઉપયોગ કરવાથી સોડિયમ નાઇટ્રેટનું પ્રમાણ ઘટાડી શકાય છે. ત્યારબાદ સલ્ફરને હવામાં બાળીને તેમાંથી ઉત્પન્ન થતા સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ (SO₂)નું સલ્ફર ટ્રાયૉક્સાઇડ(SO₃)માં ઉપચયન પાણીની હાજરીમાં નાઇટ્રિક ઍસિડની મદદથી કરવાનું શરૂ થયું. પ્રક્રિયા લેડ(સીસા)ની દીવાલો ધરાવતા મોટા ઓરડાઓમાં કરવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિથી 78 % જેટલો સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ મળે છે. જોકે હવે આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ લગભગ બંધ થઈ ગયો છે.

1831માં પિરેગ્રાઇન ફિલિપ્સે શોધી કાઢ્યું કે પ્લૅટિનમ ઉદ્દીપક-(પ્લૅટિનમયુક્ત ઍસ્બેસ્ટૉસ)ની હાજરીમાં સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડનું હવા વડે સલ્ફર ટ્રાયૉક્સાઇડમાં રૂપાંતર થઈ શકે છે. સંપર્ક-પદ્ધતિમાં ઉપયોગમાં લેવાતો સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ સલ્ફર(ગંધક)ને બાળીને અથવા આયર્ન પાઇરાઇટિસ(FeS₂)ના ભૂંજન(roasting)થી મેળવવામાં આવે છે. વૈશ્વિક સ્તરે 65 % જેટલો SO₂ ગંધકને બાળીને, જ્યારે 35 % જેટલો સલ્ફાઇડ ખનિજોના ભૂંજનથી મેળવવામાં આવે છે. આધુનિક પદ્ધતિમાં પોટૅશિયમ સલ્ફેટ પ્રવર્ધિત વૅનેડિયમ (V) ઑક્સાઇડનો ઉદ્દીપક તરીકે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આર્સેનિકની હાજરી ઉદ્દીપક માટે વિષ સમાન હોવાથી તેને દૂર કરવું જરૂરી છે. ઉદ્દીપકને સિલિકા (SiO₂) અથવા કીઝલગુર (kieselguhr)ના ટેકા ઉપર પાતળા સ્તર રૂપે વિસરિત કરવામાં આવે છે.

સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડનું ઉપચયન એ ઉષ્માક્ષેપક અને પ્રતિવર્તી પ્રક્રિયા છે :

SO₂ + ½O₂ ↔ SO₃ ΔH = –98kJ મોલ1

લ શેટેલિયર(Le Chatelier)ના નિયમ પ્રમાણે SO₃ની નીપજ દબાણ વધારવાથી, ઑક્સિજનનું પ્રમાણ વધારવાથી તથા પ્રક્રિયાક્ષેત્રમાંથી SO₃ને દૂર કરવાથી વધી શકે. તાપમાનમાં વધારો કરવાથી પ્રક્રિયાદરમાં વધારો થાય છે, પણ તેનાથી અગ્રગામી પ્રક્રિયાની ઊપજ(yield)માં ઘટાડો થાય છે. આથી ઊપજને ઘટાડ્યા વિના પ્રક્રિયાને પ્રવેગિત કરવા ઉદ્દીપકનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ઇષ્ટતમ સ્થિતિ માટે O₂/SO₂નું સમમોલર(equimolar) (હવા/SO₂ : 5 : 1) ભરણ (feed) અને ચાર તબક્કાવાળા પરિવર્તક(converter)નો ઉપયોગ થાય છે. (આકૃતિ 2)

વૅનેડિયમ પેન્ટૉક્સાઇડ ઉદ્દીપક 400° સે. તાપમાનથી નીચે અક્રિય (inactive) હોય છે, જ્યારે 620° સે.થી વધુએ તે વિઘટન પામે છે. પરિવર્તક લગભગ 13 મી. ઊંચું અને 9 મી. વ્યાસવાળું હોઈ શકે છે. તેમાં 80 ટન જેટલી ઉદ્દીપકની ગોળીઓ (pellets) ભરી શકાય છે અને તે રોજના 500 ટન જેટલો ઍસિડ ઉત્પન્ન કરી શકે છે. ઉદ્દીપક-પ્રસ્તર(catalyst bed)માંથી પસાર થતાં વાયુનું તાપમાન વધે છે. તેને પ્રથમ ત્રણ તબક્કામાં બાહ્ય ઉષ્મા-વિનિમયક ગૂંચળાં(loops)માંથી પસાર કરી ઠંડો કરવામાં આવે છે. આધુનિક ‘બેવડા અવશોષણ’ (double absorption) સંયંત્રોમાં આ તબક્કે SO₃ને દૂર કરી અવશેષી SO₂/O₂ને અંતિમ પરિવર્તન માટે ચોથા તબક્કામાંથી પસાર કરવામાં આવે છે. SO₃ વાયુને સીધો પાણીમાં શોષી શકાતો નથી, કારણ કે તે પ્રથમ અવશોષક ઉપરની પાણીની બાષ્પના સંપર્કમાં આવી H₂SO₄નાં બારીક ટીપાંનું ધુમ્મસ ઉત્પન્ન કરે છે, જે બહાર વાતાવરણમાં ચાલ્યું જાય છે. આથી સિરેમિક દ્રવ્ય ધરાવતાં ટાવરોમાં 98 % સલ્ફ્યુરિક ઍસિડમાં તેનું અવશોષણ કરવામાં આવે છે અને પરિસંચારી (circulating) ઍસિડમાં જોઈતું પાણી ઉમેરી જરૂરી સાંદ્રતા જાળવી રાખવામાં આવે છે.

H₂SO₄ + SO₃ = H₂S₂O₇ (પાયરોસલ્ફ્યુરિક ઍસિડ અથવા ઓલિયમ)

બજારુ ઍસિડ સામાન્ય રીતે 96 %થી 98 % સાંદ્ર હોય છે. પ્રવિધિમાં વપરાતાં મુખ્ય સાધનો મૃદુ પોલાદ (mild steel) અને સ્ટેનલેસ સ્ટીલનાં હોવાથી ઍસિડમાં FeII મુખ્ય અશુદ્ધિ (10 ppm) હોય છે. સાથે સાથે SO₂ અને NO₂ પણ સમમાત્રામાં હોય છે. આર્સેનિક એ ઉદ્દીપનીય વિષ (catalytic poison) હોવાથી SO₂ /હવાના મિશ્રણમાં તે ન હોય તે જરૂરી છે. શુદ્ધ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ વિભાગીય (fractional) સ્ફટિકીકરણ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે.

ગુણધર્મો : સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ રંગવિહીન, શ્યાન (viscous), તેલ જેવું ઘટ્ટ, સંક્ષારક (corrosive) પ્રવાહી છે. તેના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો નીચે પ્રમાણે છે :

સારણી : નિર્જળ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો

ગ.બિં. (0° સે.)	10.371
ઉ.બિં. (0° સે.)	338 (પણ 300°થી ઉપર તેનું વિઘટન શરૂ થાય છે.)
ઘનતા (25° સે.) (ગ્રા. / ઘસેમી.)	1.8367
શ્યાનતા (25° સે.) સેન્ટિપૉઇઝ	24.55
પરાવૈદ્યુતાંક	100
વિશિષ્ટ વાહકતા, k (25° સે.) (ઓહ્મ-1 સેમી.-1)	1.0439 x 10-2

સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ પાણી માટે પ્રબળ આકર્ષણ ધરાવે છે. તેના હાઇડ્રેટો પૈકી મૉનો હાઇડ્રેટ (H₂SO_4·H₂O) પ્રમાણમાં સ્થાયી છે, જ્યારે H₂SO_4·2H₂O તથા H₂SO_4·4H₂O અસ્થાયી છે. પાણી સાથે તે સઘળા પ્રમાણમાં મિશ્ર થઈ શકે છે, પણ પ્રક્રિયા ઘણી ઉષ્માક્ષેપક (~880 kJ/મોલ) હોઈ ઍસિડમાં પાણી ન ઉમેરતાં પાણીમાં ધીરે ધીરે હલાવતાં જઈ ઍસિડ ઉમેરવો જરૂરી છે. તે અસરકારક શુષ્કન-કારક (drying agent) હોઈ વાતાવરણમાંનો ભેજ ચૂસી લે છે તેમજ સ્ટાર્ચ તથા ખાંડ જેવા પદાર્થોમાંથી પાણીના અણુનું શોષણ (નિર્જલીકરણ, dehydration) કરી તેમનામાંથી કાર્બન છૂટો પાડે છે.

ઍસિડ તરીકે તે સલ્ફેટ અને બાઇસલ્ફેટ ક્ષારો આપે છે. આ ઉપરાંત તે પ્રબળ ઉપચયનકર્તા તરીકે વર્તે છે, કારણ કે તે ઑક્સિજનનો પરમાણુ ગુમાવી સલ્ફ્યુરસ ઍસિડ (H₂SO₃) ઉત્પન્ન કરે છે, જેનું તરત જ સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ અને પાણીમાં વિઘટન થાય છે. આથી મોટા ભાગની ધાતુઓ સાથે તેને ગરમ કરતાં તે સલ્ફેટ ક્ષાર બનાવે છે અને સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ વાયુ મુક્ત કરે છે; દા.ત.,

2Ag + 2H₂SO₄ = Ag₂SO₄ + SO₂ ↑ + 2H₂O

જોકે સોનું (gold) તેની સાથે ઓછી પ્રબળતાથી સંયોજાય છે.

ઍસિડમાંના પ્રબળ હાઇડ્રોજન-આબંધન(hydrogen bonding)ને કારણે તેનું ઉત્કલનબિંદુ ઊંચું હોય છે અને તેથી ક્લોરાઇડ અને નાઇટ્રેટ જેવા ક્ષારોમાંથી અનુક્રમે હાઇડ્રોજન ક્લોરાઇડ (HCl) અને નાઇટ્રિક ઍસિડ (HNO₃) મુક્ત થાય છે; દા.ત.,

2NaCl + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2HCl

શુદ્ધ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ વિદ્યુતનો અતિ મંદવાહક છે, પરંતુ તેનું જલીય દ્રાવણ વિદ્યુતવાહક હોય છે. 30 % સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ ધરાવતું તેનું જલીય દ્રાવણ અત્યંત સુવાહક બને છે.

મંદ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ સામાન્ય ઍસિડ તરીકે વર્તે છે અને કેટલીક ધાતુઓને ઓગાળી ધાતુના સલ્ફેટ ક્ષારો બનાવી હાઇડ્રોજન મુક્ત કરે છે; દા.ત.,

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ આલ્કલીનું તટસ્થીકરણ કરે છે જ્યારે કાર્બોનેટ ક્ષારોમાંથી કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ વાયુ મુક્ત કરે છે :

Na₂CO₃ + H₂SO₄ =  Na₂ SO₄ + CO₂ + H₂O

સલ્ફ્યુરિક ઍસિડનું બંધારણીય સૂત્ર સામાન્ય રીતે નીચે પ્રમાણે લખાય છે :

આ તેનાં ઘણાં બંધારણો પૈકીનું એક છે. આમ તે અનુનાદી સંકર (resonance hybrid) છે.

ધૂમાયમાન (fuming) સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ અથવા ઓલિયમ એ શુદ્ધ (~100 %) સલ્ફ્યુરિક ઍસિડમાં સલ્ફર ટ્રાયૉક્સાઇડના અવશોષણથી મળતા દ્રાવણ માટેનું પદ છે. 20 %, 40 % અથવા 65 % SO₃ ધરાવતાં આવાં દ્રાવણો કાર્બનિક રસાયણો બનાવવા ઉપયોગમાં લેવાય છે.

ઉપયોગ : પ્રત્યક્ષ કે પરોક્ષ રીતે સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ ઘણાબધા રાસાયણિક ઉદ્યોગોમાં વપરાય છે. ખાતરો, પ્લાસ્ટિક, પેઇન્ટ (paints), વર્ણકો (pigments), રંગકો (dyes), વિસ્ફોટકો, ઔષધો (drugs) વગેરેની બનાવટમાં તથા પેટ્રોલિયમ-શુદ્ધીકરણમાં તેનો બહોળો ઉપયોગ થાય છે. લોખંડ અને પોલાદ-ઉદ્યોગ, સંગ્રાહક કોષો, ધાતુકર્મીય (metallurgical) અને કાપડ(textile)-ઉદ્યોગમાં તથા સોના અને ચાંદીના શુદ્ધીકરણમાં પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે. ઑક્સિજન, નાઇટ્રોજન અને ક્લોરિન જેવા વાયુઓને ભેજમુક્ત કરવા માટે પણ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે. રસાયણશાસ્ત્રની પ્રયોગશાળામાં તે એક ઉપયોગી પ્રક્રિયક છે. તેના બહુવિધ ઉપયોગોને કારણે કોઈ એક દેશનું સલ્ફ્યુરિક ઍસિડના ઉત્પાદનનું પ્રમાણ એ તે દેશની વ્યાપારિક સ્થિતિનું સૂચક ગણાય છે.

ચિત્રા સુ. દેસાઈ