حمض الكبريتيك (H₂SO₄): الخواص، التحضير، الاستخدامات والمخاطر

يُعتبر حمض الكبريتيك (H₂SO₄) من أكثر المركّبات الكيميائية أهميةً وتأثيرًا في الصناعة والبحث العلمي. فهو حمض معدني قوي يتميّز بخواصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة، مثل قابليته العالية للتآكل، وقدرته على نزع الماء (التجفيف)، وسلوكه كعامل مؤكسد قوي في العديد من التفاعلات.

لا تكمن أهمية هذا الحمض في خصائصه فقط، بل أيضًا في مدى اتساع تطبيقاته. فهو يُستخدم على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية، إنتاج الأسمدة، تصنيع البطاريات، معالجة المياه، وتنقية النفط، حتى أصبح يُعرف بلقب "ملك المواد الكيميائية". ومن الطريف أن كمية حمض الكبريتيك المُستهلكة في دولة ما تُستخدم كمؤشر غير مباشر على درجة تقدمها الصناعي ^[1]!

في هذا المنشور، سنأخذك في جولة علمية متكاملة نتعرّف فيها على:

• البنية الجزيئية لحمض الكبريتيك،
• أهم الخواص الفيزيائية والكيميائية،
• طرق تحضيره الصناعية،
• الاستخدامات الصناعية،
• المخاطر المرتبطة به وطرق التعامل الآمن معه.

سواءً كنت طالبًا في الكيمياء أو باحثًا أو مهندسًا صناعيًا، فإن فهم هذا الحمض الجوهري يُعد خطوة أساسية لفهم لغة الصناعة الحديثة والكيمياء التطبيقية.

🌋 ما هو حمض الكبريتيك؟

حمض الكبريتيك (H₂SO₄) هو أحد أقوى الأحماض المعروفة، ويُعد من أهم المركبات الكيميائية في العالم الصناعي. يتميز بخصائصه الفريدة التي جعلته يدخل في عدد هائل من التطبيقات الكيميائية اليومية والصناعية.

في حالته النقية، هو سائل زيتي شفاف عديم اللون، كثيف للغاية، ولا رائحة له تقريبًا. وعند لمسه للماء أو المواد العضوية، يُظهر سلوكًا عدوانيًا نتيجة تفاعلاته الطاردة للحرارة وقدرته الهائلة على امتصاص الماء.

شكل 1: الصيغة البنائية ثلاثية الأبعاد لحمض الكبريتيك

أطوال الروابط والزوايا في الجزيء

نوع الرابطة	طول الرابطة (Å)	ملاحظات
رابطة \[\ce{S=O}\] (المزدوجة)	\[1.42\ \text{Å}\]	رابطة كبريت-أكسجين ثنائية
رابطة \[\ce{S-O}\] (الأحادية)	\[1.57\ \text{Å}\]	رابطة كبريت-أكسجين أحادية
رابطة \[\ce{O-H}\]	\[0.97\ \text{Å}\]	رابطة أكسجين-هيدروجين
زاوية \[\ce{O-S-O}\]	\[104^\circ\]	بين الروابط الأحادية
زاوية \[\ce{O=S-O}\]	\[119^\circ\]	بين الرابطة المزدوجة والأحادية

⚗️ الخواص الفيزيائية والكيميائية لحمض الكبريتيك

يُعد حمض الكبريتيك مادة ذات خصائص مميزة، تجمع بين القوة التفاعلية والشكل الهادئ الظاهري، مما يجعله حمضًا خطيرًا وفعالًا في آنٍ واحد.

🧊 الخواص الفيزيائية:

الخواص الفيزيائية والجزيئية لحمض الكبريتيك

الخاصية	القيمة/الوصف	ملاحظات علمية
الصيغة الجزيئية	\(\ce{H_2SO_4}\)	ثنائي البروتون (حمض ثنائي الوظيفة)
الحالة الفيزيائية	سائل زيتي القوام	عديم اللون في النقاوة العالية، قد يميل للاصفرار بسبب الشوائب
الكثافة (\(20^\circ C\))	\(1.84\ \text{g/cm}^3\) (98%)	أعلى من الماء بنسبة 84% (كثافة الماء \(1\ \text{g/cm}^3\))
درجة الانصهار	\(10.31^\circ C\) (100%)	ينصهر عند درجة حرارة أعلى في التركيزات الأقل
درجة الغليان	\(337^\circ C\) (98.3%)	يتفكك عند \(300^\circ C\) إلى \(\ce{SO_3 + H_2O}\)
الكتلة المولية	\(98.079\ \text{g/mol}\)	تختلف الكتلة الحجمية حسب التركيز
اللزوجة (\(25^\circ C\))	\(24.54\ \text{cP}\) (98%)	أعلى بـ 25 مرة من لزوجة الماء
السعة الحرارية	\(1.34\ \text{J/g·K}\) (98%)	أقل من الماء (\(4.18\ \text{J/g·K}\))
حرارة التخفيف	\(-880\ \text{kJ/kg}\) (للتخفيف اللانهائي)	تفاعل طارد للحرارة شديد الخطورة ⚠️
الأس الهيدروجيني (pH)	\(\sim 0.3\) (تركيز 1M)	من أقوى الأحماض المعدنية
قابلية الذوبان	مزيج كامل مع الماء	ينتج أيونات الهيدرونيوم (\(\ce{H_3O^+}\)) بكثافة
التوصيل الكهربائي	\(1.044\ \text{S/cm}\) (100%)	بسبب تأينه العالي في المحاليل
الضغط البخاري (\(20^\circ C\))	\(0.001\ \text{mmHg}\)	ضغط بخاري منخفض جدًا
معامل الانكسار	\(1.429\) (98%)	أعلى من الماء (\(1.333\))
الخواص الحرارية	\(\Delta H^\circ_f = -814\ \text{kJ/mol}\) \(\Delta G^\circ_f = -690\ \text{kJ/mol}\)	قيم سالبة تشير إلى استقراره الحراري
الخواص الأمنية	تآكل شديد - مؤكسد قوي	يسبب حروقًا كيميائية شديدة - يتفاعل بعنف مع الماء

تحذير مهم!
عند تخفيف حمض الكبريتيك، يجب دائمًا إضافة الحمض إلى الماء، وليس العكس، لتجنب حدوث فوران خطير ناتج عن انطلاق حرارة شديدة.

⚛️ الخصائص الكيميائية:

1. حمض قوي وثنائي البروتون (diprotic):
   يطلق أيونين هيدروجينيين $\ce{H}^+$ في الماء، على مرحلتين:

   $$\ce{H2SO4 -> H+ + HSO4^-}$$ $$\ce{HSO4^- <=> H+ + SO4^{2-}}$$

2. عامل مؤكسد قوي:
   يمكنه تأكسد العديد من الفلزات (خصوصًا عند التسخين)، مثل:
   $$\ce{Cu + 2H2SO4 (conc.) -> CuSO4 + SO2 + 2H2O}$$
3. عامل مجفف قوي:
   لقدرته على امتصاص الماء من المركبات العضوية. فعند سكبه على السكر، مثلًا، يسحب منه الماء تاركًا وراءه الكربون الأسود في تفاعل لافت بصريًا.
4. يتفاعل بعنف مع القواعد والفلزات النشطة:
   مثل التفاعل مع الزنك:

   $$\ce{Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2}$$

🏭 كيف يُصنع حمض الكبريتيك؟ نظرة على الطرق الصناعية

يُنتج حمض الكبريتيك على نطاق واسع باستخدام تقنيات دقيقة تضمن النقاوة والكفاءة، وتُعد طريقة التلامس (Contact Process) الطريقة الأشهر والأكثر استخدامًا في وقتنا الحاضر.

🔬 1. طريقة التلامس (Contact Process)

تعتمد هذه الطريقة على ثلاث مراحل رئيسية:

المرحلة 1: إنتاج غاز ثاني أكسيد الكبريت
يتم حرق الكبريت أو أحد مركباته (مثل البيريت) في وجود الأكسجين:
$$\ce{S + O2 -> SO2}$$

المرحلة 2: تحويل $\ce{SO2}$ إلى $\ce{SO3}$
يحدث ذلك عبر تفاعل أكسدة في وجود حفاز من خام الفاناديوم (\(\ce{V2O5}\)):
$$\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3} \quad \text{(حفاز + حرارة حوالي }450^\circ\mathrm{C}\text{)}$$

المرحلة 3: تكوين حمض الكبريتيك من $\ce{SO3}$
لا يُضاف $\ce{SO3}$ مباشرة إلى الماء لأنه ينتج بخار حمض كثيف وضار. لذلك يُمتص $\ce{SO3}$ أولًا في حمض كبريتيك مركز لتكوين حمض بيرو كبريتيك ($\ce{H2S2O7}$)، ثم يُخفف بالماء:
$$\ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}$$ $$\ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}$$

شكل 2: مخطط عملية التلامس الصناعية لتحضير حمض الكبريتيك (H₂SO₄). تظهر المراحل الرئيسية: (1) إنتاج ثاني أكسيد الكبريت (SO₂)، (2) أكسدة SO₂ إلى ثالث أكسيد الكبريت (SO₃) باستخدام محفز عند +450°C، (3) تفاعل SO₃ مع الماء لتكوين الحمض.

🔁 طرق أخرى (تاريخية):

• طريقة غرفة الرصاص (Lead Chamber Process): كانت تُستخدم سابقًا لإنتاج الحمض بتركيز أقل، لكنها أُلغيت تدريجيًا لعدم كفاءتها الصناعية.

هذه العملية الكيميائية المحكمة هي التي تجعل حمض الكبريتيك متوفرًا بكميات ضخمة وبدرجة نقاء عالية، تُستخدم في شتى مجالات الحياة والصناعة.

🛠️ استخدامات حمض الكبريتيك: العمود الفقري للصناعة الكيميائية

يُعد حمض الكبريتيك (H₂SO₄) أحد أهم المركبات الكيميائية في الصناعة الحديثة، حيث يحظى بلقب "ملك المواد الكيميائية" نظرًا لتعدد تطبيقاته ودوره المحوري في العديد من العمليات الصناعية. تشير الإحصاءات إلى أن الإنتاج العالمي من حمض الكبريتيك يتجاوز 200 مليون طن سنويًا، مما يجعله أحد أكثر المواد الكيميائية إنتاجًا على مستوى العالم.

🔋 1. صناعة البطاريات: التطبيقات الكهروكيميائية

يُستخدم حمض الكبريتيك بتركيز يتراوح بين 29-32% كإلكتروليت في بطاريات الرصاص-الحمض (Lead-Acid Batteries)، والتي تمثل 85% من سوق البطاريات القابلة لإعادة الشحن. تعتمد آلية عمل هذه البطاريات على التفاعل الكهروكيميائي التالي:

$$\text{Pb (s) + PbO}_2 \text{(s) + 2H}_2\text{SO}_4 \text{(aq)} \rightarrow \text{2PbSO}_4 \text{(s) + 2H}_2\text{O (l)}$$

حيث:

• يعمل الحمض كوسيط ناقل للأيونات (H⁺ و SO₄²⁻)
• تبلغ كثافة المحلول الإلكتروليتي 1.25-1.28 جم/سم³ عند الشحن الكامل
• تتناقص الكثافة مع تفريغ البطارية بسبب استهلاك H₂SO₄ وتكوين PbSO₄

🌾 2. صناعة الأسمدة: دعامة الزراعة الحديثة

يستهلك قطاع الأسمدة 60% من الإنتاج العالمي لحمض الكبريتيك، حيث يدخل في إنتاج:

أ. الأسمدة الفوسفاتية

• سوبر فوسفات الكالسيوم الأحادي (SSP): $$\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2 + 2\text{CaSO}_4$$ (يحتوي على 16-20% P₂O₅)
• سوبر فوسفات الثلاثي (TSP): $$\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2 + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 2\text{H}_3\text{PO}_4 + 3\text{CaSO}_4$$ (يحتوي على 44-48% P₂O₅)

ب. أسمدة النيتروجين

• كبريتات الأمونيوم: $$2\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow (\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$$ (تحتوي على 21% N و 24% S)

🧪 3. تصنيع المواد الكيميائية: حجر الأساس

يخدم حمض الكبريتيك كمواد أولية في إنتاج:

أ. الأحماض المعدنية

• حمض الهيدروكلوريك: $$\text{NaCl + H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$
• حمض النيتريك (عملية أوستوالد): $$\text{NH}_3 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{HNO}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

ب. الصناعات العضوية

• إنتاج الألكيل بنزين لصناعة المنظفات
• تصنيع النايلون 6,6 عبر حمض الأديبيك
• إنتاج ميثيل ميثاكريلات للبلاستيك الشفاف

� 4. الصناعات النسيجية والتنظيفية

أ. معالجة الألياف

• إنتاج الرايون: إذابة السليلوز في حمض الكبريتيك المركز (عملية الفسكوز)
• تنظيف المعادن: إزالة الأكاسيد المعدنية (Pickling) بتركيز 5-15%

ب. صناعة المنظفات

• السلفنة (Sulfonation) للمواد الخام العضوية
• إنتاج LABSA (Linear Alkyl Benzene Sulfonic Acid)

🛢️ 5. تكرير النفط: المعالجة الحمضية

يستخدم الحمض في:

• التكسير الحفزي: كعامل مساعد
• تنقية الزيوت: إزالة المركبات غير المشبعة والعطرية
• معالجة الكيروسين: تحسين رقم السيتان

🚰 6. معالجة المياه: التحكم الكيميائي

• ضبط pH: في محطات معالجة المياه (الجرعة النموذجية 10-50 ملغم/لتر)
• إزالة الفوسفات: بالترسيب الكيميائي
• تنقية مياه الصرف: معادلة القلويات الصناعية

تُظهر هذه التطبيقات المتنوعة أن حمض الكبريتيك ليس مجرد مادة كيميائية، بل هو بنية تحتية صناعية حيوية. تشير الدراسات إلى وجود علاقة طردية بين نصيب الفرد من استهلاك حمض الكبريتيك ومستوى التصنيع في الدولة، مما يجعله مؤشرًا دقيقًا للتقدم التكنولوجي والصناعي.

☣️ التعامل الآمن مع حمض الكبريتيك: قوة يجب احترامها

حمض الكبريتيك ليس مجرد مركب كيميائي مهم، بل هو مادة شديدة الخطورة إذا أسيء استخدامها. فهم مخاطره وكيفية التعامل معه أمر بالغ الأهمية في المختبرات والمصانع وحتى أثناء النقل والتخزين.

⚠️ المخاطر الأساسية:

1. تآكل شديد: يهاجم الجلد والأنسجة الحية عند التلامس، مسببًا حروقًا خطيرة. كما يذيب العديد من المواد العضوية والأنسجة الحيوانية النباتية ^[2].
2. تفاعل عنيف مع الماء: عند إضافة الماء إلى الحمض، تتولد حرارة هائلة تؤدي إلى غليان مفاجئ ورشاش خطير.
   القاعدة الذهبية: أضف الحمض إلى الماء، لا العكس!
3. إصابة الجهاز التنفسي: عند استنشاق الأبخرة أو الرذاذ، قد يحدث تهيج حاد أو تلف في الجهاز التنفسي ^[2].
4. يتفاعل مع المعادن: مكونًا غاز الهيدروجين القابل للاشتعال، ما يُعد خطرًا إضافيًا في البيئات الصناعية.

🛡️ احتياطات السلامة:

• ارتداء معدات الحماية الشخصية: نظارات واقية، قفازات مقاومة للمواد الكيميائية، ومعطف مختبر.
• استخدامه في حجرة التهوية (Fume Hood) كلما أمكن.
• تخزينه في عبوات محكمة الغلق مصنوعة من مواد مقاومة للتآكل (كالزجاج أو البلاستيك عالي الكثافة).
• وجود مغسلة طوارئ (Eye wash station) ودش أمان في المختبر للتعامل مع أي حوادث فورية.

🚫 ماذا تفعل في حال الانسكاب أو التلامس؟

• لا تلمس الحمض مباشرة.
• رش المنطقة بمادة ماصة غير تفاعلية (مثل رمل جاف أو بيكربونات الصوديوم).
• في حال ملامسة الجلد، اغسل فورًا بكمية كبيرة من الماء لمدة لا تقل عن 15 دقيقة.
• أبلغ مشرف السلامة فورًا في أي بيئة تعليمية أو صناعية.

ننصح بقراءة المنشور الكامل عن إجراءات السلامة في مختبر الكيمياء.

حمض الكبريتيك مركب لا يرحم الإهمال، لكنه يصبح حليفًا قويًا عند التعامل معه باحترام وانضباط.

🧾 خاتمة: حمض الكبريتيك – بين الخطورة والأهمية

من خلال هذا العرض، تبيّن لنا كيف أن حمض الكبريتيك ليس مجرد حمض معدني آخر، بل هو مفتاح صناعي وركيزة أساسية في العديد من المجالات، بدءًا من البطاريات والأسمدة، مرورًا بالصناعات البتروكيميائية، وانتهاءً بمعالجة المياه والأنسجة.

لكن في المقابل، لا يمكن الحديث عن هذا المركب دون الإشارة إلى قوته التآكلية الهائلة وخطورته على الصحة والبيئة إن لم يُحسن التعامل معه. إنه مركب يجمع بين الفائدة القصوى والخطورة البالغة – وكل ذلك يجعل من دراسته وفهمه ضرورة لكل من يعمل أو يدرس في مجال الكيمياء أو الهندسة الصناعية.

📌 ملخص سريع:

المحور	التفاصيل
الرمز الكيميائي	$\ce{H2SO4}$
الخواص الأساسية	سائل زيتي كثيف، حمض ثنائي البروتون، مؤكسد ومجفف قوي
التحضير الصناعي	طريقة التلامس – ثلاث مراحل تنتهي بدمج SO3 مع الحمض
الاستخدامات	بطاريات – أسمدة – معالجة مياه – صناعات كيميائية
الاحتياطات	ارتداء واقٍ، تهوية جيدة، تخفيفه بطريقة صحيحة

✍️ هل تعلم؟

يُنتَج سنويًا أكثر من 201.6 مليون طن من حمض الكبريتيك حول العالم، مما يجعله أكثر المواد الكيميائية تصنيعًا بعد الماء ^[3].

🔍 إذا كنت مهتمًا بالكيمياء أو تسعى للعمل في الصناعات، فافهم حمض الكبريتيك جيدًا — لأنه سيكون رفيقك (أو خصمك!) في العديد من المواقف.

المصادر

1. أرقام. (2010، 3 ديسمبر). «التحويلية» توسع مصنع حامض الكبريتيك بتكلفة «40» مليونًا. أرقام. https://www.argaam.com/ar/article/articledetail/id/799514
2. Zhao, R.-M., Li, Y., Chao, S.-W., & Wang, H.-J. (2020). Systemic treatment for severe concentrated sulfuric acid burns in an adult male at high altitude: A case report. World Journal of Clinical Cases, 8(7), 1337–1342. https://doi.org/10.12998/wjcc.v8.i7.1337. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7176622/
3. Emergen Research. (2023, March). Sulfuric acid market, by type (Base Metal Smelters, Elemental Sulfur, Pyrite Ore, and Others), by application, and by region forecast to 2032 (Report ID: ER_001784). https://www.emergenresearch.com/industry-report/sulfuric-acid-market