황산

성질

순수한 황산은 무색의 액체이다. 분자량은 98.0756이며 18℃에서의 비중 1.834, 어는점 10.49 ℃이다. 삼산화황의 1수화물이라고도 한다. 93.19％의 황산은 점성도가 있는 기름 형태의 액체로 그 점성도는 15.6도로 물의 점성도(10.09mP[밀리푸아즈])의 24배나 된다.

황산은 물에 대해 강한 친화력을 가져 강력한 탈수제로 작용한다. 또한 전해질, 강한 산화제, 용매, 촉매로도 유용하다. 산성도·염기성도를 조절하는 데 사용되는 묽은 황산용액으로부터 의약품·염료·폭약의 제조에 사용되는 고농도의 발연황산에 이르기까지 각종 농도의 형태로 사용되고 있다.

묽은 황산은 아연·마그네슘·철 등의 금속과 반응해 수소를 발생하며, 금속의 산화물이나 수산화물과 반응하여 황산염이 된다. 진한 황산은 그 염에서 휘발성의 산을 얻으며, 인산칼슘을 비료용의 수용성 인산염으로 바꾸는 데 사용된다. 또한 액체에 용해되면 액체 중의 약산과 치환작용을 한다. 황산의 황은 ＋6가의 최고 산화상태를 가지므로, 산화제로 작용한다.

묽은 황산은 산화제로서 유효하지 않지만, 진한 황산은 탄소나 황 등의 비금속을 산화하고 황산 자신은 환원되어 이산화황(아황산 가스)이 된다. 또한 아연·요오드화물 등의 강한 환원제와 반응하고 황화수소로 환원된다. 황산은 이염기산으로 2개의 수소 원자를 내며 2단계를 거쳐 이온으로 해리된다.

H₂SO₄ → H^＋＋HSO₄^－

HSO₄^－ → H^＋＋SO₄^2－

따라서 황산은 정염인 황산나트륨(Na₂SO₄)과 산성염인 황산수소나트륨(NaHSO₄)을 만든다. 산성염은 용액에서 산성을 나타낸다. 납·스트론튬·바륨·칼슘 이외의 황산염은 수용성이다.

제조

개요

공업적으로는 연실법 또는 1890년에 개발된 접촉법으로 제조한다.

연실법

이 방법은 납으로 된 큰 반응실을 쓰는 방법이라 하여 이렇게 명명되었으며 접촉법과는 근본적으로 다르다.

촉매작용을 한다고 생각되는 가스 상태의 질소산화물을 사용하는 점이 특징이다. 이 공정에서 일어나는 화학반응은 접촉법보다 복잡하다. 먼저 촉매가 이산화황·산소·수증기와 반응해 니트로실황산을 만들고, 이 중간체가 순서대로 물과 반응하여 황산 또는 질소산화물로 된다. 질소산화물은 다시 촉매로서 이산화황·산소·물과 결합해 중간체를 만들고 황산을 생성하는 동시에 분해되어 처음으로 돌아간다.

연실법에는 납으로 된 거대한 건조물이 몇 개 필요한데, 반응물질은 일정 조건하에서 이 일련의 탑과 반응실을 통과한다. 최종제품은 78％ 황산이 되므로, 이것을 더 정제하여 농축하는 것이 필요하다.

접촉법

이 방법에서 사용되는 장치에는 2가지 형태가 있다. 하나는 원료 열가스의 정제장치가 설치되어 있어, 오산화바나듐 촉매가 가스 속의 불순물로 오염되는 것을 방지하게 되어 있다. 또 하나는 찬 가스 정제형으로 이산화황이 원료광석 중의 불순물을 함유하는 경우에 사용된다.

접촉법은 적당한 촉매를 사용해 이산화황을 삼산화황, 즉 무수황산으로 산화하는 반응이 중심이 된다. 생성된 무수황산은 기체상태인데, 이것은 물과 직접 결합하는 것이 부적당한 상태이므로 94~96％ 황산의 순환산에 흡수시킨다. 이때 무수황산은 순환산에 함유된 수분과 반응하여 고농도의 황산이 된다. 생성된 산은 희석하면 약산으로서 무수황산을 빨아들여 발연황산으로 사용된다.

용도

황산은 석유에 함유되어 있는 타르와 유기황산물을 산화시켜 제거하는 데 쓰인다. 또한 옥탄가가 높은 가솔린 제조시 황산알킬화 공정에 촉매로 작용한다. 레이온 공업에 사용되는 고순도의 물질부터 비료용 황산염 제조에 사용되는 비교적 저순도의 물질까지 각종 물질이 제조된다. 황산은 폭약·셀룰로이드·래커 등의 제조에 필요한데, 이때 니트로화 반응에서는 수분을 이탈시키는 반응을 완결하는 역할을 한다. 또한 황산이 방향족 화합물과 반응하여 술폰산을 만드는 과정은 유기화학에서 매우 유용한 반응이다. 납축전지에서는 전해질로도 사용된다.