سولفات چیست و چه کاربردهایی دارد؟

سولفات چیست؟

سولفات (Sulphate) یکی از بی‌شمار ترکیبات شیمیایی مربوط به اسید سولفوریک H2SO4 است. یک گروه از مشتقات اسید سولفوریک از نمک‌های حاوی یون سولفات 2-(SO4) و یون‌های دارای بار مثبت مانند سدیم، منیزیم یا آمونیوم تشکیل شده است. گروه دوم مشتقات از استرها تشکیل شده‌اند که در آن اتم‌های هیدروژن اسید سولفوریک توسط گروه‌های ترکیبی حاوی کربن مانند متیل (CH3) یا اتیل (C2H5) جایگزین شده‌اند.

تشکیل نمک‌های سولفات

اسید سولفوریک دارای دو اتم هیدروژن متصل به اکسیژن است و در دو مرحله یونیزه می‌شود. اسید سولفوریک یک اسید دیپروتیک (اسیدی است که می تواند دو پروتون یا اتم هیدروژن را در هر مولکول به یک محلول آبی اهدا کند) قوی است. در محلول آبی، از دست دادن اولین هیدروژن (به صورت یون هیدروژن+H)، صد درصد ضروری است. یونیزاسیون دوم به میزان حدود 25 درصد انجام می شود، اما با این وجود ⁻HSO₄ یک اسید نسبتاً قوی محسوب می‌شود. از آنجا که H₂SO₄ یک اسید دیپروتیک است، دو سری نمک را تشکیل می‌دهد:

• سولفات‌های هیدروژن ⁻HSO₄
• سولفات‌ها ^2-SO₄

سولفات‌ها فلزات قلیایی خاکی کلسیم (Ca)، استرانسیوم (Sr)، باریم (Ba) و همچنین سرب (Pb) هستند که تقریباً نامحلول بوده و از طرفی این نمک‌ها به عنوان مواد معدنی طبیعی وجود دارند. این مواد معدنی مهم شامل سنگ گچ (CaSO₄. 2H₂O)، سلستین (SrSO₄)، باریت (BaSO₄) و آنگلزیت (PbSO₄) است. این نمک‌های نامحلول با واکنش‌های متاتسیس (جانشینی دوگانه) در آزمایشگاه‌ها قابل تهیه هستند.

متاتسیس چیست؟

متاتسیس واکنشی است که در آن ترکیبات، آنیون و کاتیون خود را تبادل می‌کنند. به عنوان مثال، اگر محلول نیترات باریم ₂(Ba(NO₃، به محلول سولفات سدیم Na₂SO₄ اضافه شود، ته‌نشینی سولفات باریم BaSO₄ رخ می‌دهد. این یک واکنش مهم است زیرا می‌تواند به عنوان یک تست کیفی و کمی برای یون سولفات و یون باریم مورد استفاده قرار گیرد. (آزمایش‌های کیفی برای تعیین وجود یا عدم وجود ماده‌ای کاربرد دارد، در حالی که آزمایش‌های کمی برای اندازه‌گیری مقدار ماده تشکیل‌دهنده استفاده می‌شود.)

علاوه بر واکنش‌های متاتسیس، نمک‌های سولفات به طور کلی می‌توانند با انحلال فلزات در H₂SO₄ آبی، خنثی‌سازی H₂SO₄ آبی با اکسیدهای فلزی یا هیدروکسیدها، اکسیداسیون سولفیدهای فلزی (یک سولفید حاوی ^2-S) یا سولفیت‌های فلزی ^2-SO₃، یا تجزیه نمک‌های اسیدهای فرار، مانند کربنات‌ها با H₂SO₄ آبی تهیه شوند.

برخی از نمک‌های مهم سولفات محلول:

•  نمک گلوبر (سولفات سدیم) Na₂SO₄ . 10H₂O
•  نمک اپسوم (سولفات منیزیم) MgSO₄ . 7H₂O
•  زاج آبی (سولفات مس) CuSO₄ · 5H₂O
•  زاج سبز (سولفات آهن) FeSO₄ . 7H₂O
•  زاج سفید (سولفات روی) ZnSO₄ . 7H₂O

سولفات سدیم Na₂SO₄

سدیم سولـفات نمک سدیم سولفوریک اسید است، یک ماده جامد کریستالی یا پودری سفید است که در ساخت کاغذ کرافت، مقوا، شیشه و مواد شوینده کاربرد دارد و به عنوان ماده اولیه تولید مواد شیمیایی مختلف به کار می‌رود. این ماده یا از طریق رسوب کلرید سدیم با اسید سولفوریک به صورت مصنوعی تیمار می‌شود یا از رسوبات سولـفات سدیم‌های معدنی میرابیلیت و تناردیت (کریستال سفید بی‌آب) به‌دست می‌آید. محصول کریستالی آبدار Na₂SO₄ . 10H₂O است که معمولاً به نام نمک گلوبر شناخته می‌شود.

کاربرد سولفات سدیم Na₂SO₄

سدیم تیوسولفات(هیپوسولفیت سدیم) Na₂S₂O₃، معمولاً توسط عکاسان استفاده می‌شود.

سولفات منیزیم MgSO₄

یک ماده معدنی طبیعی است که برای کنترل سطوح پایین منیزیم خون استفاده می‌شود. تزریق سولـفات منیزیم برای نفریت حاد کودکان و جلوگیری از بروز حمله ناگهانی در پره اکلامپسی شدید، اکلامپسی یا توکسمی حاملگی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربرد صنعتی سولفات منیزیم MgSO₄

از این ماده به عنوان کود شیمیایی در خاک‌هایی که کمبود منیزیم دارند استفاده می‌شود.

سولفات مس CuSO₄

معمولاً به عنوان زاج آبی شناخته می‌شود و مهم‌ترین نمک مس است. معمولاً به صورت CuSO₄ . 5H₂O متبلور می‌شود و رنگ آبی روشن دارد. این نمک با تیمار اکسیدهای مس با اسید سولفوریک تهیه می‌شود. گرچه به راحتی در آب حل می‌شود، اما در الکل نامحلول است. نمک بی‌آب دارای خاصیت نم‌گیری (هیگروسکوبیک) است و به عنوان ماده خشک‌کننده کاربرد است.

کاربرد سولفات مس CuSO₄

سولفات مس یک نمک اساسی در پالایش الکترولیتی مس است و همچنین در تهیه رنگ‌دانه‌ها کاربرد گسترده‌ای دارد.

سولفات آهن FeSO₄

فروس سولفات نوعی آهن است. افراد به طور معمول از غذاهایی که می‌خورند آهن دریافت می‌کنند. در بدن افراد آهن به هموگلوبین و میوگلوبین تبدیل می‌شود. هموگلوبین اکسیژن را از طریق خون به بافت‌ها و اندام‌ها منتقل می‌کند. میوگلوبین به سلول‌های عضلانی کمک می‌کند تا اکسیژن را ذخیره کنند.

کاربرد سولفات آهن FeSO₄

سولـفات آهن یک ماده معدنی ضروری برای بدن است. سولـفات آهن برای درمان کم‌خونی ناشی از فقر آهن (کمبود گلبول‌های قرمز خون ناشی از کمبود شدید آهن در بدن) استفاده می‌شود. سولـفات آهن خشک یا آبدار 18 درصد برای کودهای کشاورزی و به منظور تأمین آهن خاک به‌کار می‌رود. بدون سولفات آهن در خاک زمین‌های کشاورزی، گیاهان دچار مرگ تدریجی می‌شوند. لازم به ذکر است که سولـفات آهن 2 ظرفیتی به‌دلیل رطوبت کم پرکاربردترین نوع سولفات آهن در کشاورزی است.

سولفات روی ZnSO₄

روی یک ماده معدنی طبیعی است و برای رشد و همچنین برای توسعه و سلامت بافت‌های بدن از اهمیت بالایی برخوردار است. سولـفات روی یک ماده کریستالی بی‌رنگ است و برای درمان و جلوگیری از کمبود روی استفاده می‌شود. این نمک به صورت یک، شش و هفت‌آبه و یا نمک بدون آب وجود دارد که رایج‌ترین و پرکاربردترین آن نمک هفت‌آبه می‌باشد.

کاربرد سولفات روی ZnSO₄

بیشترین میزان سولـفات روی تولید شده در صنعت، به صورت کود شیمیایی استفاده می‌شود. گیاهانی مانند:

• برنج
• گندم
• مرکبات
• انگور و…

حساسیت زیادی به کمبود این عنصر دارند و زردی برگ‌های جوان و کاهش تولید محصول در این گیاهان نشان‌دهنده کمبود روی می‌باشد. در تولید خوراک دام و طیور، تولید انواع الکترولیت‌ها، چربی‌گیرها، رنگ‌برها و سولفات روی با خلوص بالا استفاده می‌شود.

سایر توضیحات

H₂SO₄ خالص تحت خودیونش گسترده قرار می‌گیرد که گاهی اوقات به این حالت اتوپروتولیز گفته می‌شود.(فرآیندیست که طی آن یک مولکول با آزاد سازی یک پروتون در نقش اسید برونستد عمل کرده و مولکول مشابه دیگری با جذب این پروتون نقش باز برونستد را ایفا می‌کند.)

⁻2H₂SO₄ → (H₃SO₄)⁺ + HSO₄

واکنش اتوپروتولیز تنها یکی از واکنش‌های تعادلی است که در H₂SO₄ خالص رخ می‌دهد تا به آن هدایت الکتریکی بسیار بالایی بدهد. سه واکنش تعادل اضافی وجود دارد که به دلیل خود کم آبی یونی (ionic self-dehydration) اسید سولفوریک اتفاق می‌افتد.

⁻2HSO₄ ⇌ H₃O⁺ + HS₂O₇
⁻H₂O + H₂SO₄ ⇌ H₃O⁺ + HSO₄
H₂S₂O₇ + H₂SO₄ ⇌ H₃SO₄⁺ + HS₂O₇

مقدار اسید سولفوریک مورد استفاده در صنعت از سایر ترکیبات تولیدی فراتر می‌رود. در ایالات متحده تقریباً 67 درصد از اسید برای تبدیل سنگ فسفات به اسید فسفریک استفاده می‌شود. سپس اسید فسفریک به کودهای فسفاته تبدیل می‌شود.

سایر کاربردهای سولفات

از دیگر کاربردهای عمده آن می‌توان به پالایش نفت، از بین‌بردن ناخالصی‌های بنزین و نفت سفید، اسیدشویی فولاد (تمیز کردن سطح آن) و ساخت سایر مواد شیمیایی مانند اسیدهای نیتریک و هیدروکلریک اشاره کرد. همچنین در تولید رنگ‌ها، پلاستیک‌ها، مواد منفجره و منسوجات استفاده می‌شود.

سولفات در طبیعت

سولـفات معمولاً به عنوان یک یون اصلی در آب‌های دریاچه ایجاد می‌شود. در شرایط بی‌هوازی که در آن باکتری‌ها در اکسیداسیون مواد بیولوژیکی پایدار حضور دارند، سولفید هیدروژن تولید می‌شود. هنگامی که شرایط کمبود شدید اکسیژن در آب‌های عمیق دقیقاً بالای رسوبات وجود داشته باشد و آب به اندازه کافی اسیدی شود تا آهن موجود را رسوب کند، سولفید هیدروژن ایجاد می‌شود. بوی خاص و نامطبوع این گاز اغلب با “مرگ” یک دریاچه مشخص می‌شود. دریاچه بزرگ سودا در نوادا، از نظر این ماده بسیار غنی است.