Sulfat -Sulfate

Sulfat
Strukturen og bindingen til sulfationet.  Avstanden mellom svovelatomet og et oksygenatom er 149 pikometer.
Ball-and-stick modell av sulfatanion
Sulfate-3D-balls.png
Navn
IUPAC navn
Sulfat
Andre navn
Tetraoksosulfat(VI)
Tetraoksidosulfat(VI)
Identifikatorer
3D-modell ( JSmol )
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.108.048 Rediger dette på Wikidata
EC-nummer
UNII
  • InChI=1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)/p-2
    Nøkkel: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L
  • InChI=1/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)/p-2
    Nøkkel: QAOWNCQODCNURD-NUQVWONBAM
  • S(=O)(=O)([O-])[O-]
Egenskaper
2−4
Molar masse 96,06  g·mol -1
Konjugert syre Hydrogensulfat
Med mindre annet er angitt, er data gitt for materialer i standardtilstand (ved 25 °C [77 °F], 100 kPa).

Sulfat- eller sulfationet er et polyatomisk anion med den empiriske formelen SO2−4. Salter, syrederivater og peroksider av sulfat er mye brukt i industrien. Sulfater forekommer mye i hverdagen. Sulfater er salter av svovelsyre og mange er fremstilt fra den syren.

Staving

"Sulfat" er skrivemåten anbefalt av IUPAC , men "sulfat" ble tradisjonelt brukt på britisk engelsk .

Struktur

Sulfatanionet består av et sentralt svovelatom omgitt av fire ekvivalente oksygenatomer i et tetraedrisk arrangement. Symmetrien er den samme som for metan. Svovelatomet er i +6 -oksidasjonstilstanden mens de fire oksygenatomene hver er i -2-tilstanden. Sulfationet har en total ladning på -2 og det er konjugatbasen til bisulfat- (eller hydrogensulfat)-ionet, HSO4, som igjen er den konjugerte basen til H 2 SO 4 , svovelsyre . Organiske sulfatestere , som dimetylsulfat , er kovalente forbindelser og estere av svovelsyre. Den tetraedriske molekylære geometrien til sulfationet er som forutsagt av VSEPR-teorien .

Bonding

To modeller av sulfationet.
1 med kun polare kovalente bindinger; 2 med en ionisk binding
Seks resonanser

Den første beskrivelsen av bindingen i moderne termer var av Gilbert Lewis i hans banebrytende papir fra 1916 hvor han beskrev bindingen i form av elektronoktetter rundt hvert atom, det vil si ingen dobbeltbindinger og en formell ladning på +2 på svovelatomet.

Senere brukte Linus Pauling valensbindingsteori for å foreslå at de mest betydningsfulle resonanskanonikalene hadde to pi-bindinger som involverte d-orbitaler. Hans resonnement var at ladningen på svovel dermed ble redusert, i samsvar med hans prinsipp om elektronøytralitet . S−O-bindingslengden på 149 pm er kortere enn bindingslengdene i svovelsyre på 157 pm for S−OH. Dobbeltbindingen ble tatt av Pauling for å ta hensyn til kortheten til S−O-bindingen. Paulings bruk av d-orbitaler provoserte en debatt om den relative betydningen av pi-binding og bindingspolaritet ( elektrostatisk tiltrekning ) for å forårsake forkortning av S−O-bindingen. Resultatet var en bred konsensus om at d-orbitaler spiller en rolle, men ikke er så viktige som Pauling hadde trodd.

En allment akseptert beskrivelse som involverer pπ – dπ-binding ble opprinnelig foreslått av Durward William John Cruickshank . I denne modellen overlapper fullt okkuperte p-orbitaler på oksygen med tomme svovel-d-orbitaler (hovedsakelig d z 2 og d x 2y 2 ). Imidlertid, i denne beskrivelsen, til tross for at det er noe π-karakter til S−O-bindingene, har bindingen betydelig ionisk karakter. For svovelsyre bekrefter beregningsanalyse (med naturlige bindingsorbitaler ) en klar positiv ladning på svovel (teoretisk +2,45) og lav 3d-belegg. Derfor er representasjonen med fire enkeltbindinger den optimale Lewis-strukturen i stedet for den med to dobbeltbindinger (dermed Lewis-modellen, ikke Pauling-modellen). I denne modellen følger strukturen oktettregelen og ladningsfordelingen er i samsvar med atomenes elektronegativitet . Avviket mellom S−O-bindingslengden i sulfationet og S−OH-bindingslengden i svovelsyre er forklart ved donasjon av p-orbitale elektroner fra de terminale S=O-bindingene i svovelsyre inn i de antibindende S−OH-orbitalene, svekke dem, noe som resulterer i lengre bindingslengde til sistnevnte.

Imidlertid er bindingsrepresentasjonen til Pauling for sulfat og andre hovedgruppeforbindelser med oksygen fortsatt en vanlig måte å representere bindingen på i mange lærebøker. Den tilsynelatende motsetningen kan oppklares hvis man innser at de kovalente dobbeltbindingene i Lewis-strukturen i realiteten representerer bindinger som er sterkt polarisert med mer enn 90 % mot oksygenatomet. På den annen side, i strukturen med en dipolar binding , er ladningen lokalisert som et ensomt par på oksygenet.

Forberedelse

Metoder for å fremstille metallsulfater inkluderer:

  • behandling av metall, metallhydroksid, metallkarbonat eller metalloksid med svovelsyre
Zn + H 2 SO 4 → ZnSO 4 + H 2
Cu(OH) 2 + H 2 SO 4 → CuSO 4 + 2 H 2 O
CdCO 3 + H 2 SO 4 → CdSO 4 + H 2 O + CO 2

Egenskaper

Det er mange eksempler på ioniske sulfater, hvorav mange er svært løselige i vann . Unntak inkluderer kalsiumsulfat , strontiumsulfat , bly(II)sulfat og bariumsulfat , som er lite løselige. Radiumsulfat er det mest uløselige sulfatet som er kjent. Bariumderivatet er nyttig i gravimetrisk analyse av sulfat: hvis man tilsetter en løsning av de fleste bariumsalter, for eksempel bariumklorid , til en løsning som inneholder sulfationer, vil bariumsulfat utfelles som et hvitaktig pulver. Dette er en vanlig laboratorietest for å avgjøre om sulfatanioner er tilstede.

Sulfationet kan fungere som en ligand som festes enten med ett oksygen (monodentat) eller med to oksygener som enten et chelat eller en bro. Et eksempel er komplekset Co ( en ) 2 (SO 4 )] + Br eller det nøytrale metallkomplekset Pt SO 4 ( PPh 3 ) 2 ] hvor sulfationet fungerer som en bidentat ligand. Metall-oksygenbindingene i sulfatkomplekser kan ha betydelig kovalent karakter.

Bruk og forekomst

Kommersielle applikasjoner

Ryggsekksprøyte brukes til å påføre sulfat på grønnsaker. Valencias etnologisk museum .

Sulfater er mye brukt industrielt. Hovedforbindelser inkluderer:

Forekomst i naturen

Sulfatreduserende bakterier , noen anaerobe mikroorganismer, som de som lever i sediment eller nær dyphavs termiske ventiler, bruker reduksjon av sulfater kombinert med oksidasjon av organiske forbindelser eller hydrogen som en energikilde for kjemosyntese.

Historie

Noen sulfater var kjent for alkymister. Vitriolsaltene , fra latin vitreolum , glassaktige, ble såkalte fordi de var noen av de første gjennomsiktige krystallene som ble kjent. Grønn vitriol er jern ( II )sulfatheptahydrat , FeSO4 · 7H2O ; blå vitriol er kobber (II) sulfat pentahydrat, CuSO 4 · 5H 2 O og hvit vitriol er sink sulfat heptahydrat, ZnSO 4 · 7H 2 O . Alun , et dobbeltsulfat av kalium og aluminium med formelen K 2 Al 2 (SO 4 ) 4 ·24H 2 O , var med i utviklingen av den kjemiske industrien.

Miljøeffekter

Sulfater forekommer som mikroskopiske partikler ( aerosoler ) som er et resultat av fossilt brensel og forbrenning av biomasse . De øker surheten i atmosfæren og danner sur nedbør . De anaerobe sulfatreduserende bakteriene Desulfovibrio desulfuricans og D. vulgaris kan fjerne den svarte sulfatskorpen som ofte anløper bygninger.

Hovedeffekter på klima

Et ovalt kart over jord som bruker farger for å indikere forskjellige mengder
Sulfat aerosol optisk tykkelse 2005 til 2007 gjennomsnitt

Den viktigste direkte effekten av sulfater på klimaet innebærer spredning av lys, noe som effektivt øker jordens albedo . Denne effekten er moderat godt forstått og fører til en avkjøling fra den negative strålingspåkjenningen på ca. 0,4 W/m 2 i forhold til førindustrielle verdier, noe som delvis oppveier den større (ca. 2,4 W/m 2 ) oppvarmingseffekten av klimagasser . Effekten er sterkt romlig uensartet, og er størst nedstrøms store industriområder.

Den første indirekte effekten er også kjent som Twomey-effekten . Sulfataerosoler kan fungere som skykondensasjonskjerner og dette fører til større antall mindre vanndråper. Mange mindre dråper kan spre lys mer effektivt enn noen få større dråper. Den andre indirekte effekten er de ytterligere ringvirkningene av å ha flere skykondensasjonskjerner. Det foreslås at disse inkluderer undertrykkelse av duskregn, økt skyhøyde, for å lette skydannelse ved lav luftfuktighet og lengre skylevetid. Sulfat kan også føre til endringer i partikkelstørrelsesfordelingen, noe som kan påvirke skyenes strålingsegenskaper på måter som ikke er fullt ut forstått. Kjemiske effekter som oppløsning av løselige gasser og svakt løselige stoffer, overflatespenningsdepresjon av organiske stoffer og akkommodasjonskoeffisientendringer er også inkludert i den andre indirekte effekten.

De indirekte effektene har trolig en avkjølende effekt, kanskje opptil 2 W/m 2 , selv om usikkerheten er svært stor. Sulfater er derfor involvert i global dimming . Sulfat er også den viktigste bidragsyteren til stratosfærisk aerosol dannet ved oksidasjon av svoveldioksid injisert i stratosfæren av impulsive vulkaner som 1991-utbruddet av Mount PinatuboFilippinene . Denne aerosolen har en kjølende effekt på klimaet i løpet av dens 1-2 års levetid i stratosfæren.

Hydrogensulfat (bisulfat)

Hydrogensulfat
Hydrogensulfat (bisulfat)
Navn
IUPAC navn
Hydrogensulfat
Andre navn
Bisulfat
Identifikatorer
3D-modell ( JSmol )
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.108.048 Rediger dette på Wikidata
2121
  • InChI=1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)/p-1
    Nøkkel: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-M
  • O[S](=O)(=O)[O-]
Egenskaper
HSO4
Molar masse 97,071 g/mol
Konjugert syre Svovelsyre
Konjugert base Sulfat
Med mindre annet er angitt, er data gitt for materialer i standardtilstand (ved 25 °C [77 °F], 100 kPa).

Hydrogensulfat -ionet ( HSO4), også kalt bisulfation , er den konjugerte basen til svovelsyre ( H 2 SO 4 ). Svovelsyre er klassifisert som en sterk syre; i vandige løsninger ioniseres det fullstendig for å danne hydronium ( H 3 O + ) og hydrogensulfat ( HSO4) ioner. Med andre ord, svovelsyren oppfører seg som en Brønsted–Lowry-syre og deprotoneres for å danne hydrogensulfation. Hydrogensulfat har en valens på 1. Et eksempel på et salt som inneholder HSO4ion er natriumbisulfat , NaHSO4 . I fortynnede løsninger dissosierer også hydrogensulfationene, og danner flere hydroniumioner og sulfationer ( SO2−4).

Andre svoveloksyanioner

Svoveloksyanioner
Molekylær formel Navn
2−5 Peroksomonosulfat
2−4 Sulfat
2−3 Sulfitt
S 2 O2−8 Peroksydisulfat
S 2 O2−7 Pyrosulfat
S 2 O2−6 Ditionat
S 2 O2−5 Metabisulfitt
S 2 O2−4 Ditionitt
S 2 O2−3 Tiosulfat
S 3 O2−6 Tritionat
S 4 O2−6 tetrationat

Se også

Notater

Referanser