Išči

    Sulfat

    Zgradba in vezi v sulfatnem ionu.
    Prostorski model sulfatnega iona.

    Sulfat v anorganski kemiji je sol žveplove(VI) kisline.

    Vsebina

    Kemijske lastnosti

    Sulfatni ion je večatomski anion z empirično formulo SO42− in molekulsko maso 96,06 dalton. Sestavljen je iz centralnega atoma žvepla, ki je obdan s štirimi enakovrednimi atomi kisika. Razporeditev atomov je tetraedrična z molekularno simetrijo Td. Žveplo je v oksidacijskem stanju 6+, kisik pa 2-, tako da ima sulfatni ion oksidacijsko stanje 2-. Sulfatni ion je konjugirana baza bisulfatnega (hidrogensulfatnega) iona HSO4-, ki je konjugirana baza žveplove(VI) kisline H2SO4. Organski sulfati, na primer dimetil sulfat, so kovalentne spojine in estri žveplove kisline.

    Priprava

    Ionski sulfati se lahko pripravijo

    Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2
    MgO + H2SO4 → MgSO4 + H2O
    Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2H2O

    Lastnosti

    Ionski sulfati so precej številni in večinoma dobro topni v vodi. Izjeme so kalcijev, stroncijev in svinčev(II) sulfat, ter barijev sulfat, ki je slabo topen. Najbolj netopen je radijev sulfat.

    Za kvalitativno določanje sulfatnega iona se uporabljajo vodotopne barijeve spojine, na primer barijev klorid, ki dajejo v reakciji s sulfatnim ionom belo oborino barijevega sulfata.

    Sulfatni ion je lahko ligand, ki se veže ali preko enega kisikovega atoma (monodentat) ali preko dveh kisikovih atomov kot kelat ali kot most.[1] Primer takšnega nevtralnega kompleksa je PtSO4(P(C6H5)3)2, v katerem sulfat deluje kot bidentatni ligand. Vezi kovina-kisik v sulfatnih kompleksih imajo značilne kovalentne lastnosti.

    Zgradba in vezi

    Vez S-O je dolga 149 pm, kar je nekoliko manj, kot bi pričakovali, saj je vez S-OH v žveplovi kislini dolga 157 pm. Sulfatni ion ima po teoriji o odboju elektronskega para valenčne orbitale (VSEPR) [2] obliko tetraedra.

    Obliko vezi v sulfatnem ionu je prvi predlagal Gilbert Lewis leta 1916. Opisal jih je z elektronskimi okteti okrog vsakega atoma, se pravi brez dvojnih vezi, in s formalnim nabojem žveplovega atoma 2+.[3]

    Linus Pauling je za opis sulfatnega iona uporabil teorijo valenčne vezi in predpostavil, da ima najpomembnejša resonančna zgradba dve π vezi, kateri tvorijo elektroni z d orbital. Njegov zaključek je bil, da je naboj žvepla skladno s principom električne nevtralnosti zato zmanjšan.[4] Skrajšanje vezi na 149 pm je pripisal dvojni vezi.

    Paulingova uvedba d orbital je izzvala polemiko o relativni pomembnosti π vezi in polarnosti (elektrostatskega privlaka) pri skrajšanju vezi S-O. Rezultat polemike je bilo splošno soglasje, da d orbitale sodelujejo pri tvorbi vezi, vendar njihova vloga ni tako pomembna, kot je menil Pauling.[5][6] Na koncu je bila sprejeta struktura z vezmi pπ - dπ, ki jih je prvotno predlagal D.W.J. Cruickshank, v kateri se popolnoma zasedene p orbitale kisika prekrivajo s praznimi d orbitalami žvepla (predvsem dz2 and dx2-y2).[7] V tem opisu ima vez S-O nekaj značilnosti π vezi, vendar je še vedno izrazito ionska. Takšna razlaga se še vedno navaja tudi v nekaterih sodobnih učbenikih.[1][8]

    Uporaba

    Sulfati so pomembni v kemični industriji in bioloških sistemih:

    Zgodovina

    Nekatere sulfate so poznali že alkimisti. Imenovali so jih vitriolna sol, slovensko galica. Naziv izhaja iz latinske besede vitreolum – steklast, ker so takšni nekateri njihovi prozorni kristali.[9] Zelena galica je fero sulfat heptahidrat FeSO4•7H2O, modra galica je bakrov sulfat pentahidrat CuSO4•5H2O, bela galica pa cinkov sulfat heptahidrat ZnSO4•7H2O. Galun je mešani dvojni sulfat s kemijsko formulo
    K2Al2(SO4)4•24H2O, ki je kasneje igral pomembno vlogo v kemični industriji.

    Vplivi na okolje

    Sulfati nastajajo kot mikroskopsko veliki delci (aerosoli) pri zgorevanju fosilnih goriv in biomase, povečujejo kislost atmosfere in tvorijo kisli dež.

    Glavni vplivi na klimo

    Glavni neposredni vpliv sulfatov na klimo je razprševanje svetlobe, kar povečuje Zemljin albedo. Vpliv ni povsem jasen, vendar je zmanjšal sevanje za približno 0,5 W/m2 v primerjavi s predindustrijskim obdobjem. S tem se je vsaj delno zmanjšal mnogo večji vpliv toplogrednih plinov (okrog 2,4 W/m2).[10] Vpliv ni povsod enak in je občuten prevsem nad velikimi industrijskimi področji.

    Prvi posredni vpliv je Twomeyev efekt.[11][12] Aerosoli sulfatov lahko tvorijo kondenzacijska jedra za nastajanje oblakov, kar poveča število vodnih kapljic, večje število majhnih kapljic pa bolj razprši svetlobo kot manjše število velikih.

    Drugi posredni vpliv, ki je tudi posledica večjega števila kondenzacijskih jeder, je zmanjšano rosenje, večja višina oblakov,[13] tvorjenje oblakov pri nižjih relativnih vlažnostih in njihova daljša življenjska doba.[14] Sulfati lahko vplivajo tudi na razporeditev velikosti delcev, kar lahko vpliva na sevalne lastnosti oblakov na način, ki ni povsem pojasnjen. V drugi posredni vpliv so vključeni tudi kemijski vplivi, na primer raztapljanje topnih plinov in slabo topnih snovi, zmanjšanje površinske napetosti, ki jo povzročijo organske snovi, in spremembe prestopnih koeficientov.[15]

    Posredni vplivi imajo verjetno tudi hladilni učinek (okrog 2 W/m2), vendar je podatek zelo nezanesljiv. Sulfati torej sodelujejo v globalnem senčenju, ki bi lahko vsaj nekoliko zmanjšalo učinek globalnega segrevanja.

    Drugi žveplovi oksoanioni

    Kemijska formula Ime
    SO52− Peroksomonosulfat
    SO42− Sulfat
    SO32− Sulfit
    S2O82− Peroksodisulfat
    S2O72− Pirosulfat
    S2O62− Ditionat
    S2O52− Metabisulfit
    S2O42− Ditionit
    S2O32− Tiosulfat
    S4O62− Tetrationat

    Reference

    1. 1,0 1,1 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. (1997), Chemistry of the Elements (2nd ed.)
    2. Modern Inorganic Chemistry W.L. Jolly ISBN 0-07-032760-2
    3. The Atom and the Molecule by Gilbert N. Lewis Journal of the American Chemical Society Volume 38, 1916, pages 762-786
    4. The modern theory of valency Linus Pauling J. Chem. Soc., 1948, 1461 - 1467
    5. C. A. Coulson, Nature, 221, 1106 (1969)
    6. K. A. R. Mitchell, Chem. Rev., 69, 157 (1969)
    7. Cotton, F. A., Wilkinson, G. (1966). Advanced Inorganic Chemistry (2d Edn.). New York:Wiley.
    8. Cotton, F.A., Wilkinson, G., Murillo, C.A.; Bochmann, Manfred (1999), Advanced Inorganic Chemistry (6th ed.), New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5
    9. Inorganic and Theoretical Chemistry F.Sherwood Taylor 6th Edition (1942) William Heinemann
    10. Figure 3: The global mean radiative forcing of the climate system for the year 2000, relative to 1750. Climate Change 2001: Working Group I: The Scientific Basis. Intergovernmental Panel on Climate Change.
    11. Twomey, S., Pollution and the planetary albedo, Atmospheric Environment, 8, 1251-1256, 1974.
    12. Twomey, S., The Influence of Pollution on the Shortwave Albedo of Clouds, Journal of the Atmospheric Sciences PDF
    13. Pincus & Baker 1994
    14. Albrecht 1989
    15. Chemical Amplification (or dampening) of the Twomey Effect: Conditions derived from droplet activation theory. T.A. Rissman, A. Nenes, J.H. Seinfeld.