Àcit sulfúric

El àcit sulfúric és un compost químic extremadament corroent i la fòrmula del qual és H₂SO₄. És el compost químic que més es produïx en el món, per això s'utilisa com un dels tants medidors de la capacitat industrial dels països. Una gran part s'ampra en l'obtenció d'àcit fosfórico per a la producció de fertilisants fosforados. També s'usa per a la síntesis d'uns atres àcits i sulfats i en l'indústria petroquímica. Generalment s'obté a partir de diòxit de sofre, per oxidació en òxits de nitrogen en dissolució acuosa. Normalment despuix es porten a terme processos per a conseguir una major concentració de l'àcit. Antigament li'l denominava oli o esperit de vitriolo, nom pel que es coneixien les sals de sulfat a partir de les quals es produïa. la molècula presenta una estructura piramidal, en l'àtom de sofre en el centre i els quatre àtoms d'oxigen en els vèrtiços. Els dos àtoms d'hidrogen estan units als àtoms d'oxigen no units per enllaç doble al sofre. Depenent de la dissolució, estos hidrogen es poden disociar. En aigua es comporta com un àcit fort en la seua primera dissociació, donant l'anión hidrogenosulfato, i com un àcit dèbil en la segona, donant el anión sulfat. Té un gran efecte deshidratante sobre les molècules hidrocarbonades com la sacarosa. Açò vol dir que és capaç de captar les seues molècules en forma d'aigua, deixant lliure els àtoms de carbono en la consegüent formació de carbono pur.

Àcit sulfúric

Història

El descobriment de l'àcit sulfúric es relaciona en el VII i l'alquimiste Jabir ibn Hayyan. Va ser estudiat despuix, en el IX per l'alquimiste Ibn Zakariya al-Razi, qui va obtindre la substància de la destilació seca de minerals incloent la mescla de sulfat de ferro (II) (FeSO₄) en aigua i sulfat de coure (II) (CuSO₄). Calfats, estos composts es descomponen en òxit de ferro (II) i òxit de coure (II), respectivament, donant aigua i trióxido de sofre, que combinat produïx una solució diluïda d'àcit sulfúric. Este método es va fer popular en Europa a través de la traducció dels tractats i llibres d'àraps i perses per alquimistes europeus d'el XIII com a Sant Alberto Magne. Els alquimistes de l'Europa medieval coneixien a l'àcit sulfúric com a oli de vitriolo, licor de vitriolo, o simplement vitriólo, entre atres noms. La paraula vitriolo deriva dellatí “vitreus”, que significa ‘cristal’, i es referix a l'apariència de les sals de sulfat, que també reben el nom de vitriolo. Les sals denominades aixina inclouen el sulfat de coure (II) (o ‘vitriolo blau’ o ‘vitriolo romà’), sulfat de zinc (o ‘vitriolo blanc’), sulfat de ferro (II) (o ‘vitriolo vert’), sulfat de ferro (III) (o ‘vitriolo de Mart’), i sulfat de cobalt(II) (o ‘vitriolo roig’). El vitriolo era considerat la substància química més important, i es va intentar utilisar com a pedra filosofal. Altament purificat, el vitriolo s'utilisava com a mig per a fer reaccionar substàncies en ell. En el XVII, el químic alemà Johann Rudolph Glauber va conseguir àcit sulfúric cremant sofre en nitrat de potassi (KNO₃), en presència de vapor. A mida que el nitrat de potassi es descomponia, el sofre es oxidaba en BAIX₃, que combinat en aigua produïa l'àcit sulfúric. En 1736, Joshua Ward, un farmacèutic londinenc va utilisar este método per a escomençar a produir àcit sulfúric en grans cantitats.

En 1746 en Birmingham, John Roebuck va escomençar a produir-ho d'esta forma en cambres de plom, que eren més forts i resistents i més barates que les de cristal que s'havien utilisat abans. Este procés de cambra de plom, va permetre l'efectiva industrialisació de la producció d'àcit sulfúric, que en chicotetes millores va mantindre este método de producció durant a lo manco dos sigles.

L'àcit obtingut d'esta forma, tenia una concentració de tan sol 35-40 %. Millores posteriors, portades a terme pel francés Louis Joseph Gai-Lussac el britànic John Glover varen conseguir aumentar esta sifra fins a el 78 %. No obstant, la manufactura d'algunes tenyides i atres productes químics que requerien en els seus processos una concentració major ho varen conseguir en el XVIII en la destilació en sec de minerals en una tècnica similar a la dels alquimistes precursors. Cremant pirita (disulfuro de ferro) en sulfat de ferro a 480 °C conseguia àcit sulfúric de qualsevol concentració, pero este procés era tremendament car i no era rendable per a la producció industrial o a gran escala. En 1831, el venedor de vinagre Peregrine Phillips va patentar un procés de conseguir òxit de sofre (VI) i àcit sulfúric concentrat molt més econòmic, ara conegut com el procés de contacte. Actualment, la major part del suministrament d'àcit sulfúric s'obté per este método.

Propietats físiques

Graus d'àcit sulfúric

Encara que es pot produir casi el 100 % d'àcit sulfúric, la pèrdua subsegüent de BAIX
3 en el punt d'ebullició eleva la concentració a 98,3 % d'àcit. El grau 98 % és més estable en l'almagasenament, i és la forma usual de lo que es descriu com a “àcit sulfúric concentrat”. Atres concentracions s'utilisen per a fins diferents. Algunes concentracions comunes són:

Fracció de massa H2BAIX4.	Densitat (kg/L)	Concentració (mol)	Nom comú
10 %	1,07	≈1	àcit sulfúric diluït
29-32 %	1,25-1,28	4,2-5	àcit de bateria (usat enbateries de plom-àcit)
62-70 %	1,52-1,60	9,6-11,5	Àcit de cambra àcit fertilisant
78-80 %	1,70-1,73	13,5-14	Àcit de torre Àcit de guant
98 %	1,84	≈18	àcit sulfúric concentrat

“Àcit de cambra” i “àcit de torre” varen ser les dos concentracions d'àcit sulfúric produïdes pel procés de cambra de plom, sent l'àcit de cambra l'àcit produït en la pròpia cambra de plom (<70 % per a evitar la contaminació en àcit nitrosilsulfúrico) i l'àcit de torre l'àcit recuperat del fondo de la torre Glover. Ara estan obsolets com a concentracions comercials d'àcit sulfúric, encara que poden preparar-se en elaboratori a partir d'àcit sulfúric concentrat si és necessari. En particular, l'àcit sulfúric “10M” (l'equivalent modern de l'àcit de cambra, utilisat en moltes titulacions) es prepara afegint llentament àcit sulfúric a el 98 % a un volum igual d'aigua, en una bona agitació: la temperatura de la mescla pot pujar a 80 °C (176 °F) o més. L'àcit sulfúric reacciona en el seu anhídrit, BAIX
3, per a formar H
2S
2O
7, cridat àcit disulfúrico, àcit sulfúric fumante, àcit disulfúrico o oleum o, menys comunament, àcit Nordhausen. Les concentracions d'óleum s'expressen en térmens de % BAIX
3. (cridat % oleum) o com % H
2BAIX
4 o com % H
2BAIX
4 (la cantitat obtinguda si s'afegira H
2O; les concentracions comunes són 40 % d'óleum (109 % H
2BAIX
4) i 65 % d'óleum (114,6 % H
2BAIX
4). Pur H
2S
2O
7 és un sòlit en un punt de fusió de 36 °C. L'àcit sulfúric pur té una pressió de vapor de <0,001 mmHg a 25 °C i 1 mmHg a 145,8 °C, i l'àcit sulfúric a el 98 % té una pressió de vapor de <1 mmHg a 40 °C.

L'àcit sulfúric pur és un líquit transparent viscós, com l'oli, i açò explica l'antic nom de l'àcit, «oli de vitriolo». L'àcit sulfúric comercial es ven en varis graus de purea diferents. El grau tècnic H
2BAIX
4 és impuro i a sovint de color, pero és adequat per a fabricar fertilisants. Graus purs, com United States Pharmacopeia (USP), s'utilisen per a fer farmacèutics, tenyidas i atres coses. També estan disponibles les calificacions d'Analítica. Es coneixen nou hidrats, pero es va confirmar que tres d'ells són tetrahidratos (H
2BAIX
4-4H
2O), hemihexahidrato (H
2BAIX
4-6 ¹⁄₂H₂O i octahidrato (H
2BAIX
4-8H
2O).

Polaridad i conductivitat

Equilibri de l'àcit sulfúric anhidro

Species	mMol/kg
HSO− 4	15,0
H 3BAIX+ 4	11,3
H 3O+	8,0
HS 2O− 7	4,4
H 2S 2O 7	3,6
H 2O	0,1

l'anhidro H
2BAIX
4 és un líquit molt polar en una constant dielèctrica d'al voltant de 100. Té una alta conductivitat elèctrica, causada per la autodisociación en un ion protonado i un ion sulfat d'hidrogen per mig del procés conegut com autoprotolisis.

2 H H + HSO

la constant d'equilibri per a la autoprotolisis és

K_ap (25 °C) = [H][HSO] = 2.7 × 10⁻⁴

En comparació, la constant d'equilibri per a l'aigua, K_w és 10^-14, un factor de 10¹⁰ (10 000 millons) menor. A pesar de la viscosidad de l'àcit, les conductivitat efectives dels ions H i HSO són altes per un mecanisme intramolecular de conmutación de protones —anàlec al mecanisme de Grotthuss en l'aigua— per lo que l'àcit sulfúric és un bon conductor d'electricitat. També és un excelent dissolvent per a moltes reaccions.

Formació de l'àcit

L'àcit sulfúric es troba disponible comercialment en un gran número de concentracions i graus de purea. Existixen dos processos principals per a la producció d'àcit sulfúric, el método de cambres de plom i el procés de contacte. El procés de cambres de plom és el més antic dels dos processos i és utilisat actualment per a produir gran part de l'àcit consumit en la fabricació de fertilisants. Este método produïx un àcit relativament diluït (62 %-78 % H₂BAIX₄). El procés de contacte produïx un àcit més pur i concentrat, pero requerix de matèries primeres més pures i l'us de catalisadors costosos. En abdós processos el diòxit de sofre (BAIX₂) és oxidat i dissolt en aigua. L'òxit de sofre (IV) és obtingut per mig de l'incineració de sofre, torrant pirita (Disulfuro de ferro), torrant atres sulfur no ferrosos, o per mig de la combustió de sulfur d'hidrogen (H₂S) gaseós. Històricament va existir un atre método anterior a estos, pero hui en desús, el procés del vitriolo.

Obtenció en laboratori

Es pot obtindre fent passar una corrent del gas diòxit de sofre (BAIX₂) en dissolució de peròxit d'hidrogen (H₂O₂):

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}\mathrm{+}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}\mathrm{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}$

Esta dissolució es concentra evaporant l'aigua.

Procés de cambres de plom

En el procés de cambres de plom el diòxit de sofre (BAIX₂) gaseós calent entra per la part inferior d'un reactor cridat torre de Glover a on és llavat en vitriolo nitroso (àcit sulfúric en òxit nítric (NO) i diòxit de nitrogen (NO₂) dissolts en ell), i mesclat en òxit de nitrogen (NO) i òxit de nitrogen (IV) (NO₂) gaseosos. Part d'òxit de sofre (IV) és oxidat a òxit de sofre (VI) (BAIX₃) i dissolt en el bany àcit per a formar l'àcit de torre o àcit de Glover (aproximadament 78 % d'H₂BAIX₄).

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$

De la torre de Glover una mezcla de gases (que incluye óxido d'azufre (IV) y (VI), óxidos de nitrógeno, nitrógeno, oxígeno y vapor) es transferida a una cámara recubierta de plomo donde es tratado con más agua. La cámara puede ser un gran espacio en forma de caja o un recinto con forma de cono truncado. El ácido sulfúrico es formado por una serie compleja de reaccions; condensa en les paredes y es acumulado en el piso de la cámara. Pueden existir de tres a seis cámaras en serie, donde els gases pasan por cada una de les cámaras en sucesión. El ácido producido en les cámaras, generalmente llamado ácido de cámara o ácido de fertilizante, contiene de 62 % a 68 % de H₂SO₄.

$\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

$\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{⟶}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{O}$

Després de que els gasos varen passar per les cambres li'ls fa passar a un reactor cridat torre de Gay-Lussac a on són llavats en àcit concentrat gelat (provinent de la torre de Glover). Els òxits de nitrogen i el diòxit de sofre que no haja reaccionat es dissolen en l'àcit formant el vitriolo nitroso utilisat en la torre de Glover. Els gasos remanentes són usualment lliberats en l'atmòsfera

Procés de contacte

AP El procés es basa en l'ocupació d'un catalisador per a convertir el BAIX₂ en BAIX₃, del que s'obté àcit sulfúric per hidratació.

$\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$

En este proceso, una mezcla de gases secos que contiene del 7 al 10 % de SO₂, según la fuente de producció de SO₂ (el valor inferior corresponde a plantas que tuestan piritas y el superior a les que queman azufre), y d'un 11 a 14 % de O₂, se precalienta y una vez depurada al máximo, pasa a un convertidor d'uno o más lechos catalíticos, por regla general de platino o pentóxido de vanadio (V₂O₅), donde se forma el SO₃. Se suelen emplear dos o más convertidores. els rendimientos de conversión del SO₂ a SO₃ en una planta en funcionamiento normal oscilan entre el 96 y 97 %, pues la eficacia inicial del 98 % se reduce con el paso del tiempo. Este efecto de reduccions se ve más acusado en les plantas donde se utilizan piritas de partida con un alto contenido d'arsénico, que no se elimina totalmente y acompaña a els gases que se someten a catálisis, provocando el envenenamiento del catalizador. Por consiguiente, en ocasiones, el rendimiento puede descender hasta alcanzar valores próximos al 95 %. En el segundo convertidor, la temperatura varía entre 500 y 600 °C. Esta se selecciona per a obtener una constante óptima d'equilibrio con una conversión máxima a un coste mínimo. El tiempo de residencia dels gases en el convertidor es aproximadamente de 2-4 segundos. els gases procedentes de la catálisis se enfrían a unos 100 °C aproximadamente y atraviesan una torre d'óleum, per a lograr la absorción parcial de SO₃. els gases residuals atraviesan una segunda torre, donde el SO₃ restante se lava con ácido sulfúrico de 98 %. Por último, els gases no absorbidos se descargan a la atmósfera a través d'una chimenea. Existe una marcada diferencia entre la fabricació del SO₂ por combustión del azufre y por tostación de piritas, sobre todo si són arsenicals. El polvo producido en el proceso de tostación nunca puede eliminarse en su totalidad y, junto con les impurezas, principalmente arsénico y antimonio, influyen sensiblemente sobre el rendimiento general de la planta. La producció de ácido sulfúrico por combustión d'azufre elemental presenta un mejor balance energético pues no tiene que ajustarse a els sistemas de depuración tan rígidos forzosamente necesarios en les plantas de tostación de piritas.

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{⟶}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{7}}$

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{7}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$

Aplicacions

El sofre en forma de sulfat és una important font de nutrició per a les plantes. Al voltant del 60 % de la producció total d'àcit sulfúric s'utilisa en la manufactura de fertilisants. La major part s'utilisa en la producció del àcit fosfórico, que a la seua volta s'utilisa per a fabricar materials fertilisants com els superfosfatos de calç, que faciliten l'absorció del fosfat per les plantes. Cantitats més chicotetes s'utilisen per a produir nitrosulfato amònic, un abonament nitrogenat simple obtingut químicament de la reacció del àcit nítric i sulfúric en amoniaco. Atres aplicacions importants es troben en la refinación del petròleu, producció de pigments, tractament de l'acer, extracció de metals no ferrosos, manufactura d'explosius, detergents, plàstics i fibres. Cantitats substancials d'àcit sulfúric també s'utilisen com a mig de reacció en processos químics orgànics i petroquímics involucrant reaccions com nitraciones, condensació i deshidratació. En l'indústria petroquímica s'utilisa per a la refinación, alquilación i purificació de destilats de cru. En l'indústria química inorgànica, l'àcit sulfúric s'utilisa en la producció de pigments d'òxit de titani (IV), àcit clorhídric i àcit fluorhídric, que ha remplazado l'els clorofluorocarbonados en l'indústria de la refrigeració.

En el processat de metals l'àcit sulfúric s'utilisa per al tractament de l'acer, coure, urani i vanadi i en la preparació de banys electrolítics per a la purificació i plateado de metals no ferrosos. Alguns processos en l'indústria de la fusta i el paper requerixen àcit sulfúric, aixina com alguns processos textils, fibres químiques i tractament de pells i cuiro. Sobre els usos directes, provablement l'us més important és el sulfur que s'incorpora a través de la sulfonación orgànica, particularment en la producció de detergents. Les bateries dels automòvils contenen solucions diluïdes d'àcit sulfúric (aixina i tot és menester tindre precaució ya que inclús sent diluït no deixa de ser altament càustic). Les bateries de liti-sofre són objecte d'interés, per poder almagasenes major energia que les bateries d'inone de liti.

Precaucions

Guant de Nitril expost a gotes d'àcit sulfúric al 98% per 10 minuts

La preparació d'una dissolució d'àcit pot resultar perillosa per la calor generada en el procés. És vital que l'àcit concentrat siga afegitó a l'aigua (i no al revés) per a aprofitar l'alta capacitat calorífica de l'aigua i la major temperatura d'ebullició de l'àcit. L'àcit es pot calfar a més de 100 °C lo que provocaria la ràpida ebullició de la gota. En cas d'afegir aigua a l'àcit concentrat, poden produir-se salpicaduras d'àcit.

Vore també

• Óleum
• Sulfat
• Procés de la cambra de plom

Enllaços externs

• Espanyol - ToxFAQs: Anhídrit sulfúric i àcit sulfúric
• Espanyol - Resumixen de Salut Pública: Anhídrit sulfúric i àcit sulfúric
• Institut Nacional de Seguritat i Higiene en el Treball d'Espanya: Ficha internacional de seguritat química de l'àcit sulfúric.
• l'àcit sulfúric
• Proyecció del mercat d'àcit sulfúric en Chile fins al 2015 (pdf)
• Manufactura d'Àcit Sulfúric (Artícul sobre el procés a nivell industrial per Ing. José I. Calderon CS Group) [1] archivat en Wayback Machine. (pdf)