Ácido Sulfúrico, Fórmula Química, Usos, Propiedades, Ejemplos Y Más

Uno de los productos químicos más importantes que existen es el ácido sulfúrico, tanto así que su producción por un país es un poderoso señalador de su capacidad industrial. Es fabricado considerablemente a partir de varios métodos, como el proceso de contacto, el proceso de ácido sulfúrico húmedo, el proceso de cámara de plomo y algunos otros métodos.

Siendo utilizado básicamente en la fabricación de fertilizantes, tiene además importantes usos en el procesamiento de minerales, refinación de petróleo, manejo final de aguas residuales y síntesis química. Tiene una gran variedad de usanzas finales, entre las que se cuentan limpiadores de desagües ácidos domésticos, como electrolito en baterías de plomo-ácido, en la deshidratación de un compuesto y en varios agentes de limpieza.

Fórmula química y estructura del Ácido Sulfúrico

ácido sulfúrico

 

El ácido sulfúrico, denominado alternativamente como vitriolo, es un ácido mineral compuesto por los elementos azufre, oxígeno e hidrógeno, con la fórmula molecular H2SO4. Es un líquido incoloro, inodoro y viscoso que es soluble en agua y se sintetiza en reacciones altamente exotérmicas.

¿Cómo se elabora el Ácido Sulfúrico?

El ácido sulfúrico se fabrica a partir de azufre, oxígeno y agua mediante el proceso de contacto convencional (DCDA) o el proceso de ácido sulfúrico húmedo (WSA).

Proceso de contacto

Primeramente, el azufre se combustiona para producir dióxido de azufre.

S (s) + O2 (g) → SO2 (g)

Luego se oxida a trióxido de azufre manipulando oxígeno en presencia de un catalizador de óxido de vanadio (V).

SO2 (g) + O2 (g) ⇌ 2 SO3 (g) (en presencia de V2O5)

El trióxido de azufre es absorbido en 97-98% H2SO4 para crear así el óleum (H2S2O7), llamado como ácido sulfúrico fumante. El óleum puede ser diluido en agua para crear ácido sulfúrico concentrado.

H2SO4 (l) + SO3 (g)→ H2S2O7 (l)

H2S2O7 (l) + H2O (l) → 2 H2SO4 (l)

Proceso de ácido sulfúrico húmedo

Comenzando el azufre se quema para formar dióxido de azufre:

S(s) + O2(g) → SO2(g)

Luego se oxida a trióxido de azufre usando oxígeno con óxido de vanadio (V) como catalizador.

2 SO2 + O2 ⇌ 2 SO3 (-99 kJ/mol) (la reacción es reversible)

El trióxido de azufre se hidrata en ácido sulfúrico H2SO4:

SO3 + H2O → H2SO4(g) (-101 kJ/mol)

Finalmente se condensa el ácido sulfúrico a líquido 97-98% H2SO4 : H2SO4(g) → H2SO4(l) (-69 kJ/mol)

Métodos alternos

Uno de los métodos de fabricación menos conocido es el que usa metabisulfito, donde éste es puesto en el fondo de un vaso de precipitados y se le agrega ácido clorhídrico de 12,6 molares de concentración. Esto da como resultado un gas que se hace burbujear a través del ácido nítrico, que liberará vapores marrones/rojos. El termino de la reacción es mostrado con la extinción de los vapores. Este método no produce una neblina inseparable, lo cual es bastante conveniente.

SO2 + HNO3 + H2O → H2SO4 + NO

El ácido sulfúrico puede producirse en el laboratorio quemando el azufre en el aire y disolviendo el gas producido en una solución de peróxido de hidrógeno.

SO2 + H2O2 → H2SO4

O alternativamente, con agitación, disolviendo el dióxido de azufre (cualquier fuente) en una solución acuosa de una cierta sal metálica oxidante como el cobre (II) o el cloruro de hierro (III):

2FeCl3 + 2H2O + SO2 → 2FeCl2 + H2SO4 + 2HCl

2CuCl2 + 2H2O + SO2 → 2CuCl + H2SO4 + 2HCl

Propiedades del Ácido

  • Fórmula química: H2SO4
  • Masa molar: 98.079 g/mol
  • Apariencia: Líquido claro e incoloro
  • Olor: inodoro
  • Densidad: 1,8302 g/cm3, líquido
  • Punto de fusión: 10,31[1] °C (50,56 °F; 283,46 K)
  • Punto de ebullición: 337[1] °C (639 °F; 610 K) Cuando el ácido sulfúrico está por encima de los 300 °C (572 °F), se descompone gradualmente a SO3 + H2O
  • Solubilidad en agua: miscible, exotérmico
  • Presión de vapor: 0,001 mmHg (20 °C)
  • Acidez: (pKa) -3, 1.99
  • Base del conjugado: Sulfato de hidrógeno
  • Viscosidad: 26,7 cP (20 °C)

Usos frecuentes del Ácido

ácido sulfúrico

El ácido sulfúrico es una sustancia química muy importante. Durante el año 2004 se registró una producción mundial de unas 180 Tn, las cuales se distribuyeron geográficamente de la siguiente manera: Asia 35%, América del Norte (incluye México) 24%, África 11%, Europa Occidental 10%, Europa Oriental y Rusia 10%, Australia y Oceanía 7%, América del Sur 7%.

Aproximadamente el 60% de esta producción es utilizada en la elaboración de fertilizantes, primordialmente superfosfatos, fosfato de amonio y sulfatos de amonio. Un 20% es usado en la industria química para elaborar de detergentes, resinas sintéticas, colorantes, productos farmacéuticos, catalizadores de petróleo, insecticidas y anticongelantes, como también tiene utilidad en los procesos de acicalamiento de pozos petroleros, la reducción de aluminio, el encolado de papel y el tratamiento de aguas.

Otro 6% de los usos tienen concordancia con los pigmentos e incluyen pinturas, esmaltes, tintas de impresión, tejidos recubieusa en una inmensa gama de aplicaciones como la producción de explosivos, celofán, textiles de acetato y viscosa, lubricantes, metales no ferrosos y baterías.

En la industria

El más importante uso del ácido sulfúrico es en el “método húmedo” para la elaboración de ácido fosfórico, usado comúnmente para la producción de fertilizantes fosfatados. En este método se utiliza roca fosfórica y se procesan más de 100 millones de toneladas al año.

Otro trascendental fertilizante nitrogenado fabricado a partir del ácido sulfúrico es el sulfato de amonio, el cual se produce más comúnmente como un subproducto de las plantas de coque que abastecen a las plantas de fabricación de hierro y acero. La reacción del amoníaco producido en la descomposición térmica del carbón con los residuos de ácido sulfúrico permite que el amoníaco se cristalice en forma de sal (a menudo marrón por la contaminación del hierro) y se venda a la industria agroquímica.

Asimismo se produce sulfato de aluminio, llamado también alumbre de papelera. Este puede reaccionar con pequeñas cantidades de jabón en las fibras de la pulpa de papel para dar carboxilatos gelatinosos de aluminio, los cuales colaboran en la coagulación de las fibras de la pulpa en una superficie de papel duro. También se utiliza para fabricar hidróxido de aluminio, el cual es  empleado en las plantas de tratamiento de aguas para filtrar las impurezas, así como para mejorar el sabor del agua.

Agente de limpieza industrial

El ácido sulfúrico es utilizado en grandes cantidades por la industria siderúrgica para remover la oxidación, el óxido y el sarro de las láminas laminadas y palanquillas antes de su venta a la industria automotriz y de los electrodomésticos principales. El ácido usado se recicla a menudo utilizando una planta de regeneración de ácido gastado (SAR). Estas plantas queman el ácido gastado con gas natural, gas de refinería, fuel oil u otras fuentes de combustible.

Este proceso de combustión produce dióxido de azufre gaseoso (SO2) y el trióxido de azufre (SO3) que luego se utilizan para fabricar “nuevo” ácido sulfúrico. Las plantas SAR son adiciones comunes a las plantas de fundición de metales, refinerías de petróleo, y otras industrias donde el ácido sulfúrico se consume a granel, pues operar una planta SAR es mucho más barato que los costos recurrentes de eliminación de ácido gastado y las nuevas compras de ácido.

Catalizador

El ácido sulfúrico se utiliza para una variedad de otros propósitos en la industria química. Por ejemplo, es el catalizador ácido habitual para la conversión de la oxima de ciclohexanona en caprolactama, utilizada para la fabricación de nylon. Se utiliza para fabricar ácido clorhídrico a partir de sal mediante el proceso de Mannheim. Mucho H2SO4 se utiliza en el refinado del petróleo, por ejemplo como catalizador para la reacción de isobutano con isobutylene para dar isooctane, un compuesto que eleva el índice de octano de la gasolina (petróleo).

El ácido sulfúrico también se utiliza a menudo como agente deshidratante u oxidante en reacciones industriales, como la deshidratación de varios azúcares para formar carbono sólido.

Electrolito

ácido sulfúrico

Los limpiadores ácidos de desagüe suelen contener ácido sulfúrico en una alta concentración que hace que un trozo de papel con pH se vuelva rojo y se carbonice instantáneamente, demostrando tanto la fuerte naturaleza ácida como la propiedad deshidratante.

El ácido sulfúrico actúa como electrolito en las baterías de plomo (acumulador de plomo):

En el ánodo: Pb + SO42- ⇌ PbSO4 + 2 e−

En el cátodo: PbO2 + 4 H+ + SO42- + 2 e- ⇌ PbSO4 + 2 H2O

Se puede utilizar un limpiador de drenaje ácido para disolver la grasa, el pelo e incluso el papel de seda dentro de las tuberías de agua.

Usos domésticos

El ácido sulfúrico en altas concentraciones es frecuentemente el ingrediente principal en los limpiadores ácidos de drenaje que se utilizan para eliminar la grasa, el pelo, el papel de seda, etc. De forma similar a sus versiones alcalinas, estos destapadores de desagües pueden disolver grasas y proteínas mediante hidrólisis.

Además, como el ácido sulfúrico concentrado tiene una fuerte propiedad deshidratante, también puede eliminar el papel de seda mediante un proceso de deshidratación. Dado que el ácido puede reaccionar con el agua de forma vigorosa, tales abridores de drenaje ácidos deben ser añadidos lentamente en la tubería que se va a limpiar.

Peligros del ácido sulfúrico

Gotas de ácido sulfúrico al 98% carbonizan un trozo de papel de seda instantáneamente. El carbono queda después de la reacción de deshidratación tiñendo el papel de negro.

Quemadura química superficial causada por dos salpicaduras de ácido sulfúrico 98% (piel del antebrazo)

El ácido sulfúrico es capaz de causar quemaduras muy severas, especialmente cuando está en altas concentraciones. Al igual que otros ácidos y álcalis corrosivos, descompone fácilmente las proteínas y los lípidos a través de la hidrólisis de amidas y ésteres al entrar en contacto con los tejidos vivos, como la piel y la carne.

Además, muestra una fuerte propiedad deshidratante sobre los carbohidratos, liberando calor adicional y causando quemaduras térmicas secundarias. Por consiguiente, ataca rápidamente la córnea y puede inducir a la ceguera permanente si se salpica en los ojos. Si se ingiere, daña los órganos internos de forma irreversible e incluso puede ser mortal. Por lo tanto, siempre se debe utilizar un equipo de protección al manipularlo.

Por otra parte, su fuerte propiedad oxidante lo hace altamente corrosivo para muchos metales y puede extender su destrucción a otros materiales. Por tales razones, el daño causado por el ácido sulfúrico es potencialmente más severo que el de otros ácidos fuertes comparables, como el ácido clorhídrico y el ácido nítrico.

El ácido sulfúrico debe ser almacenado cuidadosamente en recipientes de material no reactivo (como el vidrio). Las soluciones iguales o más fuertes que 1,5 M se etiquetan como “CORROSIVAS”, mientras que las soluciones superiores a 0,5 M pero inferiores a 1,5 M se etiquetan como “IRRITANTES”. Sin embargo, incluso el grado normal de “dilución” de laboratorio (aproximadamente 1 M, 10%) carbonizará el papel si se deja en contacto durante un tiempo suficiente.

El tratamiento estándar de primeros auxilios para los derrames de ácido en la piel es, como para otros agentes corrosivos, la irrigación con grandes cantidades de agua. El lavado se continúa durante al menos diez o quince minutos para enfriar el tejido que rodea la quemadura de ácido y para prevenir daños secundarios. La ropa contaminada se retira inmediatamente y la piel subyacente se lava a fondo.

Peligros de dilución

La preparación del ácido diluido puede ser peligrosa debido al calor que se libera en el proceso de dilución. Para evitar salpicaduras, el ácido concentrado se suele añadir al agua y no al revés. El agua tiene una capacidad de calor mayor que el ácido, por lo que un recipiente de agua fría absorberá el calor a medida que se añada el ácido.

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