Acido sulfurico. Propiedades físicas y químicas

INDICE

1. Introducción.

2. Definición.

3. Propiedades físicas y químicas.

3.1. Propiedades físicas.

3.2. Propiedades químicas.

4. Aplicaciones.

5. Historia.

6. Procesos de obtención.

6.1. Método de las cámaras de plomo.

6.2. Método de contacto.

7. Modelo de industria del ácido sulfúrico.

7.1. Metalurgia del zinc.

7.2. Minerales de zinc.

7.3. Planteamiento.

1. Introducción

El ácido sulfúrico es el producto de la industria química básica más empleado, dado su relativo bajo precio y versatilidad, siendo por tanto el producto químico más fabricado en el mundo con una producción de aproximadamente 200 millones de toneladas en 2009 y una estimación de 285 millones de toneladas para 2020. Casi no existe industria ni fabricación que no lo utilice directa o indirectamente en algunas de sus operaciones y en sus diversos grados de concentración, tanto en la gran industria química como en la metalurgia y la química orgánica. Generalmente se fabrica dentro de la propia industria que lo consume, por lo que su comercio no es tan fuerte como su consumo.

Tan importante es el ácido sulfúrico que la industrialización y adelanto de un país se llegó a medir, entre otros parámetros, por su producción de ácido sulfúrico (su consumo por habitante da idea de la potencia de la industria química de una nación, del mismo modo que la del hierro da idea de la potencia de la industria en general). Ahora sigue teniendo la misma importancia como materia prima, pero no la importancia estratégica que tuvo en su día.

El ácido sulfúrico se produce mayoritariamente a partir del azufre elemental, pero además es un subproducto importante de la industria metalúrgica que utiliza como materias primas menas de sulfuros de cobre (piritas y calcopiritas), de zinc (blendas), mercurio (cinabrio), plomo (galenas), etc. y otros complejos.

Antiguamente se utilizaban dos procesos para obtener ácido sulfúrico: el proceso de cámaras de plomo y el de contacto. Actualmente se usa sólo este último en todas las industrias alrededor del mundo, ya que el primero (proceso de cámaras de plomo) desapareció debido a que se puede producir el ácido sólo en una concentración del 78% y su impacto ambiental es mayor.

Nuestra intención es apuntar algunos de los diversos métodos que se usan, han usado o pueden usarse en la obtención de ácido sulfúrico, para ver con más detalle la tostación de sulfuros de zinc (blendas).

2. Definición

El ácido sulfúrico es un compuesto químico inorgánico constituido por hidrógeno, oxígeno y azufre, de fórmula molecular H2SO4 y de nombre vulgar aceite de vitriolo. Es una de las combinaciones químicas inorgánicas de mayor importancia.

El ácido sulfúrico es un líquido oleoso, de densidad 1,8342 g/ml, transparente e incoloro cuando se encuentra en estado puro, y de color marrón cuando contiene impurezas. En su forma comercial está usualmente impuro y su coloración es pardusca. Es un ácido fuerte que, cuando se calienta por encima de 30 ºC desprende vapores y por encima de 200 ºC emite trióxido de azufre. En frío reacciona con todos los metales y en caliente su reactividad se intensifica. Tiene gran afinidad por el agua y es por esta razón que extrae el agua de las materias orgánicas, carbonizándolas.

La molécula presenta una estructura piramidal, con el átomo de azufre en el centro y los cuatro átomos de oxígeno en los vértices. Los dos átomos de hidrógeno están unidos a los átomos de oxígeno no unidos por enlace doble al azufre. Dependiendo de la disolución, estos hidrógenos se pueden disociar. En agua se comporta como un ácido fuerte en su primera disociación, dando el anión hidrogenosulfato, y como un ácido débil en la segunda, dando el anión sulfato.

H2SO4 (ac) → H (ac) + HSO4 (ac)

HSO4 (ac) → H (ac) + SO4 (ac)

El ácido sulfúrico puede formar soluciones con el agua en cualquier proporción. Las soluciones acuosas de ácido sulfúrico se nombran de acuerdo con el porcentaje en peso de ácido en la solución; el ácido sulfúrico concentrado es entonces H2SO4 100%, que se conoce como anhidro o como monohidrato de trióxido de azufre.

El más concentrado, es decir, la especie química SO4H2, no puede obtenerse por evaporación del agua que contiene ni por destilación del ácido diluido, pues únicamente se llega así a un ácido que a la temperatura de 15 ºC tiene el peso específico de 1,842 g/ml, o sea, corresponde a una solución al 98,5% que contiene todavía 1,5 por 100 de agua, y por consiguiente su fórmula molecular es SO4H2+1/12 H2O, y cuyo punto de ebullición es de 338 ºC; es decir, el ácido sulfúrico destila de un modo constante y a la concentración dicha.

Existen también otros hidratos definidos del ácido sulfúrico, como, por ejemplo, el bihidrato del anhídrido [ácido glacial (monohidrato)], o sea SO4H2+H2O, con una densidad de 1,795 g/ml, que contiene 86,3 por 100 de ácido puro y que cristaliza a 4 ºC

Actualmente, el ácido sulfúrico (H2SO4) se produce y comercializa con concentraciones comprendidas entre el 98 y el 99%; diluido a concentraciones por debajo del 94% sólo se comercializa en circunstancias muy justificadas (ácidos residuales de diversos tratamientos). En general se prefiere transportar ácido concentrado y diluirlo en el lugar de su utilización por problemas de corrosión y para evitar sobrecostes del transporte de agua. También se comercializan disoluciones de anhídrido sulfúrico (SO3) en ácido sulfúrico, que reciben el nombre de óleum (antiguamente ácido sulfúrico fumante, pues humea cuando sus vapores de SO3 se ponen en contacto con la humedad del aire). La concentración del óleum se expresa habitualmente como concentración en peso del SO3 libre disuelto en la mezcla, pero también se expresa como la relación (en forma de porcentaje) entre el peso del acido sulfúrico 100%, que se puede obtener mediante la adición de agua, y el peso inicial del óleum. Evidentemente, el agua no se adiciona realmente, sino que se determina mediante cálculo, para convertir el SO3 disuelto en H2SO4.

Conversión de concentraciones del óleum mediante balance de SO3 y H2O para producir H2SO4 100%.

% SO3 libre H2O necesaria H2SO4 formado % H2SO4 % H2SO4 Total

10 10*(18/80) = 2,25 12,25 90 102,25

20 20*(18/80) = 4,5 24,5 80 104,5

40 40*(18/80) = 9 49 60 109

60 60*(18/80) = 13,5 73,5 40 113,5

70 70*(18/80) = 15,75 85,75 30 115,75

SO3 líquido 100 100*(18/80) = 22,5 122,5 0 122,5

El óleum es un intermediario importante en la manufactura de ácido sulfúrico, debido a su alta entalpía de hidratación. Cuando se agrega SO3 a agua, en vez de sólo disolverse, tiende a formar una niebla fina de ácido sulfúrico, que es difícil de manejar. Sin embargo, cuando se agrega el SO3 a ácido sulfúrico concentrado, se disuelve rápidamente, formando óleum, que puede luego disolverse en agua para formar más ácido sulfúrico concentrado.

3. Propiedades físicas y químicas

El ácido sulfúrico es un ácido oxácido líquido que tiene las propiedades fisicoquímicas que se reflejan a continuación:

3.1. Propiedades físicas

Peso Molecular (g/mol) 98,08

Estado físico Líquido viscoso

Color incoloro-marrón

Olor inodoro en frío y picante en caliente

Punto de Ebullición (ºC) (760 mmHg) 290; 100%

310-335; 98%

Punto de Fusión (ºC) 10,4-10,5; 100%

3; 98%

-64; 65%

Presión de Vapor (mmHg) < 0,001; 20 ºC 1; 146 ºC

Gravedad Específica (Agua = 1) 1,841; 100%

Densidad del Vapor (Aire = 1) 3,4

Velocidad de Evaporación (Acetato de Butilo = 1) N.A.

Solubilidad en Agua (g/ml) Total

Solubilidad en otros productos químicos Se descompone en alcohol

Temperatura de descomposición térmica a partir de 30 ºC y totalmente a 450 ºC

Límites de Inflamabilidad (% vol) N.A.

Temperatura de Auto ignición (ºC) N.A.

Punto de Inflamación (ºC) N.A.

pH 0.3; Solución 1 N

1,2; Solución 0,1 N

2,1; Solución 0,01 N

Constante crioscópica 68,1

Constante dieléctrica a 20 ºC 108 ciclos/s >84 u. c. g. s.

Calor específico a 0 ºC (sólido) 0,269 cal / g ºC

Calor específico a 10,5 ºC (líquido) 0,339 cal / g ºC

Entalpía de formación (sólido) −192,24 Kcal / mol

Entalpía de formación (líquido) −189,75 Kcal / mol

Entalpía de vaporización a 274 ºC +11,95 Kcal / mol

Entalpía de fusión a +10,0 ºC + 2,53 Kcal / mol

Tensión superficial 98,5 % y 10 ºC 55,5 dinas / cm

Indice de refracción a 20 ºC 1,429

3.2. Propiedades químicas

a.- Propiedades ácidas: El ácido sulfúrico da todas las reacciones características de los ácidos: reacciona con los óxidos e hidróxidos de los metales formando la sal correspondiente, ataca a los metales que se encuentran por encima del hidrógeno en la serie de tensiones, etc.

CaO + H2SO4 ----- CaSO4 + H2O

2 NaOH + H2SO4 -- Na2SO4 + 2 H2O

Mg + H2SO4 ------- MgSO4 + H2

Es un ácido fuerte. Es dibásico y en disolución diluida experimenta

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