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Ácido Sulfúrico

El ácido sulfúrico (ácido sulfúrico) es un ácido mineral corrosivo con una apariencia aceitosa y vítrea que le dio su nombre anterior de aceite de vitriolo. Otros nombres son ácido sulfhídrico, ácido de batería e hidrógeno sulfato. La fórmula del ácido sulfúrico, H2SO4 , indica la presencia de un átomo de azufre rodeado por dos compuestos de hidróxido y dos átomos de oxígeno. Este potente ácido se utiliza en diversas industrias, principalmente en la producción de fertilizantes y productos químicos.

Ácido sulfúrico
Ácido sulfúrico

Usos del ácido sulfúrico

Los usos del ácido sulfúrico son comunes en el sector industrial. Este ácido multifacético se produce en grandes cantidades y es el tercer producto químico industrial más fabricado. Suministrado por primera vez a gran escala comercial en Inglaterra alrededor de 1740 mediante la quema de azufre con nitrato de potasio o salitre, el ácido sulfúrico actual se elabora mediante el proceso de contacto. Las plantas de procesamiento por contacto simples queman azufre fundido para formar el gas dióxido de azufre (SO2). Este gas se enfría y luego se oxida para formar trióxido de azufre (SO3) a temperaturas moderadamente altas. El trióxido de azufre reacciona con las moléculas de hidrógeno y oxígeno del agua para formar ácido sulfúrico. El trióxido de azufre también se llama ácido sulfúrico anhidro (sin agua), óxido sulfúrico o anhídrido sulfúrico.

Extracción de ácido sulfúrico medieval
Extracción de ácido sulfúrico medieval

El otro método de procesamiento por contacto produce dióxido de azufre a partir de materiales que contienen azufre, como pirita (disulfuro de hierro (II)). Esto significa que los resultados iniciales pueden ser extremadamente impuros y es importante enfriar el gas SO 3 para eliminar la mayoría de estas impurezas. El enfriamiento también condensa el vapor de agua que se extrae con sifón, ya que de lo contrario la siguiente etapa conduciría a la producción de grandes cantidades de humos tóxicos. El trióxido de azufre restante se disuelve o se seca en ácido sulfúrico concentrado para producir H 2 S 2 O 7 , un proceso conocido como ahumado. Agregar agua a este ‘ácido sulfúrico humeante’ creará el doble de la cantidad de ácido sulfúrico: H 2 S 27 + H 2 0 = 2H 2 SO 4 .

En resumen, la producción de ácido sulfúrico se divide en cinco etapas : la extracción de azufre ya sea del suelo o como subproducto de otros procesos de fabricación, la conversión de azufre en dióxido de azufre, una conversión adicional de dióxido de azufre en trióxido de azufre y la última adición de agua para convertir el trióxido de azufre en ácido sulfúrico humeante, y la adición de ácido sulfúrico concentrado para producir aún más moléculas.

Ácido sulfúrico en la producción de fertilizantes

La producción de fertilizantes utiliza ácido sulfúrico para agregar azufre al suelo. La mayoría de las tierras agrícolas requieren una fuente de azufre para reemplazar la que ha sido utilizada por los cultivos o lixiviada durante los períodos de lluvia. Las deficiencias de azufre provocan el amarillamiento de las hojas, la necrosis de las hojas y los tejidos y el retraso en el desarrollo. Si bien las plantas no pueden utilizar azufre elemental, las bacterias del suelo lo oxidan para formar sulfato. El sulfato es la fuente de nutrición más importante para toda la vida vegetal y las plantas pueden absorberlo fácilmente a través de sus raíces.

Durante el procesamiento de combustibles fósiles, el azufre se extrae como subproducto del carbón, el petróleo crudo y el gas natural que contienen de pequeñas a grandes cantidades. Durante el refinado de combustibles fósiles, este azufre se elimina y, con mayor frecuencia, se envía en forma de ácido sulfúrico a las plantas de fabricación de fertilizantes. No solo se agrega azufre al suelo, también es necesario para la producción de superfosfato de cal donde el fosfato de roca se mezcla con ácido sulfúrico y fosfórico. El superfosfato de cal permite que las plantas absorban el fosfato. Otro fertilizante importante es el sulfato de amonio, que se produce mediante la reacción entre el amonio y el ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico producido para la industria de fertilizantes es de grado técnico o impuro y ligeramente coloreado con una concentración de entre 78 y 93%.

Ácido sulfúrico en la producción química

Los usos del ácido sulfúrico en la producción química incluyen la fabricación de caprolactama para fibras de nailon y dióxido de titanio, que es un pigmento blanco brillante. Además, el ácido sulfúrico es necesario para producir el ácido fluorhídrico que ha reemplazado a los clorofluorocarbonos (CFC) para su uso en refrigeradores o sistemas de aire acondicionado.

Las sales de sulfato como el sulfato de calcio (yeso y yeso) y el hidrogenosulfato son derivados de este ácido en particular. Aunque los sulfitos metálicos generalmente no se disuelven fácilmente en agua, otras sales de sulfato son todo lo contrario, lo que hace que el ácido sulfúrico sea uno de los mejores y más fácilmente disponibles disolventes para su uso en una amplia gama de industrias. Los suplementos minerales en el sector de la salud y el laureth sulfato de sodio en champús y artículos de tocador son otros ejemplos de sales de sulfato. Son estas partículas las que contribuyen a la lluvia ácida, pero al mismo tiempo, pueden tener un papel protector menor como partículas en el aire hacia la difusión de la radiación solar.

El ácido sulfúrico también se usa para fabricar explosivos. Agregar ácido nítrico y ácido sulfúrico a la celulosa produce nitrocelulosa altamente inflamable. Por esta razón, la compra de ácido sulfúrico en grandes cantidades requiere una licencia. El ácido sulfúrico de calidad comercial se vende a una concentración mínima del 95%.

Ácido sulfúrico en el laboratorio

En el laboratorio, el ácido sulfúrico se utiliza como agente de secado y en análisis cuantitativos donde la concentración de una solución se calcula mediante un método conocido como titulación. Siempre que se agrega agua al ácido (tenga cuidado con la reacción con ácido sulfúrico y siempre agregue el ácido al agua, no al revés), los iones de hidrógeno cargados positivamente se liberan del ácido mediante la donación de protones. Las bases o álcalis como el hidróxido de sodio producen iones de hidróxido cargados negativamente en presencia de agua debido a la aceptación de protones. Dependiendo de la cantidad de ácido o álcali en una solución, es posible calcular su concentración agregando su opuesto y descubriendo cuándo las cargas negativa y positiva se neutralizan y se unen para formar una molécula de agua. Por ejemplo, cuando se mezclan ácido sulfúrico e hidróxido de sodio (NaOH), reaccionarán y formarán moléculas de agua. Sin embargo, un metal como el sodio en presencia de azufre y agua producirá adicionalmente sulfato de sodio (Na2SO4) y agua.

Un ejemplo de uso de titulación podría ser determinar la concentración de una solución de ácido sulfúrico. La titulación de ácido requiere una concentración conocida de un reactivo alcalino (titulador), en este caso hidróxido de sodio. Añadiendo pequeñas cantidades conocidas de la base al ácido y probando la reacción de neutralización por medio de un indicador de pH, es posible calcular cuántos moles de NaOH se requieren para reaccionar con H2SO4 y así calcular la concentración en moles. por litro.

Ácido sulfúrico en la industria del motor

El ácido sulfúrico es un electrolito; un electrolito es una solución en la que hay iones presentes. Las baterías de plomo-ácido de los automóviles se componen de conjuntos de placas de óxido de plomo cargadas positivamente sumergidas en un electrolito y placas de plomo puro cargadas negativamente, igualmente sumergidas. Este electrolito es ácido sulfúrico diluido (aproximadamente 33%). Esta es la razón por la que el ácido sulfúrico a menudo se denomina ácido de batería.

Las baterías de los automóviles almacenan energía química y la convierten en energía eléctrica a través de las reacciones de hidrógeno, oxígeno, plomo y azufre entre sí. La presencia de agua destilada (pura) en ácido sulfúrico produce hidrógeno y sulfato. Los electrones negativos liberados viajan desde la placa negativa a la positiva, mientras que los iones sulfato reemplazan esta pérdida en la placa cargada negativamente (electrodo), reaccionando posteriormente con el plomo para formar sulfato de plomo. El ácido sulfúrico es perfecto para esta reacción, ya que es un ácido diprótico capaz de liberar dos de sus protones a la vez.

Esta reacción también ocurre en la placa positiva donde se rompen los enlaces de óxido de plomo y los átomos de oxígeno se disuelven en la solución de ácido sulfúrico, dejando los átomos de plomo en la placa para unirse con el sulfato. La presencia agregada de oxígeno e hidrógeno en la solución produce agua, lo que reduce la concentración de ácido sulfúrico. Cuando esta concentración es demasiado baja, es necesario reemplazar o recargar la batería.

La recarga es lo opuesto al proceso descrito anteriormente, devolviendo la batería a su estado original de placa positiva de sulfato de plomo, placa negativa de plomo puro y concentración de electrolito de ácido sulfúrico original; sin embargo, los iones se pierden lentamente con el tiempo, razón por la cual la vida útil de la batería, incluso cuando es recargable, es limitada.

En el tema de la energía, el ácido sulfúrico también es un componente de las baterías de cloruro de litio-sulfurilo (Li-SO2Cl2) y dióxido de litio-azufre (Li-SO2). Las baterías de litio-azufre están recibiendo mucho interés en la actualidad ya que, en teoría, pueden almacenar mucha más energía que las alternativas de iones de litio; sin embargo, aún queda mucha investigación por hacer.

Ácido sulfúrico en la industria alimentaria

El ácido sulfúrico se usa a menudo en la industria alimentaria para deshidratar ciertos comestibles como frutas o para detener el crecimiento de bacterias y otros microbios dañinos que aceleran el proceso de descomposición. Se utiliza en forma de aerosol para conservar carnes o aves. El ácido sulfúrico también es un aditivo alimentario de uso general utilizado en bebidas alcohólicas y queso.

Para secar frutas, la capacidad del ácido sulfúrico para eliminar el agua es muy apreciada. Cuando está en presencia de agua, el ácido sulfúrico reacciona para formar H3O+ (hidronio) y HSO4 (hidrogenosulfato). Una reacción posterior combina hidrogenosulfato con agua para producir más H3+ y SO42- o sulfato. Como la reacción de hidratación del ácido sulfúrico no requiere energía, es termodinámicamente favorable, y como tiene muchos átomos de hidrógeno (protones) que está feliz de donar, el ácido sulfúrico rápidamente reduce el pH de cualquier tejido que entre en contacto con él. Sin embargo, en los procesos de secado de frutas, el ácido sulfúrico concentrado no está en contacto directo con la fruta, sino que se utiliza para secar el aire a su alrededor, eliminando la humedad y ayudando y acelerando el proceso de deshidratación.

Ácido sulfúrico en el cuerpo humano

En el cuerpo humano, solo los aminoácidos cisteína (no esenciales) y metionina (esencial) contienen azufre. Esto significa que muchas proteínas que las contienen son capaces de producir pequeñas cantidades de ácido sulfúrico cuando se metabolizan. Cuando este ácido sulfúrico no volátil (metabólico) no se descompone y se usa, se excreta a través de los riñones.

El azufre es uno de los minerales más abundantes en el cuerpo humano y está fácilmente disponible en fuentes alimenticias, desde el ajo hasta la carne. La mayoría de los tratamientos para el cabello y la piel, los suplementos dietéticos y los tratamientos farmacéuticos para las articulaciones contienen abundantes cantidades de este elemento.

Champú con cisteína y metionina
Champú con cisteína y metionina

El cuerpo humano contiene grandes cantidades de protones libres (H+) que ayudan a mantener el equilibrio del pH del cuerpo y permiten una gran variedad de reacciones químicas. El metabolismo de las proteínas que contienen cisteína o metionina proporciona una fuente de acidez que ayuda a mantener los niveles de pH correctos. En el sistema tampón de bicarbonato, el ácido sulfúrico se combina con el bicarbonato de sodio para formar sulfato de sodio en la siguiente reacción:

2 SO 4 + 2NaHCO 3    → Na 2 SO 4 + 2H 2 O + CO 2

La producción de CO 2 permite que el cuerpo regule rápidamente el pH a través de la ventilación pulmonar, mientras que los riñones regulan los iones de hidrógeno y bicarbonato mediante la excreción y reabsorción a un ritmo más pausado.

Las quemaduras por ácido son el resultado de la deshidratación de los tejidos . Las características corrosivas de una solución de ácido sulfúrico fuerte se deben a su capacidad para donar iones de hidrógeno provocando una potente reacción de oxidación. La piel contiene grandes cantidades de agua y la interacción de H2SO4 con H20 produce iones hidronio cargados positivamente (H3O+) e hidrogenosulfato cargados negativamente (HSO4), la misma reacción que se describe en la sección que describe la deshidratación de la fruta. A medida que ocurre esta reacción, también genera calor, lo que aumenta cualquier daño.

El influjo de ácido sulfúrico en la piel se asocia con la disociación inmediata de sus iones de hidrógeno; el pH del tejido afectado desciende rápidamente. En este entorno altamente ácido, las células circundantes mueren, lo que lleva a la necrosis de la coagulación, la formación de escaras (tejido negro y seco) y la formación de trombos en los capilares y vasos sanguíneos más grandes en el caso de quemaduras de segundo y tercer grado.

Agregar agua a una quemadura de ácido sulfúrico concentrado o incluso una solución que exceda el 20% no solo agrega un ingrediente adicional con el que el ácido sulfúrico puede reaccionar, sino que la reacción subsiguiente genera aún más calor y, por lo tanto, más daño. El enjuague con agua corriente solo debe hacerse inmediatamente después del contacto para eliminar el ácido de la piel pero no es un tratamiento o terapia. Antes de realizar cualquier tratamiento, es necesario neutralizar el ácido. Es por eso que a veces se recomienda lavarse inmediatamente con jabón, ya que la mayoría de los jabones son alcalinos. Con una quemadura de ácido sulfúrico, el tiempo es esencial. La información del empaque anterior que se muestra a continuación le indica que use mucho jabón y luego cubra con magnesia o bicarbonato de sodio. Todas estas sustancias son alcalinas. Para la ingestión de ácido sulfúrico, estas instrucciones recomiendan beber tiza, jabón o incluso yeso de pared, una vez más álcalis que aceptarán los protones disociados. En ambos casos, se aconseja a la persona desafortunada que busque ayuda médica.

Antiguas instrucciones para el tratamiento de quemaduras por ácido
Antiguas instrucciones para el tratamiento de quemaduras por ácido

La información actual de la MSDS (hoja de datos de seguridad del material) nos dice que el ácido sulfúrico es extremadamente corrosivo para todos los tejidos del cuerpo y solo recomienda lavar con agua tibia inmediatamente después de entrar en contacto con él. Se recomienda neutralizar los derrames de productos químicos en superficies de trabajo y pisos con álcalis, pero no con tejidos humanos internos o externos. Siempre se debe buscar atención médica.

Estructura de ácido sulfúrico

La estructura del ácido sulfúrico está compuesta por un solo átomo de azufre unido a dos átomos de oxígeno mediante dobles enlaces y dos grupos hidroxilo (OH) unidos mediante enlaces simples. Esto se ve claramente en la imagen de abajo.

Estructura del ácido sulfúrico
Estructura del ácido sulfúrico

Al comenzar desde cero, a partir de depósitos de azufre puro, el primer paso para producir ácido sulfúrico es la conversión de azufre en dióxido de azufre durante la quema de combustibles fósiles y también en el proceso de fundición de minerales impuros de aluminio, cobre, zinc, plomo y hierro que contienen azufre. La estructura del dióxido de azufre se muestra a continuación.

Estructura de dióxido de azufre
Estructura de dióxido de azufre

El siguiente paso es producir trióxido de azufre a partir de dióxido de azufre utilizando calor en presencia de oxígeno. Tenga en cuenta que cada uno de los tres átomos de oxígeno tiene un doble enlace. El trióxido de azufre es un líquido, pero reacciona fuertemente con la humedad en el aire circundante, como se muestra en esta foto que muestra un derrame de trióxido de azufre en el centro de investigación Marathon Oil en 1973.

Derrame de trióxido de azufre
Derrame de trióxido de azufre

La adición de agua forma H 2 SO 4 a partir de SO 3 y H 2 O. Se necesita una molécula de trióxido de azufre y agua para hacer una molécula de ácido sulfúrico. Por tanto, la nube de vapor anterior está compuesta de ácido sulfúrico.

Datos sobre el ácido sulfúrico

Aquí hay algunos datos sobre el ácido sulfúrico que le brindarán más información sobre este ácido corrosivo, peligroso pero importante.

La masa molar del ácido sulfúrico es 98,08 g / mol. Este se calcula de acuerdo con las masas atómicas de sus átomos: dos átomos de hidrógeno (2 x 1,008 g / mol), un átomo de azufre (1 x 32,065 g / mol) y cuatro átomos de oxígeno (4 x 16 g / mol). Para el peso total de una sola molécula de ácido sulfúrico, el cálculo es el mismo, pero los resultados se dan en unidades de masa atómica o uma. Es cuando desea saber el peso molecular de más de un mol que el resultado del peso molecular difiere de la masa molar. Por ejemplo, cuando tiene 2 gramos de dióxido de azufre (SO 2 con una masa molar de 64.065 g / mol) y quiere saber cuántos moles son. Para calcular este resultado, primero debe dividir 1 (mol) con la masa molar de la sustancia. Luego, multiplica el resultado por 2 (gramos), como se muestra en la siguiente ecuación.

Ecuación del ácido sulfúrico

La densidad del ácido sulfúrico depende de su fuerza (concentración) y temperatura. Por ejemplo, una solución de H 2 SO 4 al 13% a temperatura ambiente tiene una densidad de 9,09 g / cm 3 . Una solución al 96% a la misma temperatura tiene una densidad de 15,37 g / cm 3 . El punto de ebullición del ácido sulfúrico es de 639 ° F, 337 ° C o 610 K; su punto de congelación es 2,78 °C y su punto de fusión es 10 °C.

Ácido sulfúrico y autoprotólisis

H Pure 2 SO 4 o H anhidro 2 SO 4 es un líquido muy polar, lo que significa que contiene moléculas en las que enlaces polares – enlaces entre dos átomos de que no se distribuyen por igual – tienen una carga ligeramente negativa y positiva en los extremos opuestos. Estos extremos cargados pueden atraer o repeler moléculas que se acercan al contacto con cargas opuestas mediante fuerzas dipolo-dipolo muy débiles . El ácido sulfúrico se ioniza completamente en presencia de agua en iones de hidronio (H30+) e iones de sulfato de hidrógeno (HSO4). Sin embargo, sin agua, el ácido sulfúrico se ionizará consigo mismo., donde dos moléculas de ácido sulfúrico se autoprotolizan para producir un ion ácido sulfúrico protonado H3SO4+ y un ion sulfato de hidrógeno (HSO4) como se ve en la siguiente ecuación:

2 H 2 SO 4 ⇌ H 3 SO + + HSO 

Este alto nivel de ionización hace que el ácido sulfúrico sea un excelente solvente para una amplia gama de reacciones y supera con creces las propiedades solventes del agua.

Ácido sulfúrico en nuestro medio ambiente

El ácido sulfúrico es un componente de la lluvia ácida y se forma por la oxidación atmosférica del gas de dióxido de azufre en presencia de humedad. Dado que el dióxido de azufre se produce cuando los combustibles fósiles se queman en plantas de fabricación, para la producción de electricidad y calefacción o en vehículos, la lluvia ácida es principalmente un fenómeno creado por el hombre. La deposición seca en forma de partículas ácidas significa que los ácidos pueden asentarse y luego ser arrastrados por la lluvia, llevando agua ácida a los ecosistemas marinos y de agua dulce, pero también a los ambientes terrestres. Esto puede dañar la vida vegetal y animal.

El ácido sulfúrico también es un producto del mundo natural a través de la oxidación de minerales y menas que contienen azufre. Los volcanes son conocidos por aumentar los niveles de acidez de los lagos y ríos cercanos. Se dice que la muerte de Plinio el Viejo, quien en una expedición para salvar a amigos de la erupción del Vesubio cayó repentinamente al suelo y murió, se debió a la inhalación de dióxido de azufre. Supuestamente, una vez en el ambiente de alta humedad de los pulmones, este gas se convirtió en ácido sulfúrico, abrumando y matándolo.

Los flujos de agua ácida resultantes causados ​​por la lluvia ácida pueden conducir al drenaje ácido de rocas (DRA). ARD es en realidad el resultado de la formación de ácido sulfúrico diluido a través de reacciones minerales en la roca que es responsable de muchos daños ambientales. Las agencias reguladoras tratan de limitar los efectos de la ARD manteniendo el agua alejada de los desechos industriales de azufre, agregando álcalis a las aguas residuales y asegurándose de que las aguas residuales se traten antes de que lleguen a las fuentes naturales de agua. El agua ácida disuelve diferentes metales presentes en los minerales de sulfuro y produce corrientes de colores brillantes pero muy tóxicas.

Descúbre además el ácido clorhídrico aquí.

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