El octazufre y el ácido sulfúrico
En el central azucarero y en la fábrica de fertilizantes se consume ácido sulfúrico en grandes cantidades, hasta el punto de que su producción se usa como medida del desarrollo químico de un país. ¿De dónde sale ese ácido y por qué es tan peligroso de diluir? Todo parte de un sólido amarillo: el azufre.
El octazufre
El azufre es un no metal de la columna 16 de la tabla periódica de 18 columnas, el mismo grupo que el oxígeno. A temperatura ambiente forma una sustancia molecular: sus átomos se unen en anillos de ocho átomos. Por eso su fórmula es $\text{S}_8$ y se llama octazufre. El subíndice 8 indica que cada molécula tiene 8 átomos de azufre.
Propiedades físicas del octazufre:
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Sólido de color amarillo a 25 °C, quebradizo.
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Insoluble en agua; se disuelve en algunos disolventes no polares.
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Temperatura de fusión baja (alrededor de 113 °C), porque entre moléculas $\text{S}_8$ las fuerzas son débiles.
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No conduce la corriente eléctrica.
Describe las propiedades físicas del octazufre: color, estado de agregación a temperatura ambiente y solubilidad en agua. Explica qué significa el subíndice 8 en su…
Describe las propiedades físicas del octazufre: color, estado de agregación a temperatura ambiente y solubilidad en agua. Explica qué significa el subíndice 8 en su fórmula $\text{S}_8$.
Combustión del azufre y lluvia ácida
El octazufre arde en el aire con llama azul y desprende un gas de olor irritante, el dióxido de azufre:
$$\text{S}_8 + 8\,\text{O}_2 \rightarrow 8\,\text{SO}_2$$Verifica el balanceo: 8 átomos de S y 16 de O a cada lado.
El $\text{SO}_2$ es un contaminante: irrita los ojos y las vías respiratorias y daña las plantas. Se libera también al quemar combustibles con azufre (como algunos petróleos) y en la industria.
De SO₂ a lluvia ácida
En la atmósfera el $\text{SO}_2$ se oxida lentamente a trióxido de azufre y este reacciona con el agua de las nubes:
$$2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{SO}_3$$ $$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$$Las gotas caen como lluvia ácida. También se forma algo de ácido sulfuroso: $\text{SO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_3$.
Efectos: ataca el mármol y la piedra caliza (carbonato de calcio) de edificios y monumentos, como los de La Habana Vieja, y acidifica el suelo y daña los cultivos:
$$\text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CaSO}_4 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$Medidas para reducir las emisiones: usar combustibles con poco azufre, instalar filtros que retengan el $\text{SO}_2$ en las chimeneas y aprovechar energías renovables, como los parques solares fotovoltaicos.
Cuando el octazufre arde en el aire se forma un gas de olor irritante. Completa y balancea la ecuación: $$\text{S}8 + \text{O}2 \rightarrow \;?$$ Nombra el producto y…
Cuando el octazufre arde en el aire se forma un gas de olor irritante. Completa y balancea la ecuación:
$$\text{S}_8 + \text{O}_2 \rightarrow \;?$$Nombra el producto y menciona por qué es un contaminante del aire.
La combustión de combustibles que contienen azufre libera dióxido de azufre a la atmósfera, y este puede originar lluvia ácida. a) Escribe las ecuaciones que explican…
La combustión de combustibles que contienen azufre libera dióxido de azufre a la atmósfera, y este puede originar lluvia ácida.
- a) Escribe las ecuaciones que explican cómo el $\text{SO}_2$ llega a formar ácido sulfúrico en las gotas de lluvia.
- b) Explica qué efectos puede tener esta lluvia sobre las construcciones de mármol o de piedra caliza (por ejemplo, en edificios históricos) y sobre los cultivos. Escribe la ecuación entre el ácido y el carbonato de calcio.
- c) Propón y argumenta dos medidas para reducir estas emisiones.
El ácido sulfúrico: propiedades y usos
El ácido sulfúrico tiene fórmula $\text{H}_2\text{SO}_4$. Es un líquido incoloro, aceitoso y denso, muy corrosivo. Es el compuesto químico que más se produce en el mundo.
Usos principales:
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Fabricación de fertilizantes (superfosfatos y sulfato de amonio).
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Electrolito de las baterías de plomo (acumuladores) de los carros.
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Producción de otros ácidos, detergentes, colorantes y explosivos.
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Refinación de petróleo y tratamiento de metales.
El azufre elemental se usa además en la vulcanización del caucho y en la fabricación de pólvora y fungicidas. El vidrio común, en cambio, se fabrica con arena, carbonato de sodio y caliza: no usa azufre ni ácido sulfúrico.
Propiedades del ácido concentrado
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Es higroscópico y deshidratante: absorbe agua del aire y de otras sustancias. Al echarlo sobre azúcar ($\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$) le quita el hidrógeno y el oxígeno en forma de agua y deja carbono, una masa negra y esponjosa. El vapor que se observa es agua que se desprende, pues el proceso libera mucho calor.
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Se disuelve en agua con gran desprendimiento de calor.
Escribe la fórmula del ácido sulfúrico y nombra tres de sus usos. Entre los siguientes, señala los que corresponden al ácido sulfúrico o al azufre: fabricación de…
Escribe la fórmula del ácido sulfúrico y nombra tres de sus usos. Entre los siguientes, señala los que corresponden al ácido sulfúrico o al azufre: fabricación de fertilizantes, baterías de plomo (acumuladores), vulcanización del caucho, fabricación de vidrio común.
En una práctica de laboratorio, Yoel añade ácido sulfúrico concentrado a azúcar y observa que se forma una masa negra y esponjosa que desprende vapor. a) ¿Qué propiedad…
En una práctica de laboratorio, Yoel añade ácido sulfúrico concentrado a azúcar y observa que se forma una masa negra y esponjosa que desprende vapor.
- a) ¿Qué propiedad del ácido sulfúrico concentrado se pone de manifiesto?
- b) Explica el color negro del residuo.
- c) Explica por qué, para diluir el ácido, siempre se añade el ácido al agua, lentamente y con agitación, y nunca al revés.
Obtención industrial: el método de contacto
El ácido sulfúrico se fabrica a partir de azufre en tres etapas:
| Etapa | Proceso | Ecuación |
|---|---|---|
| 1 | Combustión del azufre | $\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$ |
| 2 | Oxidación catalítica del $\text{SO}_2$ | $2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\,\text{SO}_3$ |
| 3 | Absorción del $\text{SO}_3$ en agua | $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$ |
Los óxidos se nombran: $\text{SO}_2$ es el dióxido de azufre y $\text{SO}_3$ el trióxido de azufre.
La etapa 2 se hace sobre un catalizador (pentóxido de divanadio, $\text{V}_2\text{O}_5$): una sustancia que acelera la reacción sin consumirse. Sin él, el $\text{SO}_2$ se oxidaría demasiado despacio para que el proceso fuera útil.
En la práctica, el $\text{SO}_3$ no se echa directamente en agua porque la reacción es tan violenta que forma una niebla de ácido difícil de recoger. Se hace pasar por ácido sulfúrico concentrado (formando oleum) y luego este se diluye con agua hasta la concentración deseada. Con ese paso intermedio, el resultado global es el mismo: $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$.
La obtención industrial del ácido sulfúrico por el método de contacto transcurre en varias etapas: 1. combustión del azufre para obtener dióxido de azufre; 2. oxidación…
La obtención industrial del ácido sulfúrico por el método de contacto transcurre en varias etapas:
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combustión del azufre para obtener dióxido de azufre;
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oxidación catalítica del dióxido de azufre a trióxido de azufre;
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reacción del trióxido de azufre con agua (a través del ácido sulfúrico concentrado) para obtener ácido sulfúrico.
Escribe la ecuación balanceada de cada etapa, usando $\text{S}$ para el azufre, y nombra cada óxido. Indica qué papel cumple el catalizador.
Cálculos con el azufre y el ácido sulfúrico
Se usa el método de siempre: masa → cantidad de sustancia → (relación molar) → cantidad de sustancia → masa, con $n = m/M$.
Rendimiento y disolución comercial
Si todo el azufre se transformara en ácido, la masa obtenida sería la teórica. En la realidad se obtiene menos; el rendimiento es
$$\text{rendimiento} = \frac{m_{\text{real}}}{m_{\text{teórica}}} \cdot 100\ \%$$El ácido comercial no es puro, es una disolución. Si contiene 98 % en masa de $\text{H}_2\text{SO}_4$, la masa de disolución es $m_{\text{disol}} = \dfrac{m_{\text{puro}}}{0{,}98}$.
Se queman 25,6 g de octazufre con dioxígeno en exceso: $$\text{S}8 + 8\,\text{O}2 \rightarrow 8\,\text{SO}2$$ Calcula la cantidad de sustancia de $\text{S}8$ que…
Se queman 25,6 g de octazufre con dioxígeno en exceso:
$$\text{S}_8 + 8\,\text{O}_2 \rightarrow 8\,\text{SO}_2$$Calcula la cantidad de sustancia de $\text{S}_8$ que reacciona, la cantidad de sustancia de $\text{SO}_2$ que se forma y su masa. Masas molares: $\text{S}_8$ = 256 g/mol; $\text{SO}_2$ = 64 g/mol.
Una instalación parte de 1,6 kg de azufre (considera átomos de $\text{S}$, con la relación 1 mol de $\text{S}$ por cada 1 mol de $\text{H}2\text{SO}4$ en todo el…
Una instalación parte de 1,6 kg de azufre (considera átomos de $\text{S}$, con la relación 1 mol de $\text{S}$ por cada 1 mol de $\text{H}_2\text{SO}_4$ en todo el proceso).
- a) Calcula la cantidad de sustancia de azufre y la masa de ácido sulfúrico puro que se obtendría con rendimiento total.
- b) Si el rendimiento global es del 90 %, determina la masa real de ácido sulfúrico puro.
- c) Calcula la masa de disolución comercial al 98 % en masa que contiene esa cantidad de ácido. Masas molares: $\text{S}$ = 32 g/mol; $\text{H}_2\text{SO}_4$ = 98 g/mol.
Resumen
Vuelve al principio: el ácido sulfúrico sale del azufre mediante tres etapas, y se diluye con cuidado porque libera mucho calor al mezclarse con el agua.