Urgente: enlaces químicos

Ácido sulfúrico
De entre los centenares de compuestos químicos inorgánicos es, sin duda, uno de los más conocidos y de los más popularmente temidos. Aparece en más de una película policíaca como disolvente demoníaco para destruir el cuerpo del delito. Se producen muchos miles de toneladas en el mundo anualmente y, de hecho, el nivel de producción de ácido sulfúrico de un país es indicativo de su desarrollo industrial. Esta aparente contradicción está sobradamente justificada por la multitud de aplicaciones de este compuesto.
El Ácido Sulfúrico (H2SO4) y Sus Propiedades Ácido-Base
El concepto de un ácido o una base se ha establecido a partir de diversos puntos de vista. De la forma más sencilla, se define a un ácido como un compuesto capaz de ceder protones (H+) al agua y a una base como una sustancia que cede iones OH- al agua. El ácido sulfúrico es capaz de ceder los dos protones que tiene al agua. Sin embargo, el concepto de ácido o base es mucho más amplio. Según la definición de Lewis, que es la más general, un ácido es una sustancia que forma enlaces covalentes aportando orbitales electrónicos vacíos y la base es la sustancia que forma enlaces covalentes aportando pares electrónicos sin compartir. Esta definición es también aplicable al ácido sulfúrico, ya que los protones H+, son iones que necesariamente se enlazan sin poder aportar ningún electrón, puesto que no tienen. Para que un ácido actúe como tal, tiene que hacerlo con un compuesto que actúe como base. Éste es el caso del agua, que, teniendo doble carácter (ácido o base según con qué reaccione, por eso se dice que es anfótera), capta los protones que le cede el ácido sulfúrico, a partir de las reacciones (simplificadas):
H2SO4 + H2O -->> H3O+ + HSO4- Reacción irreversible
HSO4- + H2O <<-->> H3O+ + SO4 2- Proceso de equilibrio.
El primer proceso es irreversible, ocurre en toda su extensión, mientras que el segundo ocurre en un determinado porcentaje, por eso se dice que es un proceso de equilibrio.
Otras Propiedades
El ácido sulfúrico industrial tiene una pureza del 98% y es un líquido transparente muy denso (d=1.8g/cc, casi el doble que el agua) y viscoso, por lo que se le conoce como aceite de vitriolo. Su punto de ebullición es bastante alto (290ºC). Tiene una enorme afinidad por el agua, en la que se disuelve violentamente generando una gran cantidad de calor. Por tanto es un poderoso deshidratante, propiedad que se deja notar especialmente cuando entra en contacto con compuestos orgánicos o tejidos vivos, a los que extrae toda el agua, carbonizándolos. Una de las razones por la que el ácido sulfúrico es deshidratante es porque suele venir acompañado de una cantidad variable de su forma anhidra, SO3, que tiende a reaccionar con agua para dar la forma hidratada H2SO4.
El ácido sulfúrico actúa también como oxidante de compuestos orgánicos e inorgánicos y puede hacerlo diluido o concentrado, a partir de las reacciones siguientes:
· Diluido: nH+ + M(metal electropositivo) = n/2·H2 + Mn+
· Concentrado y caliente: nH2SO4+mM(metal)=n·H2O+n·SO2+MmOn
En la primera reacción el agente oxidante es el protón, H+, mientras que en la segunda reacción es el anión SO42- el que actúa como agente oxidante.
Aplicaciones:
El ácido sulfúrico posee un sinfín de aplicaciones entre las que se pueden destacar las siguientes:
Reactivo y medio disolvente para los procesos de síntesis orgánica.
Disolvente de muestras tales como metales, óxidos metálicos y compuestos orgánicos.
Fabricación de fertilizantes, pinturas, pigmentos y explosivos.
En la industria textil se emplea para el proceso de blanqueo y la eliminación de impurezas metálicas en telas.
Refinamiento del crudo de petróleo.
Desarrollo de leucotinas y neutralización de tratamientos alcalinos.
Electrolito (sustancia que se usa como fuente de iones) en pilas y baterías, muy comúnmente usado en las baterías de los automóviles.
Agente desecante, principalmente de sustancias gaseosas, en los laboratorios de síntesis.
Agente desatascador de tuberías de plástico de uso doméstico e industrial, por su capacidad para disolver impurezas de todo tipo.
Método de obtención.
La materia prima para la producción del ácido sulfúrico (Planta tipo de contacto), es el azufre en flor.
El proceso consiste en los siguientes pasos:
1) Fundir el azufre, con vapor (dentro de serpentines), para eliminarle la humedad y las impurezas y ser bombeado al quemador.
2) Quemar el azufre para formar el gas dióxido de azufre (SO2).
3) Combinación del gas SO2 con oxigeno (O2), para formar al trióxido de azufre (SO3).- Esto es en presencia del catalizador pentoxido de vanadio.
4) Combinar el trióxido de azufre con agua (H2O)y para formar una solución conteniendo 98-99% de ácido sulfúrico (H2SO4).
Las reacciones químicas en una forma simplificada son las siguientes:
1) S + O2___________SO2
2) SO2 + O2 ___________ SO3
3) SO3 + H2O ___________ H2SO4
La conversión de SO2 a SO3 se lleva a cabo en el convertidor, el cual tiene cuatro capas del catalizador pentoxido de vanadio (el cual no se afecta ni consume), el oxígeno para esta reacción proviene del exceso de oxígeno en el quemador y del aire que se le agrega para enfriar los gases que entran al tercer paso. Para lograr una buena conversión el operador tiene que tener un control exacto de las temperaturas en los cuatro pasos del convertidor.
El gas SO3 que se ha formado en el convertidor, aunque sea enfriado adecuadamente no se combina directamente con el agua pero si puede combinarse indirectamente, absorbiendo el SO3 en ácido de 98-99% en la torre de absorción. Bajo estas condiciones el SO3 se une inmediatamente con el agua existente en el ácido.
Impacto ambiental y efectos en la salud.
Efectos en la Salud - se debe tener especial cuidado cuando se trabaje con ácido
sulfúrico concentrado. Es necesario estar totalmente protegido con ropa de goma,
cobertor para la cara, guantes y botas. Este ácido puede liberar dióxido de azufre
gaseoso, cuyo nivel de toxicidad es bastante alto y al contacto con el cuerpo ocasiona
graves quemaduras. El contacto reiterado con soluciones diluidas puede producir
dermatitis, en tanto la inhalación prolongada o frecuente del vapor de ácido sulfúrico
puede causar una inflamación del aparato respiratorio superior, que puede conllevar a
una bronquitis crónica.
El ácido sulfúrico es un oxidante ácido muy potente que se inflama e incluso puede
explotar en contacto con muchos materiales, entre ellos ácido acético, hidróxido de
amonio, cal, glicol etileno y muchos otros compuestos. Cuando se le mezcla con agua
produce una reacción bastante exotérmica. Para evitar el riesgo de una potencial
explosión, no se deberá añadir agua al ácido concentrado. El ácido deberá ser
agregado al agua.
Efectos Ambientales - el principal impacto ambiental del ácido sulfúrico es sobre el pH
del agua. El rango de pH acuoso que no es del todo letal para los peces es de 5-9. Por
debajo de un pH de 5.0 se produce una rápida disminución de las especies de peces y
de la biota que los sustenta. El impacto ambiental secundario del ácido sulfúrico está
en que su presencia que incrementa la toxicidad de otros contaminantes, tales como
los sulfuros y los metales, a través de su disolución.
Se deberá neutralizar, a la brevedad posible, los derrames de ácido sulfúrico en el
suelo. Es normal que una fracción significativa del ácido derramado en el suelo sea
neutralizada por los constituyentes del propio suelo. Sin embargo y como medida
precautoria, se deberá añadir cal para completar la neutralización.
Por lo general, el ácido sulfúrico es transportado en camiones cisterna y almacenado
en instalaciones en la superficie para almacenamiento a granel. La concentración de
ácido entregado se encuentra entre el 93 y 95 por ciento de H2SO4, mientras las
concentraciones excedan el 90 por ciento; puede utilizarse acero corriente para los
materiales de construcción. Todas las instalaciones para productos a granel deberán
contar con dispositivos de contención secundaria y estar construidos de material que
no reaccione (y por lo tanto reduzca la fuerza del H2SO4) con el ácido. Se deberá
desarrollar procedimientos especiales para la descarga del ácido para reducir al
mínimo los posibles derrames y el riesgo de daños a los trabajadores.