Ácido sulfurico

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Ácido sulfurico
General

Nombre sistemático
Ácido sulfurico
nombres tradicionales Ácido sulfúrico, vitriolo, óleum
química fórmula H2SO4 _ _ _
Rata. fórmula H2SO4 _ _ _
Propiedades físicas
Estado Líquido
Masa molar 98,078 ± 0,006 g/ mol
Densidad 1,8356 g/cm³
Viscosidad dinámica 21 mPa·s [2]
Propiedades termales
La temperatura
 •  fusión +10.38°C
 •  hirviendo +337°C
 • descomposición +450°C
Calor específico de fusión 10,73 J/kg
Presion de vapor 0,001 ± 0,001 mmHg [3]
Propiedades químicas
Constante de disociación ácida -3
Solubilidad
 • en agua Soluble
Propiedades ópticas
Índice de refracción 1.397
Estructura
Momento bipolar 2.72D  _
Clasificación
registro número CAS 7664-93-9
PubChem
registro Número EINECS 231-639-5
SONRISAS   OS(O)(=O)=O
InChI   InChI=1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N
Codex Alimentarius E513
RTECS WS5600000
CHEBI 26836
un numero 1830
ChemSpider
La seguridad
Concentración límite 1 mg/m 3
LD 50 100 mg/kg
Toxicidad 2ª clase de peligro [1] , efecto tóxico general.
Carácter breve. peligro (H) H290 , H314
medidas de precaución. (PAGS) P280 , P301+P330+P331 , P303+P361+P353 , P305+P351+P338 , P308+P311
palabra clave peligroso
Pictogramas SGA Pictograma "Calavera y tibias cruzadas" del sistema CGSPictograma "Corrosión" del sistema CGSPictograma "Llama sobre el círculo" del sistema CGSPictograma "Signo de exclamación" del sistema CGSPictograma de peligro para la salud GHSPictograma del entorno SGA
NFPA 704 Diamante de cuatro colores NFPA 704 0 3 2WOX
_
Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario.
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El ácido sulfúrico ( fórmula química  - H 2 S O 4 ) es un ácido inorgánico fuerte que corresponde al estado de oxidación más alto del azufre (+6).

En condiciones normales, el ácido sulfúrico concentrado es un líquido aceitoso pesado , incoloro e inodoro , con un sabor a "cobre" fuertemente ácido. En tecnología, se denomina ácido sulfúrico a sus mezclas tanto con agua como con anhídrido sulfúrico SO 3 . Si la relación molar SO 3  : H 2 O < 1, entonces esta es una solución acuosa de ácido sulfúrico, si > 1 - una solución de SO 3 en ácido sulfúrico ( oleum ). Es tóxico en dosis altas [4] y tiene una actividad corrosiva excepcionalmente fuerte.

Título

En los siglos XVIII-XIX, el azufre para la pólvora se producía a partir de pirita de azufre (pirita) en las plantas de vitriolo. El ácido sulfúrico en ese momento se llamaba "aceite de vitriolo" [5] [6] , obviamente de ahí el origen del nombre de sus sales (o más bien, hidratos cristalinos) - vitriolo .

Información histórica

El ácido sulfúrico se conoce desde la antigüedad y se presenta en la naturaleza en forma libre, por ejemplo, en forma de lagos cerca de volcanes. Quizás la primera mención de los gases ácidos obtenidos por la calcinación del alumbre o sulfato de hierro "piedra verde" se encuentra en escritos atribuidos al alquimista árabe Jabir ibn Hayyan .

En el siglo IX, el alquimista persa Ar-Razi , al calcinar una mezcla de sulfato de hierro y cobre (FeSO 4 • 7H 2 O y CuSO 4 • 5H 2 O), también obtuvo una solución de ácido sulfúrico. Este método fue perfeccionado por el alquimista europeo Albert Magnus , que vivió en el siglo XIII.

Esquema para la obtención de ácido sulfúrico a partir de sulfato ferroso  - descomposición térmica del sulfato de hierro (II), seguida de enfriamiento de la mezcla [7]

Los escritos del alquimista Valentine (siglo XIII) describen un método para producir ácido sulfúrico mediante la absorción de gas (anhídrido sulfúrico) liberado por la combustión de una mezcla de polvos de azufre y nitrato con agua . Posteriormente, este método formó la base de los llamados. método de "cámara", realizado en pequeñas cámaras revestidas de plomo, que no se disuelve en ácido sulfúrico. En la URSS, este método existió hasta 1955.

Los alquimistas del siglo XV también conocían un método para obtener ácido sulfúrico a partir de la pirita  : la pirita de azufre, una materia prima más barata y común que el azufre. El ácido sulfúrico se produjo de esta manera durante 300 años, en pequeñas cantidades en retortas de vidrio . Posteriormente, debido al desarrollo de la catálisis , este método sustituyó al método de cámara para la síntesis de ácido sulfúrico. Actualmente, el ácido sulfúrico se produce por oxidación catalítica (en V 2 O 5 ) de óxido de azufre (IV) a óxido de azufre (VI), y posterior disolución de óxido de azufre (VI) en ácido sulfúrico al 70% para formar oleum.

En Rusia, la producción de ácido sulfúrico se organizó por primera vez en 1805 cerca de Moscú en el distrito de Zvenigorod. En 1913, Rusia ocupaba el puesto 13 en el mundo en la producción de ácido sulfúrico. [ocho]

Propiedades físicas y físico-químicas

El ácido sulfúrico es un ácido dibásico muy fuerte, a 18 o C pK a (1) \u003d -2.8, pK a (2) \u003d 1.92 (K₂ 1.2 10 -2 ); longitudes de enlace en la molécula S=O 0,143 nm, S–OH 0,154 nm, ángulo HOSOH 104°, OSO 119°; hierve, formándose una mezcla azeotrópica (98,3 % H 2 SO 4 y 1,7 % H 2 O con un punto de ebullición de 338,8 ° C). Miscible con agua y SO 3 en todas las proporciones. En soluciones acuosas, el ácido sulfúrico se disocia casi por completo en H 3 O + , HSO 3 + y 2NSO₄ − . Forma hidratos H 2 SO 4 n H 2 O, donde n = 1, 2, 3, 4 y 6,5.

El ácido sulfúrico, correspondiente al 100% del contenido de H 2 SO 4 , tiene una composición (%):
H2SO4 _ _ _ H SO 4 - H3SO4 + _ _ _ H3O + _ _ HS 2 O 7 ⁻ H2S2O7 _ _ _ _ _
compuesto, % 99.5 0.18 0.14 0.09 0.05 0.04

Óleum

Las soluciones de anhídrido sulfúrico SO 3 en ácido sulfúrico se denominan oleum, forman dos compuestos H 2 SO 4 SO 3 y H 2 SO 4 2SO 3 .

Oleum también contiene ácidos pirosulfúricos formados por las reacciones:

sulfito

El punto de ebullición de las soluciones acuosas de ácido sulfúrico aumenta con el aumento de su concentración y alcanza un máximo con un contenido de 98,3% H 2 SO 4 .

Propiedades de las soluciones acuosas de ácido sulfúrico y oleum
Contenido % en masa Densidad a 20 °C, g/ cm3 Punto de fusión , °C Punto de ebullición , °C
H2SO4 _ _ _ SO 3 (gratis)
diez - 1.0661 −5,5 102.0
veinte - 1.1394 −19,0 104.4
40 - 1.3028 −65,2 113.9
60 - 1.4983 −25,8 141.8
80 - 1.7272 −3,0 210.2
98 - 1.8365 0.1 332.4
100 - 1.8305 10.4 296.2
104.5 veinte 1.8968 −11,0 166.6
109 40 1.9611 33.3 100.6
113.5 60 2.0012 7.1 69.8
118.0 80 1.9947 16.9 55,0
122.5 100 1.9203 16.8 44.7

El punto de ebullición del oleum disminuye al aumentar el contenido de SO 3 . Con un aumento en la concentración de soluciones acuosas de ácido sulfúrico, la presión de vapor total sobre las soluciones disminuye y con un contenido de 98.3% H 2 SO 4 alcanza un mínimo. Con un aumento en la concentración de SO 3 en el aceite, la presión de vapor total por encima de él aumenta. La presión de vapor sobre soluciones acuosas de ácido sulfúrico y oleum se puede calcular mediante la ecuación:

los valores de los coeficientes A y B dependen de la concentración de ácido sulfúrico. El vapor sobre soluciones acuosas de ácido sulfúrico consiste en una mezcla de vapor de agua, H 2 SO 4 y SO 3 , mientras que la composición del vapor difiere de la composición del líquido en todas las concentraciones de ácido sulfúrico, excepto por la correspondiente mezcla azeotrópica.

Con el aumento de la temperatura, la disociación aumenta:

La ecuación para la dependencia de la temperatura de la constante de equilibrio :

A presión normal, el grado de disociación: 10 −5 (373 K), 2,5 (473 K), 27,1 (573 K), 69,1 (673 K).

La densidad del ácido sulfúrico al 100% se puede determinar a partir de la ecuación:


Con un aumento en la concentración de las soluciones de ácido sulfúrico, su capacidad calorífica disminuye y alcanza un mínimo para el 100% de ácido sulfúrico; la capacidad calorífica del oleum aumenta al aumentar el contenido de SO 3 .

Con un aumento en la concentración y una disminución en la temperatura, la conductividad térmica λ disminuye:

donde C  es la concentración de ácido sulfúrico, en %.

El oleum H 2 SO 4 ·SO 3 tiene la máxima viscosidad , al aumentar la temperatura, η disminuye. Para el oleum, el mínimo ρ está en una concentración del 10% de SO 3 . A medida que aumenta la temperatura, aumenta la ρ del ácido sulfúrico. Constante dieléctrica del ácido sulfúrico al 100 % 101 (298,15 K), 122 (281,15 K); constante crioscópica 6,12, constante ebulioscópica 5,33; el coeficiente de difusión del vapor de ácido sulfúrico en el aire varía con la temperatura; D \u003d 1.67 10 -5 T 3/2 cm 2 / s.

Dependencia de la densidad de las soluciones de H 2 SO 4 de su fracción másica en una solución acuosa a 25 °C [9]
ω, % 5 diez veinte treinta 40 cincuenta 60 70 80 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100
ρ H 2 SO 4 , g/ml 1.03 1.064 1.1365 1.215 1.2991 1.3911 1.494 1.6059 1.7221 1.7732 1.7818 1.7897 1.7968 1.8033 1.8091 1.8142 1.8188 1.8227 1.826 1.8286 1.8305 1.8314 1.831 1.8292 1.8255

Propiedades químicas

El ácido sulfúrico en forma concentrada cuando se calienta es un agente oxidante bastante fuerte.

1. Oxida HI y parcialmente HBr a halógenos libres :

ΔH° = −561,9 kJ /mol (exergónico) [ 10] ΔG° = −305,4 kJ/mol (exergónico) [10] ΔH° = 18,14 kJ/mol (endotérmico) [11] ΔS° = −14,95 J/mol (exoentrópico) [11] ΔG° = 22,5 kJ/mol (endergónico) [11]

Carbono a CO 2 , azufre  a SO 2 .

2. Oxida muchos metales (excepciones: Au , Pt , Ir , Rh , Ta ). En este caso, el ácido sulfúrico concentrado se reduce a dióxido de azufre , por ejemplo [12] :

3. En frío en ácido sulfúrico concentrado , Fe , Al , Cr , Co , Ni , Ba se pasivan y las reacciones no proceden.

Los agentes reductores más fuertes reducen el ácido sulfúrico concentrado a azufre y sulfuro de hidrógeno . El ácido sulfúrico concentrado absorbe el vapor de agua, por lo que se utiliza para secar gases, líquidos y sólidos, por ejemplo, en desecadores . Sin embargo, el H 2 SO 4 concentrado se reduce parcialmente con hidrógeno, por lo que no se puede utilizar para secarlo. Separando el agua de los compuestos orgánicos y dejando carbón negro (carbón), el ácido sulfúrico concentrado conduce a la carbonización de la madera, el azúcar y otras sustancias [12] .

4. El H 2 SO 4 diluido interactúa con todos los metales ubicados en la serie electroquímica de voltajes a la izquierda del hidrógeno con su liberación, por ejemplo [12] :

5. Las propiedades oxidantes del H 2 SO 4 diluido no son características. El ácido sulfúrico forma dos series de sales: medias - sulfatos y ácidas - hidrosulfatos , así como ésteres. Se conocen los ácidos peroxomonosulfúrico (o ácido de Caro ) H2SO5 y peroxodisulfúrico H2S2O8 .

6. El ácido sulfúrico reacciona con óxidos básicos, formando sulfato metálico y agua:

7. En las plantas metalúrgicas, se utiliza una solución de ácido sulfúrico para eliminar una capa de óxido metálico de la superficie de los productos metálicos que se someten a un fuerte calentamiento durante el proceso de fabricación. Entonces, el óxido de hierro se elimina de la superficie de la lámina de hierro por la acción de una solución calentada de ácido sulfúrico:

8. El H 2 SO 4 concentrado convierte algunas sustancias orgánicas en otros compuestos de carbono:

9. Una reacción cualitativa al ácido sulfúrico y sus sales solubles es su interacción con las sales de bario solubles , en la que se forma un precipitado blanco de sulfato de bario , insoluble en agua y ácidos, por ejemplo [13] :


Obtención de ácido sulfúrico

Método industrial (contacto)

En la industria, el ácido sulfúrico se produce por oxidación de dióxido de azufre ( gas sulfuroso formado durante la combustión de azufre elemental , pirita de azufre o gases que contienen sulfuro de hidrógeno provenientes de plantas de hidrotratamiento y sistemas de extracción de residuos ácidos) a trióxido (anhídrido sulfúrico) en una catalizador sólido de vanadio en cuatro etapas (esta reacción es exotérmica, por lo tanto, se aplica enfriamiento intermedio después de la primera capa utilizando haces de tubos a través de los cuales se suministra aire, y después de las siguientes dos etapas, utilizando un tubo anular de gran diámetro, a través de los cuales el aire se alimenta, sobre el cual se ubica un deflector, el aire es impulsado por soplantes, parte del aire caliente se alimenta a los quemadores de las calderas, en los que se queman los gases que contienen sulfuro de hidrógeno), seguido del enfriamiento y la interacción del SO 3 con agua. El ácido sulfúrico obtenido por este método también se denomina "contacto" (concentración 92-94%).

Método nitroso (torre)

Anteriormente, el ácido sulfúrico se obtenía exclusivamente por el método nitroso en torres especiales, y el ácido se denominaba "torre" (75% de concentración). La esencia de este método es la oxidación de dióxido de azufre con dióxido de nitrógeno en presencia de agua. Fue así como se produjo la reacción en el aire de Londres durante el Gran Smog .

Métodos de laboratorio

En el laboratorio, el ácido sulfúrico se puede obtener haciendo reaccionar sulfuro de hidrógeno, azufre elemental y dióxido de azufre con agua de cloro o bromo , o peróxido de hidrógeno :



También se puede obtener haciendo reaccionar dióxido de azufre con oxígeno y agua a +70°C bajo presión en presencia de sulfato de cobre (II) :

Aplicación

El ácido sulfúrico se utiliza:

La producción mundial de ácido sulfúrico es de unos 200 millones de toneladas al año [14] . El mayor consumidor de ácido sulfúrico es la producción de fertilizantes minerales. Para fertilizantes de fosfato P 2 O 5 , se consume 2.2–3.4 veces más ácido sulfúrico en masa, y para (NH 4 ) 2 SO 4 ácido sulfúrico 75% de la masa de (NH 4 ) 2 SO 4 consumido . Por lo tanto, las plantas de ácido sulfúrico tienden a construirse en conjunto con plantas para la producción de fertilizantes minerales.

Efecto tóxico

El ácido sulfúrico y el oleum  son sustancias muy cáusticas que afectan a todos los tejidos del organismo. Cuando los vapores de estas sustancias se inhalan, causan dificultad para respirar, tos , a menudo - laringitis , traqueítis , bronquitis , etc. El contacto del ácido con los ojos en alta concentración puede provocar tanto conjuntivitis como pérdida total de la visión [15] .

La concentración máxima permitida (MAC) de vapor de ácido sulfúrico en el aire del área de trabajo es 1 mg/m 3 , en el aire atmosférico 0,3 mg/m 3 (máximo una vez) y 0,1 mg/m 3 (promedio diario) . La concentración dañina de vapor de ácido sulfúrico es 0,008 mg/l ( exposición 60 min), letal 0,18 mg/l (60 min).

El ácido sulfúrico es una sustancia tóxica. De acuerdo con GOST 12.1.007-76, el ácido sulfúrico es una sustancia tóxica altamente peligrosa [16] en términos de efectos en el cuerpo, clase de peligro 2 .

El aerosol de ácido sulfúrico puede formarse en la atmósfera como resultado de las emisiones de las industrias química y metalúrgica que contienen óxidos de azufre y caer como lluvia ácida .

En Rusia, la circulación de ácido sulfúrico con una concentración del 45% o más está legalmente limitada [17] .

Información adicional

Las gotas más pequeñas de ácido sulfúrico pueden formarse en la atmósfera media y alta como resultado de la reacción del vapor de agua y la ceniza volcánica que contiene grandes cantidades de azufre. La suspensión resultante debido al alto albedo de las nubes de ácido sulfúrico dificulta que la luz solar llegue a la superficie del planeta. Por lo tanto (y también como resultado de una gran cantidad de diminutas partículas de ceniza volcánica en la atmósfera superior, que también dificultan que la luz del sol llegue al planeta), pueden ocurrir cambios climáticos significativos después de erupciones volcánicas especialmente fuertes. Por ejemplo, como resultado de la erupción del volcán Ksudach ( Península de Kamchatka , 1907), una mayor concentración de polvo en la atmósfera persistió durante aproximadamente 2 años, y se observaron nubes plateadas características de ácido sulfúrico incluso en París [18] . La explosión del volcán Pinatubo en 1991, que lanzó 3⋅10 7 toneladas de azufre a la atmósfera, hizo que 1992 y 1993 fueran mucho más fríos que 1991 y 1994 [19] .

Estándares

Notas

  1. Ácido sulfúrico técnico GOST 2184-77
  2. Enciclopedia de tecnología química  (inglés) / R. E. Kirk , D. Othmer
  3. http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0577.html
  4. nombre= https://docs.cntd.ru_Ácido sulfúrico
  5. Ushakova N. N., Figurnovsky N. A. Vasily Mikhailovich Severgin: (1765-1826) / Ed. I. I. Shafranovsky. M.: Nauka, 1981. C. 59.
  6. Véase también Aceite de piedra
  7. Epstein, 1979 , pág. 40
  8. Epstein, 1979 , pág. 41.
  9. Calculadora  de densidad y concentración . Consultado el 21 de diciembre de 2021. Archivado desde el original el 21 de diciembre de 2021.
  10. ↑ 1 2 ácido sulfúrico yoduro de hidrógeno -> yodo H2S agua - Wolfram|  Alpha . www.wolframalpha.com . Fecha de acceso: 19 de mayo de 2022.
  11. ↑ 1 2 3 ácido sulfúrico bromuro de hidrógeno -> bromo dióxido de azufre agua - Wolfram|  Alpha . www.wolframalpha.com . Fecha de acceso: 19 de mayo de 2022.
  12. 1 2 3 Khodakov Yu.V., Epshtein D.A., Gloriozov P.A. § 91. Propiedades químicas del ácido sulfúrico // Química inorgánica: Libro de texto para los grados 7-8 de la escuela secundaria. - 18ª edición. - M .: Educación , 1987. - S. 209-211. — 240 s. — 1.630.000 ejemplares.
  13. Khodakov Yu.V., Epshtein D.A., Gloriozov P.A. § 92. Reacción cualitativa al ácido sulfúrico y sus sales // Química inorgánica: un libro de texto para los grados 7-8 de la escuela secundaria. - 18ª edición. - M. : Educación , 1987. - S. 212. - 240 p. — 1.630.000 ejemplares.
  14. Ácido sulfúrico  (inglés) // "La industria química esencial - en línea"
  15. ÁCIDO SULFÚRICO | CAMEO Químicos | NOA . cameochemicals.noaa.gov. Recuperado: 22 de mayo de 2020.
  16. nombre= https://docs.cntd.ru_GOST  (enlace inaccesible) 12.1.007-76. SSBT. Sustancias nocivas. Clasificación y requisitos generales
  17. Decreto del Gobierno de la Federación Rusa del 3 de junio de 2010 No. 398 (enlace inaccesible) . Consultado el 30 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 30 de junio de 2016. 
  18. ver artículo "Volcanes and climate" Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine  (ruso)
  19. Archipiélago ruso - ¿Es la humanidad la culpable del cambio climático global? Archivado el 1 de diciembre de 2007 en Wayback Machine  (ruso)

Literatura

Enlaces