La industria del ácido sulfúrico Antonio José Sánchez El ácido sulfúrico. Propiedades y aplicaciones El ácido sulfúrico es, a temperatura normal, un líquido incoloro, inodoro, considerablemente denso (tiene una densidad de 1,834g/ml, un valor casi el doble al del agua) y de una apreciable viscosidad (parecida a la del aceite de oliva, de ahí que durante muchos siglos, antes de establecerse una nomenclatura sistemática, se le llamase aceite de vitriolo). Su fusión tiene lugar a 10,37ºC, mientras que su punto de ebullición se encuentra en los 317ºC, si bien es cierto que a los 300ºC comienza a tener lugar la descomposición del ácido en H2O y SO3. Sin duda, desde un punto de vista puramente químico, una de las propiedades que más se aprovechan del ácido sulfúrico es su elevada afinidad por el agua, con la que reacciona desprendiendo una gran cantidad de calor. De ahí que se diga que el ácido sulfúrico es un potente desecante. No obstante, su manejo en presencia de agua siempre debe hacerse con especial cuidado. Relativo a este punto, sirva este apartado para decir que siempre que se preparan disoluciones de ácido sulfúrico, debe añadirse siempre el ácido sobre el agua y con agitación constante. La razón está en el elevado calor que se desprende en el proceso de dilución. Si el agua se añade sobre el ácido, el calor liberado haría que las gotas de agua se evaporasen (haciendo irrespirable el aire del entorno más próximo) o incluso se proyectasen violentamente (con grave peligro para las personas que estén más próximas). Sobra decir, que las gotas de ácido sulfúrico que puedan caer sobre la piel provocan gravísimas quemaduras, pues el ácido interactúa con el agua acumulada en las células de la piel. De toda la lista de compuestos químicos que se producen industrialmente el ácido sulfúrico es el producto que anualmente se fabrica en mayor cantidad de masa (no obstante, éste es un dato un tanto engañoso debido a la elevada densidad del ácido sulfúrico en comparación con otros compuestos líquidos también producidos masivamente como el amoniaco). La importancia de este compuesto químico llega hasta tal punto que su producción ha sido utilizada como uno de los datos que indican la fortaleza industrial de un país. En este punto, podemos plantearnos cuál es la razón por la cual el ácido sulfúrico es tan importante y la respuesta nos la encontramos en la amplia gama de aplicaciones que permite el ácido sulfúrico, entre las que podemos destacar. ¾ Obtención de otros productos químicos, como es el caso de los procesos de producción del ácido clorhídrico y el ácido nítrico. ¾ Obtención de abonos y fertilizantes, entre los que cabe destacar al sulfato amónico y los derivados de los superfosfatos de calcio Ca3 ( PO4 ) 2 + H 2 SO4 → Ca ( H 2 PO4 ) 2 + 2CaSO4 ¾ Fabricación de colorantes, algunos de los cuales son sulfatos metálicos ¾ Actuación como electrolito, especialmente en baterías como las empleadas en los automóviles ¾ Desatascador de tuberías tanto de uso doméstico como industrial ¾ Blanqueador en la industria textil ¾ Purificador de la mayoría de las fracciones que se obtienen de la destilación del petróleo (gasolinas, disolventes, naftas, kerosenos…) Los procesos de fabricación industrial. A lo largo de la historia, podemos hablar de dos grandes procesos de producción del ácido sulfúrico: 9 Método de las cámaras de plomo: El método más antiguo a partir del que obtenemos ácidos poco concentrados, por lo que actualmente está entrando en una fase de desuso. Utiliza una catálisis homogénea 9 Método de contacto: Más moderno, se caracteriza por el empleo de catalizadores heterogéneos que permiten obtener ácidos muy concentrados. En ambos métodos, el reactivo azufrado de partida es el SO2, dióxido de azufre, que se obtiene a partir de la tostación de piritas. La pirita es un mineral de color amarillo-blanquecino brillante, de fórmula FeS2. Más de la mitad de las reservas mundiales de pirita se encuentran en España, especialmente en la zona de Huelva. La tostación es el proceso a partir del cual transformamos la pirita (o cualquier sulfuro metálico) en el correspondiente óxido metálico y SO2 gaseoso. Generalmente, la corriente gaseosa de SO2 debe someterse a un proceso de purificación en el que se eliminen componentes (como restos de arsénico) que pueden interferir en etapas posteriores. - El método de las cámaras de plomo Por definición, un catalizador es toda sustancia que, añadida en pequeñas cantidades, nos permite aumentar la velocidad a la que trascurre una reacción, recuperándose al final del proceso en la misma proporción y estado en el que se añadió. Cuando decimos que en el método de las cámaras de plomo se utiliza una catálisis homogénea, nos referimos a que el catalizador está en el mismo estado de agregación que los reactivos (en este caso, gaseoso). Para este proceso de producción se utiliza como catalizador NO2. La corriente de SO2 se introduce en una serie de cámaras de ladrillo cuya cara interna está recubierta por plomo, caliente y mezclada con aire y vapor de agua. Dentro de estas cámaras, y gracias al NO2, tienen lugar las siguientes reacciones: SO2 + H 2 O → H 2 SO3 H 2 SO3 + NO2 → H 2 SO4 · NO H 2 SO4 · NO → H 2 SO4 + NO NO + 1 / 2O2 → NO2 El balance global de estas cuatro reacciones es: SO2 + (1) (2) (3) (4) 1 O2 + H 2 O → H 2 SO4 . Como puede 2 comprobarse, el NO2, como catalizador, no participa en la reacción global. Su función es la de ceder O en la reacción (2) para formar NO, que se vuelve a oxidar en (4) para regenerar el NO2 El problema de este proceso está en que el ácido sulfúrico así obtenido tiene una concentración del 65%, muy baja para los usos comunes del ácido sulfúrico. Por ello, para conseguir concentrarlo un poco más, la disolución de ácido se lleva a una torre (que se denomina Torre de Glover), en donde se pone en contacto con los gases de SO2 calientes procedentes de la tostación. Así, los gases le ceden el calor a la disolución de ácido, que se concentra hasta niveles del 78%, que tampoco son excesivamente buenos. Por otro lado, los gases que quedan en las cámaras de plomo son ricos en compuestos nitrados (procedentes del catalizador) que hay que eliminar. Por ello, estos gases son llevados a otra torre (llamada torre de Gay-Lussac) en donde se ponen en contacto con ácido sulfúrico concentrado. Los gases resultantes pueden ser emitidos a la atmósfera, mientras que el ácido que ha captado los compuestos nitrogenados, se lleva a la torre Glover, en donde, dichos compuestos son captados por la corriente de SO2, que los incorpora como catalizador para entrar en la cámaras de plomo. -El método de contacto En este caso se sigue una catálisis heterogénea, porque el catalizador se encuentra en una fase distinta a la de los reactivos. La catálisis se utiliza en la reacción de transformación de SO2 en SO3: 1 SO2 ( g ) + O2 ( g ) ↔ SO3 ( g ) 2 Se trata de una reacción muy exotérmica, en la que podemos comprobar que hay menos moles de productos que de reactivos en estado gaseoso. Por ello, debido a que se establece un equilibrio químico en donde reactivos y productos alcanzan una situación en la que no produce modificación en sus concentraciones, es necesario que este equilibrio esté lo más desplazado hacia la formación de SO3, que es el producto que nos interesa. Para conseguir esta alternativa tenemos tres alternativas según el principio de Le Chatelier (e: 1. Aumentar la concentración de los reactivos: La concentración de SO2 viene impuesta por el proceso de tostación, y no suele ser una variable que pueda modificarse a nuestras necesidades. Otra alternativa es utilizar aire atmosférico enriquecido en O2, pero no es una opción viable desde el punto de vista económico. 2. Aumentar la presión a la que tiene lugar la reacción, para lo cual sería necesario manejar compresores que encarecerían el proceso 3. Disminuir la temperatura. Desde un punto de vista termodinámico sería lo mejor, pero no ocurriría lo mismo con la cinética (la velocidad a la que ocurre la reacción, que suele ser proporcional a la temperatura) Por ello, la opción de la catálisis parece ser la óptima. Estos catalizadores suelen ser sólidos y entre ellos ocupa un lugar especial el V2O5 (óxido de vanadio (V)). Para este proceso, los catalizadores presentan su mayor actividad a una temperatura de 400ºC. Sin embargo, que el reactor se mantenga isotermo a 400ºC con una reacción exotérmica es muy complicado, por lo que el proceso tiene lugar en una serie de “pisos”. Como se observa en la figura anterior, cuando estamos en un piso, y la reacción tiene lugar, el carácter exotérmico del proceso trae consigo un aumento de la temperatura. En vez de dejar que la temperatura siga aumentando y el catalizador deje de tener efectividad, al pasar los gases de un piso al siguiente, se intercala un sistema que permite que los gases vuelvan a la temperatura ideal de 400ºC. En sucesivos pisos, podemos comprobar que finalmente se obtienen transformaciones de casi el 100% Una vez que hemos obtenido el SO3, ya sólo tenemos que añadirle agua para que tenga lugar el siguiente proceso: SO3 + H 2 O → H 2 SO4 Éste es un proceso muy exotérmico, lo que supone un problema, porque el calor desprendido suele provocar la evaporación de parte del agua, generando una niebla, que, además de ser muy difícil de manejar, impide que el proceso tenga lugar correctamente