Àcid sulfúric: composició, processos d'obtenció, usos industrials i seguretat

Aquest compost és tan utilitzat a les indústries del món, que fins i tot l'ús determina el nivell de desenvolupament d'aquest àmbit als països. El nivell de producció de l'àcid sulfúric és extremadament alt, ja que té moltes qualitats que el fan excel·lent per a la fabricació i producció de certs materials molt populars a tot el món. Aquest posseeix característiques que el fan tenir un poder corrosiu increïble, per la qual cosa se li atorga el nom respectiu.

A l'Edat Mitjana aquest compost era conegut com el oli de vidriol, el nom del qual va ser atorgat pels alquimistes de l'època, aproximadament entre els segles VIII i IX. Aquests també van ser els segles més importants referint-se al seu descobriment i al començament de l'estudi de les seves funcions.

Hi ha diversos processos per poder obtenir l'àcid sulfúric; procés de càmeres de plom el més antic de tots, que encara en contextos històrics o en instal·lacions més antigues pot ser observat. Durant molt de temps va ser d'ús habitual a la indústria de fertilitzants per facilitar-ne l'obtenció.

Els processos per obtenir aquest àcid poden resultar molt perillosos si no es coneixen amb exactitud tots els passos que cal seguir, pel fet que aquest produeix grans quantitats de calor i, alhora, el seu cos és molt calent, per la qual cosa qualsevol esquitxada podria provocar cremades greus.

Composició de l'àcid sulfúric

Aquest és un dels compostos més utilitzats a nivell mundial, sent la indústria amb majors nivells dús dàcid sulfúric les fabricants de fertilitzants. La característica més forta daquest àcid és que és un component extremadament corrosiu, i la seva fórmula química correcta és H₂SO₄.

L'àcid sulfúric és el component amb més producció a nivell mundial; això és degut a que posseeix certes característiques que permeten l'elaboració d'infinitat de productes derivats del mateix, així com també pot servir per a la síntesi d'altres substàncies com àcids, sulfats, fertilitzants fosfatats, detergents i una gran varietat de compostos orgànics i inorgànics.

A l'antiguitat se'l coneixia com l'oli o esperit de vitriol, pel fet que aquest s'obtenia a partir de minerals coneguts genèricament com vitriols (sulfats cristal·lins de diversos metalls). Generalment aquest compost es pot obtenir del diòxid de sofre mitjançant un procés anomenat oxidació amb òxids de nitrogen en dissolució aquosa, o mitjançant l'oxidació catalítica en el procés de contacte. Després d'obtenir-lo cal fer altres processos per poder augmentar la concentració fins valors propers al 98% en pes per a ús industrial.

Els dos àtoms d'hidrogen que tenen aquesta molècula estan units a dos àtoms d'oxigen. Depenent de la dissolució que es presenti, aquests hidrògens es poden dissociar a l'aigua, alliberant protons (H⁺) i atorgant-li el seu fort caràcter àcid.

La molècula de l'àcid presenta una forma peculiar piramidal o tetraèdrica distorsionada, caracteritzant-se per tenir l'àtom de sofre al centre, mentre que a les quatre cantonades es poden apreciar els àtoms d'oxigen. A l'aigua es comporta com un àcid fort en la seva primera dissociació, obtenint com a resultat l'anió hidrogen-sulfat (HSO₄^-), encara que a la segona dissociació es presenta com un àcid feble, el qual té com a resultat l'anió sulfat (SO₄^2-).

Propietats fisicoquímiques de l'àcid sulfúric

A més de la seva composició, l'àcid sulfúric té una sèrie de propietats fisicoquímiques que expliquen per què és tan versàtil i, alhora, tan perillós.

Fórmula química: H₂SO₄.
Massa molar aproximada: X.
Densitat (àcid concentrat): al voltant de 1,84 g / cm³ a temperatura ambient, cosa que indica que és molt més dens que laigua.
Punt de fusió: proper a 10 º C, de manera que pot solidificar-se parcialment en ambients molt freds.
Punt d'ebullició: al voltant de 337 º C, el que el converteix en un líquid amb alt punt d'ebullició.
Solubilitat en aigua: totalment miscible, però la dissolució és fortament exotèrmic (allibera molta calor).
pH (àcid molt concentrat): menor de 1, indicant una acidesa extremadament alta.
Aspecte: líquid incolor o lleugerament groguenc, oliós i viscós, amb olor poc perceptible però que es pot associar a compostos de sofre quan hi ha impureses.
Propietats addicionals: és un compost higroscòpic (absorbeix aigua de l'ambient), oxidant, Amb gran poder deshidratant (capaç d'eliminar aigua de moltes substàncies, fins i tot orgàniques, com sucres i teixits).

Aquestes propietats expliquen que l'àcid sulfúric s'utilitzi com a agent deshidratant per assecar gasos i líquids, com oxidant en reaccions químiques i com a component essencial en nombrosos processos de síntesi.

Formació de l'àcid sulfúric

Aquest es pot trobar en diverses àrees de comerç en diferents presentacions, partint des de les més pures, fins a tots els tipus de barreja que puguin existir derivades del mateix, als quals se'ls mesura per graus de puresa i concentració.

Perquè hi hagi la formació de l'àcid sulfúric cal passar per certs processos per poder obtenir-lo, entre els quals els més coneguts i més utilitzats són els de la càmera de plom i procés de contacte. El primer és el mètode més antic per a l'obtenció d'aquest compost i, encara que avui el procés de contacte domina la producció industrial, les cambres de plom van ser durant molt de temps la tècnica emprada per la indústria de fertilitzants i encara es poden observar en instal·lacions antigues o en contextos històrics.

És possible obtenir aquest compost a laboratoris. Això s'aconsegueix fent passar un corrent de gas de diòxid de sofre en una dissolució de peròxid d'hidrogen. S'aconsegueix la concentració de l'àcid sulfúric mitjançant aquest procés d'obtenció evaporant l'aigua fins a assolir el grau de concentració desitjat.

Procés de contacte

En aquest procés d'obtenció de l'àcid sulfúric, es pot observar una barreja de gasos que conté un aproximat entre el 7 i el 10% de SO₂, segons la font de producció del mateix, i un aproximat dentre el 11 i el 13% d'oxigen. Aquesta barreja es procedeix a preescalfar i depurar amb el màxim rigor per eliminar impureses com ara pols, compostos d'arsènic o altres substàncies que puguin danyar el catalitzador posterior.

Quan la barreja gasosa està depurada al màxim, es fa passar a un convertidor d'un o més llits catalítics, en què tradicionalment es va utilitzar catalitzador de platí i, posteriorment, pentòxid de vanadi sobre suports sòlids. En aquests llits catalítics es produeix la oxidació de SO₂ a SO₃. Usualment es fan servir dos o més convertidors o diversos llits en sèrie per acostar-se al màxim rendiment possible.

La producció d'aquest compost mitjançant la combustió de sofre elemental tendeix a presentar un millor balanç energètic, el qual no s'ha d'adaptar necessàriament a alguns rigorosos sistemes de depuració que en altres casos són de caràcter forçós. Quan el diòxid de sofre es genera per torració de minerals sulfurats, com a pirites, sol requerir-se un tractament de gasos més complex.

Hi ha una gran diferència entre la fabricació de SO₂ per combustió de sofre i l'altre mètode conegut com la tortació de piretes, sobretot si aquestes són arsenicals. Això és degut a que el segon deixa al resultat final moltes impureses que mai poden ser eliminades del tot.

En una planta en funcionament normal el rendiment de conversió de SO₂ a SO₃ oscil·la entre el 96% i el 97%, pel fet que la seva eficàcia es va disminuint amb el pas del temps. Aquest efecte es pot notar amb més freqüència en plantes on s'utilitzen pirites de partida amb un alt contingut d'arsènic, el qual no es pot eliminar per complet del compost i per tant acompanya els gasos que se sotmeten al procés de catàlisi, provocant el enverinament del catalitzador, sent aquesta la principal causa de les brusques baixades de rendiment.

Al segon convertidor els gasos tenen un temps de residència d'aproximadament uns 2 a 4 segons, i en aquest la temperatura ha d'estar situada entre els 500 i 600 ºC per aconseguir obtenir una constant òptima d'equilibri i una conversió màxima amb el mínim cost possible.

Després del procés anterior es refreden els gasos provinents de la catàlisi a una temperatura propera als 100 º C, per després travessar una torre d'òleum. Gràcies a això s'aconsegueix una absorció no completa sinó més aviat parcial del SO₃. Els gasos restants passen per una segona torre on el compost es neteja i es renta amb àcid sulfúric concentrat. Després que tots aquests passos estan completats, es procedeix a eliminar els gasos residuals a través d'una xemeneia cap a l'atmosfera, complint requisits ambientals estrictes.

Durant aquest procés es genera una quantitat enorme de calor (reacció exotèrmica), que a moltes instal·lacions modernes s'aprofita per produir vapor d'aigua i, a partir d'ell, energia elèctrica. En plantes de gran capacitat, una part molt significativa d'aquesta calor es ven en forma de vapor o es fa servir internament per alimentar altres processos industrials, millorant així l'eficiència energètica global.

Procés de càmeres de plom

Aquest procés particular és el més antic conegut amb què es fabrica i obté l'àcid sulfúric. En ell, el SO₃ gasós entra en un reactor conegut pel nom de torre de Glover, on entra en un procés de rentat amb vitriol nitrós, el qual és àcid sulfúric amb òxids nitrosos i partícules de diòxid de carboni dissoltes en ell, el qual alhora es veu barrejat amb dos tipus d'òxid de nitrogen: el monòxid (NO) i el diòxid de nitrogen (NO₂).

Gran part de l'òxid de sofre (IV) que s'utilitza aquí és rovellat a òxid de sofre (VI) i dissolt en un bany àcid per formar l'anomenat àcid de torre, característic de la torre de Glover. Aquest sistema aprofita el cicle dels òxids de nitrogen com a intermediaris oxidants i regenerables dins del procés.

Després que les barreges de gasos passen per la torre de Glover, aquests són portats a una càmera recoberta de plom (d'allà prové el seu nom) on són tractats amb aigua abundant. Aquestes càmeres tenen diferents formes segons el criteri del fabricant, entre les quals les més comunes són les quadrades o les que tenen una forma semblant a la d'un con.

L'àcid sulfúric es condensa a les parets, conformat per una sèrie de reaccions, i s'acumula al pis de la cambra recoberta de plom. Normalment es pot observar l'existència d'entre 3 a 6 càmeres en successió. El producte final obtingut d'aquestes càmeres se sol conèixer com àcid de càmeres, o més comunament com àcid de fertilitzant, ja que la concentració sol ser menor que la de l'àcid obtingut pel procés de contacte.

A la darrera fase d'aquest procés, es fan passar els gasos per un altre reactor anomenat torre de Gay-Lussac, on comença un continu rentat amb àcids concentrats i freds, els quals provenen de la torre de Glover. Al final, els gasos que no es van aconseguir processar són alliberats a l'atmosfera, idealment amb el contingut més baix possible de contaminants.

Història de l'àcid sulfúric

Els seus inicis daten de l'època medieval, en què, en comptes de científics, eren alquimistes els qui experimentaven amb les substàncies obtingudes de la terra, sent la majoria naturals, encara que alguns van aconseguir fabricar compostos. És el cas de Jabir Ibn Hayyan, qui va ser un dels pioners en la descripció de l'àcid sulfúric mitjançant mètodes que implicaven la destil·lació de minerals sulfats i barreges amb altres compostos.

Posteriorment, en segles posteriors, l'àcid va començar a ser estudiat a profunditat, ja que s'havien adonat de les grans qualitats i possibles usos que albergaven la possibilitat de fabricar nous artefactes i productes. Aquest procés va aconseguir fer-se popular en aquells temps de tractats i llibres tant d'àrabs com de perses, i més tard pels alquimistes europeus.

A l'Europa d'aquells temps, exactament a l'era medieval, l'àcid sulfúric era conegut com vitriol, o compost de vitriol, licor de vitriol o oli de vitriol, pel fet que aquest s'obtenia a partir de vidres de sals de sulfat. La paraula vitriol prové del llatí vitreus, que fa referència a les sals cristal·lines de sulfat, i la seva traducció a l'espanyol seria vidre.

Aquest component des dels seus inicis va mostrar ser de molt interès entre els alquimistes, tant així que va arribar a considerar-se en certs moments com a possible pedra filosofal, encara que entre els seus usos més comuns estava el de fer reaccionar substàncies per observar canvis de color, precipitats i transformacions.

Johann Glauber, un químic alemany amb descendència holandesa, va aconseguir aconseguir àcid sulfúric, o vitriol, mitjançant un procés de crema de sofre amb nitrat de potassi en presència de vapor daigua. Això es devia al fet que, mentre el nitrat de potassi s'anava descomponent, es podia observar com el sofre s'oxidava a SO₃, que després, en combinar-ho amb aigua, permetia obtenir el compost. Aquest es va convertir en un gran mètode per comercialitzar l'àcid sulfúric, ja que era més senzilla producció en massa.

Cap a mitjans del segle XVIII, al voltant de 1746, va començar a utilitzar-se el mètode de les cambres recobertes de plom, cosa que va estabilitzar la indústria de producció d'aquest compost i va permetre un comerç més ampli. Més endavant, al segle XIX, es van desenvolupar processos més sostenibles i eficients; el 1831 es va introduir un enfocament que va conduir, amb posteriors millores en catalitzadors i absorció, al procés de contacte que avui proveeix la major part del subministrament.

Els nivells de concentració inicials dels processos antics eren relativament baixos, d'aproximadament un 40%, però això es va aconseguir millorar amb els estudis de les característiques del compost, aconseguint la fabricació de nous productes que requerien concentracions més grans. Amb la millora dels catalitzadors i dels sistemes d'absorció, l'àcid sulfúric va passar a produir-se de manera cada cop més pura i concentrada, convertint-se en un pilar de la indústria química moderna i en un indicador clau del nivell d'industrialització dels països.

Àcid sulfúric al 98% i altres concentracions

En l'àmbit industrial, una de les presentacions més importants és el àcid sulfúric al 98%, que es considera pràcticament concentrat. Aquesta puresa és fonamental per dur a terme processos que exigeixen un control precís de l´acidesa i minimitzar la presència d´aigua.

A partir d´aquest àcid concentrat és possible preparar solucions a diferents concentracions comercials, que s'adapten a usos concrets en indústria, agricultura, automoció o neteja. Algunes concentracions habituals són:

30-40%: emprades en certs tractaments de superfícies i formulacions específiques, amb una acidesa moderada però encara molt corrosiva.
50-60%: utilitzades en processos industrials que requereixen un equilibri entre reactivitat i maneig, per exemple, en algunes etapes de producció de fertilitzants o detergents.
98%: àcid altament concentrat, típic del procés de contacte, emprat com matèria primera base per a la majoria d'aplicacions industrials i per a la producció de oleum (barreja d'àcid sulfúric amb SO₃).

El control de la concentració és crucial, ja que en depenen la viscositat, l' capacitat de reacció, el risc de corrosió d'equips i materials, així com els requisits de seguretat en el transport i l'emmagatzematge.

Aplicacions i prevencions de l'àcid sulfúric

Un cop ja coneguts tots els aspectes i la història de com es va obtenir per primera vegada aquest compost, és molt important conèixer quins són els seus aplicacions més comunes i les precaucions que s'han de tenir, pel fet que en la majoria d'aquests processos s'escalfa la substància fins al punt que podria cremar severament qualsevol persona en cas de contacte.

Aplicacions més comuns

Alguns processos de les indústries que fabriquen productes de fusta i paper requereixen de l'àcid sulfúric, així com en la de productes tèxtils, on s'usa per al tractament de fibres i l'ajust de pH en diferents etapes del processament.
A les indústries fabricants de fertilitzants es nota el major consum i demanda d'aquest compost, ja que els seus components resulten molt efectius per a la elaboració de fertilitzants fosfatats i inorgànics. Això és degut a que aquest actua com a reactiu per produir àcid fosfòric y sulfat d'amoni, entre altres, que són aprofitats com a adobs.
En la majoria dels casos aquest compost és utilitzat com matèria primera, encara que poques vegades es veu reflectit al producte final. Intervé com catalitzador, agent deshidratant o oxidant en multitud de processos de síntesi química.
Entre els usos més importants hi ha la refinació del petroli, tractaments de l'acer (decapat i neteja de superfícies metàl·liques), producció de pigments, manufacturació de explosius, plàstics, fibres sintètiques i detergents, així com l'extracció de metalls no ferrosos com a coure, níquel o zinc.
Serveix com a mètode de tractament de metalls diversos com l'acer, el coure, el vanadi, entre d'altres, eliminant òxids superficials i preparant les superfícies per a recobriments, galvanitzats o tractaments posteriors.
En alguns països el seu ús és estrictament vigilat per les autoritats pel fet que pot intervenir en la fabricació de drogues il·lícites o explosius, així com per la seva perillositat per al medi ambient si es maneja de forma inadequada.
El seu ús més directe, per dir-ho d'alguna manera, és el de la fabricació de tensoactius sulfonats, que s'incorporen mitjançant la sulfuració o sulfonació orgànica, processos fonamentals a les indústries dels detergents i productes de neteja.
En la indústria automobilística s'utilitza a les bateries de plom-àcid, on una dissolució d'àcid sulfúric actua com a electròlit permetent l'emmagatzematge i l'alliberament d'energia elèctrica.
En la indústria farmacèutica intervé en la síntesi de nombrosos principis actius i excipients, a causa del seu paper com a agent de sulfonació, deshidratació i ajustament de pH en etapes de reacció i purificació.
En l'àmbit de la neteja i manteniment domèstic, en concentracions controlades i sota formulacions específiques, s'empra en alguns desembussadors i netejadors de desguassos, aprofitant-ne la capacitat per dissoldre matèria orgànica. El seu ús, però, ha de ser extremadament curós.

Precaucions

Els processos de fabricació de l'àcid sulfúric poden resultar realment perillosos, pel fet que en la gran majoria, per no dir en tots, el compost és escalfat a temperatures extremes. Per això, sempre cal tenir en compte que, per diluir-ho, aquest ha de ser abocament sobre l'aigua i mai al revés, pel fet que pot provocar esquitxades agressives que poden causar greus cremades a la pell.

L'àcid sulfúric és molt corrosiu, oxidant i deshidratant, de manera que en contacte amb els teixits els pot fer malbé severament. Fins i tot una quantitat mínima d'àcid sulfúric en contacte amb la pell pot causar cremades químiques molt greus. Al contacte amb els ulls, pot provocar dany permanent i fins i tot ceguesa.

També cal anar amb compte de no respirar els vapors o aerosols alliberats per les reaccions de l'àcid sulfúric amb altres substàncies, ja que provoquen dificultat per respirar i una sensació de cremor a les vies respiratòries. Una exposició perllongada a boires d'àcid sulfúric s'associa a irritacions cròniques i fins i tot a un risc incrementat de problemes respiratoris greus.

Encara que l'àcid sulfúric per si mateix no és inflamable, en contacte amb certs metalls allibera hidrogen, un gas altament inflamable i explosiu. A més, pot ser combustible en combinació amb altres materials, fins i tot amb l'aigua si no es manipula correctament, a causa de la reacció exotèrmica que es produeix en barrejar tots dos.

Una de les precaucions més importants és que aquest àcid sempre deu afegir-se a l'aigua i mai al revés. Com que, en diluir àcid sulfúric, s'allibera molta calor, si s'aboqués aigua sobre l'àcid sulfúric podria produir-se una reacció exotèrmica violenta que generés esquitxades i vapors perillosos.

En cas de contacte amb la pell, no cal aplicar aigua a pressió de forma immediata sobre una gran quantitat d'àcid concentrat sense abans retirar l'excés i neutralitzar parcialment, ja que la calor generada per la dilució pot agreujar la lesió. És recomanable seguir els procediments indicats a la fitxa de dades de seguretat del producte, usant solucions sabonoses abundants o agents neutralitzants suaus quan així es recomana, i després esbandir amb aigua corrent durant un llarg període de temps.

Per manipular-lo es requereix l'ús de equip de protecció individual adequat: guants resistents a productes químics, ulleres de seguretat o pantalles facials, roba de protecció, màscares o equips de respiració quan hi hagi risc d'inhalació de vapors o aerosols, i calçat adequat. L'emmagatzematge s'ha de fer en envasos homologats i resistents a la corrosió, com a recipients de polietilè d'alta densitat o vidre especial, en llocs frescos, ventilats i lluny de substàncies incompatibles (bases fortes, metalls reactius, agents reductors, materials orgànics combustibles, etc.).

Compatibilitats i incompatibilitats de l'àcid sulfúric

A l'hora de dissenyar o utilitzar instal·lacions que manegen àcid sulfúric, és fonamental conèixer amb què materials és compatible i quins són incompatibles o perillosos.

Compatibles: aigua (sempre afegint l'àcid a l'aigua), materials plàstics resistents com polietilè d'alta densitat (PEAD/HDPE), alguns fluoropolímers, i vidre de borosilicat o ceràmiques resistents.
Incompatibles: metalls reactius (alumini, zinc, magnesi, etc., que generen hidrogen), materials orgànics combustibles, substàncies alcalines fortes (hidròxids), agents reductors (sulfits, nitrits, etc.) i substàncies que puguin produir reaccions violentes o exotèrmiques incontrolades.

La selecció correcta de materials i el disseny de sistemes de contenció i ventilació adequats redueixen de manera significativa els riscos associats a fuites, corrosió d'equips i accidents.

L'àcid sulfúric s'ha consolidat com un insum imprescindible per a la indústria moderna, fonamental en la fabricació de fertilitzants, en la refinació del petroli, en la síntesi d'innombrables compostos químics i en la producció de bateries, detergents, fibres i materials avançats. Conèixer en profunditat les seves propietats, la seva història, els seus processos d'obtenció i, sobretot, les mesures de seguretat per manipular-les i emmagatzemar-les, permet aprofitar al màxim el seu potencial mantenint sota control els riscos per a les persones i l'entorn.