Acido solforico: proprietà e processi di produzione industriale
L’acido solforico è una delle sostanze maggiormente utilizzate nelle industrie chimiche tanto che il suo consumo è un indice delle attività chimiche di una nazione. Secondo la nomenclatura I.U.P.A.C. il suo nome è acido tetrossosolforico (VI) ma, come per l’acido nitrico, la stessa I.U.P.A.C. consente l’uso del nome comune con il quale è universalmente noto. L’acido solforico è noto fin dal XII secolo, conosciuto come spirito di vetriolo.
Ha formula H2SO4 e peso molecolare pari a 98.08 u.m.a. E’ un liquido inodore,incolore con densità 1.8391 g/cm3 a 15 °C e punto di fusione 10.37 °C. Riscaldato rapidamente bolle a 338 °C, ma poi decomponendosi libera SO3.
Si dissocia secondo le reazioni:
H2SO4 → HSO4– + H+ e tale ionizzazione è completa
La seconda dissociazione è:
HSO4– ⇌ SO42- + H+
Tale equilibrio ha una costante di dissociazione K = 0.010 a 25 °C.
Proprietà
L’acido solforico concentrato e soprattutto a caldo ossida metalli e non metalli ( Ag, Cu, Hg, P, S, C ) . Diluito e freddo attacca i metalli elettropositivi (Zn, Mg, Fe) con sviluppo di H2.
Energico disidratante e carbonizza rapidamente a caldo, lentamente a freddo molte sostanze organiche. L’acido solforico scioglie notevoli quantità di anidride solforica formando il cosiddetto oleum che viene classificato sulla base della percentuale di anidride libera. Oleum al 20% significa che su 100 parti in peso vi sono 20 parti di SO3 libera e 80 parti di H2SO4.
I processi di produzione industriale sono quello delle camere a piombo e il contatto catalitico. La prima fase delle operazioni industriali per la sua produzione consiste nel preparare SO3 ed è comune ai due processi:
Preparazione dell’SO3
Come materie prime si impiegano essenzialmente zolfo e pirite. Nel caso dello zolfo la combustione si fa avvenire in forni rotanti o in forni a camera di combustione costituiti da un cilindro di acciaio orizzontale o verticale rivestito da refrattari diviso in due metà.
La metà superiore è riempita di mattoni refrattari disposti a scacchiera e funziona da camera di combustione mentre la metà inferiore funge da mescolatore e assicura l’omogeneità del gas in uscita. Lo zolfo, previamente fuso, viene pompato nella camera di combustione alla temperatura di 135-140 °C e si formano gas solforosi.
Purificazione dell’SO3
I gas solforosi provenienti dalla combustione dello zolfo sono generalmente puri per essere inviati all’ossidazione. I gas da pirite, invece, vanno sottoposti a un processo di depurazione più o meno spinto.
Ossidazione e assorbimento
La reazione
SO2 + ½ O2 ⇌ SO3 + 23 kcal
è esotermica e reversibile. Dai valori della costante
Kp= pSO3/ pSO2 ∙pO2 ½
si ricava che la temperatura di ossidazione dovrebbe essere la più bassa possibile.
Ma poiché a bassa temperatura la velocità della reazione è troppo lenta si giunge a un compromesso tra l’aspetto cinetico e aspetto termodinamico realizzandola in due tempi: il primo a 550-575 °C, il secondo a 420-440 °C.
A 500 °C la velocità della reazione è 40 volte superiore a quella che si ha a 400 °C e, per il Principio di Le Chatelier, si favorisce la formazione di SO3 con l’aumento di O2. Per quanto attiene il catalizzatore viene usato ossido di vanadio (V) che agisce secondo Neumann secondo la seguente sequenza di reazioni:
V2O5 + SO2 = V2O4 + SO3
V2O4 + 2 SO2 + O2 = 2 VOSO4
2 VOSO4 = V2O5 + SO2 + SO3
I gas solforici che escono dal convertitore vengono adeguatamente raffreddati e il loro calore utilizzato per riscaldare i gas solforosi provenienti dalla torre essiccante o per preriscaldare l’acqua destinata alla produzione di vapore.
I gas passano quindi all’assorbimento realizzato in due fasi successive e in due distinte apparecchiature. Vi è la prima torre oleum dove una parte dell’SO3 viene assorbita in oleum e una seconda torre dove l’SO3 residua viene assorbita in acido con concentrazione minima del 97 %. L’acido della torre assorbente viene continuamente raffreddato alla temperatura più bassa possibile per circolazione interna in refrigeranti a pioggia d’acqua.
Processo a camere di piombo
Per molti anni fu l’unico processo industriale di produzione dell’acido solforico e si basa sul fatto che tutti i composti più ossigenati dell’azoto ossidano SO2 a SO3 riducendosi a monossido di azoto:
2 SO2 + 2 HNO3 + 2 H2O = 3 H2SO4 + 2 NO
2 SO2 + 2 NO2 + 2 H2O = 2 H2SO4 + 2 NO
SO2 + N2O3 + H2O = H2SO4 + 2 NO
Il monossido di azoto si addiziona facilmente all’ossigeno dell’aria:
2 NO + O2 = 2 NO2
che ritorna ad ossidare altra SO2 e con H2O ridà acido nitrico:
3 NO2 + H2O = 2 HNO3 + NO
L’acido nitrico prodotto ritorna ad ossidare SO2.
L’acido solforico di concentrazione inferiore al 78 % viene stoccato in recipienti piombati mentre quello a concentrazione superiore in recipienti in ferro che vanno tenuti al riparo dall’umidità per evitarne la diluizione.
Il vetro è adatto per qualsiasi concentrazione, ma si presta solo per piccoli quantitativi.
L’acido solforico non è infiammabile, ma può infiammare materiali combustibili quali carbone, nitrato, clorati, polveri metalliche, solfuro di idrogeno. Non è esplosivo ma può provocare esplosioni per lo sviluppo di idrogeno dovuto a corrosione di recipienti metallici.
L’acido concentrato distrugge rapidamente i tessuti con cui viene messo a contatto e causa gravi ustioni. Il contatto con gli occhi può produrre gravissime lesioni. Il contatto con soluzioni diluite può provocare dermatiti. L’inalazione di vapori concentrati di acido solforico caldo o di oleum può dar luogo a perdita di conoscenza e a lesioni polmonari.
Nel caso di ustioni, a seguito di contatto con l’acido, bisogna subito lavare la parte con soluzioni tiepide di bicarbonato di sodio.
L’acido solforico si ricerca precipitandolo dalle soluzioni acquose, acidificate con acido nitrico, mediante una soluzione di BaCl2. Un precipitato bianco cristallino di solfato di bario conferma la presenza di acido solforico.
Il titolo dell’acido viene effettuato tramite titolazione con NaOH usando come indicatore il metilarancio.
Usi
L’acido solforico serve nella fabbricazione dei fertilizzanti, del carbonato di sodio, della maggior parte degli acidi inorganici e organici, degli esplosivi, delle sostanze coloranti, dei prodotti farmaceutici.
Si adopera nella raffinazione del petrolio, nella saponificazione dei grassi per preparare saponi e candele, per la carta pergamenata.
Serve inoltre a preparare i solfati di bario e di piombo per vernici, di sodio per la carta, di rame per gli insetticidi e gli allumi. L’oleum serve direttamente per colori, farmaci ed esplosivi e serve per concentrare l’acido di altra provenienza.