¿Qué es y cómo se prepara el ácido sulfúrico?

En esta nueva entrada me propongo explicar, de una forma sencilla, como se realiza la síntesis de algún compuesto. Por ser una de las sustancias más conocidas, más utilizadas y más comunes en un laboratorio de química, explicaré de forma resumida cómo se descubrió y cómo se lleva a cabo la preparación del ácido sulfúrico en la actualidad.

¿Qué es el ácido sulfúrico?

El ácido sulfúrico es una sustancia molecular, líquida, de fórmula H2SO4 incolora (aunque a veces presente cierta tonalidad amarillenta), de carácter oleoso y aproximadamente dos veces más denso que el agua.

Se trata de una sustancia, como su propio nombre indica, de carácter ácido (es decir, es capaz de ceder protones) a otra molécula que los acepta (base) y se suele emplear tanto en la síntesis de ácidos (como pueda ser el ácido clorhídrico), como agente deshidratante (para numerosas reacciones en química orgánica), como generador de medio de reacción ácido o como catalizador.

A la hora de su manejo hay que tener especial cuidado en su uso, ya que se trata de una sustancia muy corrosiva que puede producir graves quemaduras, aunque no es volátil (como el ácido clorhídrico) y no es necesario su manejo bajo campana extractora (aunque se recomienda para disoluciones concentradas).

Un poco de historia

El ácido sulfúrico (o aceite de vitriolo, como se solía denominar) se descubrió en el SVIII por los alquimistas que, partiendo de dos sales que derivan del ácido y se encuentran en la naturaleza. El sulfato de cobre (sólido azul de fórmula CuSO4,) y el sulfato de hierro (sólido verde de fórmula FeSO4)

                     

 

que calentándose en presencia de oxígeno, se producen los óxidos de los metales y el óxido de azufre (VI) SO3 en pequeñas cantidades, que en presencia de agua, se obtenía una disolución diluida (en torno al 30%) de ácido sulfúrico.

El ácido sulfúrico fue considerado como la sustancia más importante y se relacionó con la piedra filosofal. Con el paso del tiempo, se fue perfeccionando su obtención hasta llegar a la pureza del 96-98% que se obtiene en la actualidad.

¿Cómo se prepara el ácido sulfúrico actualmente?

Para realizar la síntesis completa del ácido sulfúrico en la actualidad, se parte de azufre en su estado elemental (un sólido de color amarillo) el cual se quema para producir su óxido SO2 según la reacción

El SO2 es un gas extremadamente tóxico y de olor desagradable (a mi, personalmente, me huele a rancio) del cual no podemos todavía obtener directamente nuestro H2SO4. Necesitamos oxidarlo todavía un poco más (hasta SO3), pero eso no es fácil, ya que, aunque la reacción del SO2 con el oxígeno atmosférico es espontánea, se produce de forma muy lenta y tiene que ser favorecida con la presencia de un catalizador (sustancia que favorece la reacción sin consumirse en la misma, simplemente acelera o ralentiza la velocidad de la misma). En el caso de la oxidación del SO2 se emplea el V2O5 mediante las siguientes reacciones

Si sumamos las dos reacciones que tienen lugar durante el proceso catalítico obtenemos como resultado

Una vez que hemos conseguido oxidar el SO2 a SO3 (también un gas), necesitaríamos añadir una molécula de H2O para conseguir H2SO4, pero esa reacción sería enormemente violenta (por ello el SO3 hay que trabajarlo en una atmósfera seca, sin nada de vapor de agua). Para evitar este problema, se lleva la reacción del SO3 con agua de forma indirecta, haciendo que reaccione el SO3 con ácido sulfúrico (obteniendo lo que se conoce como ácido sulfúrico fumante u óleum, de fórmula H2S2O7) y a continuación hacerlo reaccionar con agua para obtener dos moléculas de ácido sulfúrico como se ve en las siguientes reacciones. 

(Puede resultar raro que para obtener ácido sulfúrico haga falta emplear ácido sulfúrico, pero es un compuesto muy común que se conoce desde la antigüedad y se obtenía de otras maneras, esta es la forma industrial de obtenerlo en grandes cantidades y las empresas ya disponen de ácido sulfúrico)

Una vez producida la reacción del óleum con agua, se genera un ácido sulfúrico muy concentrado (en torno al 98% de pureza en peso, lo que quiere decir que, de cada 100g del compuesto, 98g son de ácido sulfúrico puro) que se emplea en una gran cantidad de procesos (tanto a escala de laboratorio como industriales). 

En resumen, para obtener en la actualidad ácido sulfúrico, hay que quemar S (azufre) para obtener SO2. Volver a oxidar el compuesto con la ayuda de un catalizador hasta SO3. Hacer reaccionar el SO3 con ácido sulfúrico para obtener óleum y finalmente tratar con agua para obtener ácido sulfúrico concentrado.