Trióxido de azufre
Trióxido de azufre (ortografía alternativa trióxido de azufre, también conocido como nisso sulfan) es el compuesto químico con la fórmula SO3 . Ha sido descrito como "sin duda el más importante económicamente" óxido de azufre. Se prepara a escala industrial como precursor del ácido sulfúrico.
El trióxido de azufre existe en varias formas: monómero gaseoso, trímero cristalino y polímero sólido. El trióxido de azufre es un sólido justo por debajo de la temperatura ambiente con un rango de líquidos relativamente estrecho. El SO3 gaseoso es el principal precursor de la lluvia ácida.
Estructura molecular y enlace
Monómero
La molécula SO3 es plana trigonal. Como predice la teoría VSEPR, su estructura pertenece al grupo de puntos D3h. El átomo de azufre tiene un estado de oxidación de +6 y se le puede asignar un valor de carga formal tan bajo como 0 (si se supone que los tres enlaces azufre-oxígeno son dobles enlaces) o tan alto como +2 (si se supone que la regla del octeto). Cuando la carga formal es distinta de cero, se supone que el enlace S-O está deslocalizado. En cualquier caso, las longitudes de los tres enlaces S-O son iguales entre sí, a 1,42 Å. El momento dipolar eléctrico del trióxido de azufre gaseoso es cero.
Trímero
Tanto el SO3 líquido como gaseoso existe en un equilibrio entre el monómero y el trímero cíclico. La naturaleza del SO3 sólido es compleja y se conocen al menos 3 polimorfos, cuya conversión depende de trazas de agua.
SO3 absolutamente puro se congela a 16,8 °C para dar la forma γ-SO3, que adopta la configuración de trímero cíclico [S (=O)2(μ-O)]3.
Polímero
Si SO3 se condensa por encima de 27 °C, entonces se forma α-SO3, que tiene un punto de fusión de 62,3 °C. α-SO3 tiene apariencia fibrosa. Estructuralmente, es el polímero [S(=O)2(μ-O)]n. Cada extremo del polímero termina con grupos OH. El β-SO3, al igual que la forma alfa, es fibroso pero de diferente peso molecular y consiste en un polímero cubierto con hidroxilo, pero se funde a 32,5 °C. Tanto la forma gamma como la beta son metaestables y eventualmente se convierten en la forma alfa estable si se dejan en pie durante el tiempo suficiente. Esta conversión es provocada por trazas de agua.
Las presiones relativas de vapor del sólido SO3 son alfa < beta < gamma a temperaturas idénticas, indicativas de sus pesos moleculares relativos. El trióxido de azufre líquido tiene una presión de vapor consistente con la forma gamma. Así, calentar un cristal de α-SO3 hasta su punto de fusión produce un aumento repentino de la presión de vapor, que puede ser lo suficientemente fuerte como para romper un recipiente de vidrio en el que se encuentra. calentado. Este efecto se conoce como “explosión alfa”.
Reacciones químicas
El trióxido de azufre sufre muchas reacciones.
Hidratación e hidrofluoración
SO3 es el anhídrido de H2SO4. Por tanto, es susceptible a la hidratación:
- Así que...3 + H2O → H2Así que...4(Δ)Hf = 200 kJ/mol)
El trióxido de azufre gaseoso emite abundantes vapores incluso en una atmósfera relativamente seca debido a la formación de una niebla de ácido sulfúrico. SO3 es agresivamente higroscópico. El calor de hidratación es suficiente para que se puedan encender mezclas de SO3 y madera o algodón. En tales casos, el SO3 deshidrata estos carbohidratos.
De manera similar al comportamiento del H2O, el fluoruro de hidrógeno se agrega para dar ácido fluorosulfúrico:
- Así que...3 + HF → FSO3H
Desoxigenación
SO3 reacciona con pentóxido de dinitrógeno para dar la sal de nitronio de pirosulfato:
- 2 SO3 + N2O5 [NO]2]2S2O7
Oxidante
El trióxido de azufre es un oxidante. Oxida el dicloruro de azufre a cloruro de tionilo.
- Así que...3 + SCl2 → SOCl2 + SO2
ácido de Lewis
SO3 es un ácido de Lewis fuerte que forma fácilmente aductos con bases de Lewis. Con piridina, se forma el complejo de piridina y trióxido de azufre. Los aductos relacionados se forman a partir de dioxano y trimetilamina.
Agente sulfonante
El trióxido de azufre es un potente agente sulfonante, es decir, añade grupos SO3 a los sustratos. A menudo los sustratos son orgánicos, como en la sulfonación aromática. Para sustratos activados, los aductos de base de Lewis de trióxido de azufre son agentes sulfonantes eficaces.
Preparación
La oxidación directa del dióxido de azufre a trióxido de azufre en el aire ocurre muy lentamente:
- Así que...2 + 1.2O2 → SO3(Δ)H = 198,4 kJ/mol)
Industrial
Industrialmente el SO3 se produce mediante el proceso de contacto. El dióxido de azufre se produce al quemar azufre o pirita de hierro (un mineral sulfurado de hierro). Después de ser purificado mediante precipitación electrostática, el SO2 se oxida con oxígeno atmosférico a entre 400 y 600 °C sobre un catalizador. Un catalizador típico consiste en pentóxido de vanadio (V2O5) activado con óxido de potasio K2O sobre kieselguhr o soporte de sílice. El platino también funciona muy bien, pero es demasiado caro y las impurezas lo envenenan (lo vuelven ineficaz) mucho más fácilmente. La mayor parte del trióxido de azufre obtenido de esta manera se convierte en ácido sulfúrico.
Laboratorio
El trióxido de azufre se puede preparar en el laboratorio mediante pirólisis en dos etapas de bisulfato de sodio. El pirosulfato de sodio es un producto intermedio:
- Deshidratación a 315 °C:
- 2 NaHSO4 → Na2S2O7 + H2O
- Cracking a 460 °C:
- Na2S2O7 → Na2Así que...4 + SO3
En cambio, el KHSO4 no sufre la misma reacción.
Otro método de dos pasos que implica una pirólisis de sal comienza con ácido sulfúrico concentrado y tetracloruro de estaño anhidro:
- Reacción entre el tetracloruro de estaño y el ácido sulfúrico en una mezcla de 1:2 molares cerca del reflujo (114°C):
- SnCl4 + 2 H2Así que...4 → Sn(SO4)2 + 4 HCl
- Pirolisis de sulfato de estaño anhídrico(IV) a 150°C - 200°C:
- Sn(SO4)2 → SnO2 + 2 SO3
La ventaja de este método sobre el de bisulfato de sodio es que requiere temperaturas mucho más bajas y se puede realizar utilizando cristalería de laboratorio de borosilicato normal sin riesgo de romperse. Una desventaja es que genera cantidades significativas de gas cloruro de hidrógeno que también debe capturarse.
ElSO3 también se puede preparar deshidratando ácido sulfúrico con pentóxido de fósforo.
Aplicaciones
El trióxido de azufre es un reactivo en reacciones de sulfonación. Estos procesos producen detergentes, colorantes y productos farmacéuticos. El trióxido de azufre se genera in situ a partir de ácido sulfúrico o se utiliza como solución en el ácido.
Baker & Adamson bajo el nombre comercial "Sulfan" en el siglo 20.Seguridad
Además de ser un agente oxidante, el trióxido de azufre es altamente corrosivo. Reacciona violentamente con el agua para producir ácido sulfúrico altamente corrosivo.
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