Qumica industrialUnidad 11

Contenidos (1).1.-Materias primas y productos qumicos.2.-Diferencias entre la qumica de laboratorio y la qumica industrial.3.-Productos bsicos en la industria.

Contenidos (2).4.-Procesos representativos en la qumica industrial.4.1.Mtodo de contacto en la obtencin de cido sulfrico.4.2.Sntesis de Haber de amoniaco.4.3.Obtencin de cido ntrico por oxidacin cataltica de amoniaco.

Contenidos (3).5.-Obtencin, principales reacciones y propiedades de algunas sustancias qumicas:5.1.cido sulfrico.5.2.Amoniaco, cido ntrico.6.-Repercusiones socioeconmicas e impacto medioambiental de la industria (trabajo bibliogrfico).

Materias primas y productos qumicos.Son muy abundantes. Principales materias primas:

AireMineralesCarbnPetrleo y gas natural. A partir de las mismas se forman los intermedios de sntesis, productos bsicos para la obtencin de la mayora de otros productos industriales..

Materias primas

Abundancia relativa de elementos en la corteza terrestre

Caractersticas de la qumica industrialEst marcada por su rentabilidad econmica (incluyendo el tiempo).Busca un equilibrio entre el rendimiento y los costes del mtodo utilizado.Suele utilizar elevadas condiciones de presin y temperatura y el flujo continuo de materiales (reactores).Antes de fabricar a gran escala, se realiza una planta piloto a escala intermedia entre el laboratorio y la industria.

Esquema del proceso de produccin industrial

Productos bsicos (Intermedios de sntesis)H2SO4

O2 N2Na2CO3NaOHCl2CH2=CH2NH3C6H6

Fertilizantes, HCl, metales, detergentes, colorantes, pinturas. Papel, frmacos, explosivos...Acero, ozono, papel, frmacos...NH3, metales, abonos...Vidrio, NaOH, jabones, textil...Papel, aluminio, leja, derivados de petrleo...HCl, disolventes, blanqueantes, insecticidas...Plsticos, frmacos, fibras...Fertilizantes, plsticos, explosivos...Disolventes, colorantes...

PRODUCTOS QUMICOS DE INTERS INDUSTRIALcido sulfricoAmoniacocido ntricoClorocido clorhdrico

CIDO SULFRICO (H2SO4)Se conoce desde el siglo XIII, con el nombre de aceite de vitriolo.Sin embargo, la fabricacin industrial slo se inicio a mediados del siglo XVIII.

Caractersticas generalesEs un producto industrial de gran importancia que tiene aplicaciones muy numerosas.Es una agente oxidante y deshidratante.Es un lquido incoloro, inodoro, denso (d=184g/cm3) y de fuerte sabor a vinagre, es muy corrosivo y tiene aspecto oleaginoso (aceite de vitriolo). Se solidifica a 10 C y hierve a 290 C.Es soluble al agua con gran desprendimiento de calor.

Obtencin del H2SO4Se utilizan dos mtodos fundamentales:

Cmaras de plomo. Prcticamente en desuso hoy por obtener concentraciones de H2SO4 no superiores al 80 %. De Contacto En ambos mtodos se parte del SO2 que se obtiene a partir de la pirita o del azufre natural, seguida de su oxidacin e hidratacin.

4 FeS2 + 11 O2 8 SO2 + 2 Fe2 O3S + O2 SO2

Mtodo de contactoEtapa 1: 2 SO2 + O2 2 SO3

Al ser exotrmica esta reaccin debe realizarse a temperatura poco elevada; la velocidad de reaccin es, por tanto muy pequea y se tiene que emplear un catalizador (platino u xidos de metales).Tiene un rendimiento mayor y se utiliza para preparar cido muy concentrado (fumante) u leum (normalmente al 98 %). Etapa 2:SO3 + H2SO4 H2S2O7 H2S2O7 + H2O 2 H2SO4

Mtodo de contactoEn la actualidad se usa el mtodo de contacto que ha sustituido al de las cmaras de plomo.A partir de las materias primas, azufre/pirita y oxgeno, se obtiene el SO2.

S (s) + O2 (g) SO2 (g) 4 FeS2 (s) + 11 O2 (g) 8 SO2 (g) + 2Fe2O3 (s) ste mtodo tiene un rendimiento mximo en fabricar SO3 a partir de SO2 por la relacin:2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g)

Produccin de cido sulfrico (cont).

Al ser exotrmica esta reaccin debe realizarse a temperatura poco elevada; la velocidad de reaccin es, por tanto muy pequea y se tiene que emplear un catalizador (platino u xido de vanadio). Pt/V2O52 SO2 + O2 2 SO3Se obtiene un mayor rendimiento si en vez de adicionar agua directamente, formamos como producto intermedio el cido disulfrico: SO3 + H2SO4 H2 S2 O7H2 S2 O7 + H2 O 2 H2 SO4

Produccin de H2SO4.

AplicacionesSirve para la preparacin de la mayor parte de los cidos minerales y orgnicos, de los sulfatos de hierro, de cobre y de amonio, empleados en la agricultura, de los superfosfatos y de los alumbres. El cido diluido con agua se utiliza en la depuracin de aceites y benzoles, en la refinacin del petrleo, en el decapado de los metales y tambin en pilas y acumuladores.

AMONIACO (NH3)Los alquimistas medievales lo obtenan calentando en retornas pezuas y cuernos y recogiendo en agua el gas desprendido.Otros lo conseguan calentando orina con sal comn y tratando el producto con lcalis.En 1785, Berthollet demostr que el amonaco es un compuesto de nitrgeno e hidrgeno.El amonaco se encuentra donde hay descomposicin de materia orgnica como consecuencia de las alteraciones qumicas que experimentan las sustancias nitrogenadas.

Caractersticas generalesEs un gas incoloro de caracterstico olor sofocante. Puede licuarse a temperaturas ordinarias Es muy soluble en agua y el volumen del lquido incrementa notablemente; .Tiene carcter bsico:

NH3 + H2O NH4+ +OHA partir de los 500 C empieza a descomponerse en N2 y H2.

Sntesis cataltica ( Proceso Haber )N2 + 3 H2 2NH3 ; H = 92,4 kJEl rendimiento del amonaco disminuye al aumentar la temperatura, pero la reaccin es muy lenta por eso se necesita un catalizador (una mezcla con hierro, molibdeno y Al2O3).La temperatura de compromiso es de 450 C.Para que se aproveche industrialmente la reaccin ha de realizarse a altas presiones (200 a 1000 atm).El hidrgeno y el nitrgeno que se usan deben ser puros, para evitar el envenenamiento del catalizador.

Produccin de amoniaco

AplicacionesEs uno de los productos qumicos de mayor utilizacin industrial.Se usa en la fabricacin de fertilizantes, fibras, plsticos, pegamentos, colorantes explosivos, productos farmacuticos y cido ntrico.La disolucin del amonaco se suele emplear en usos domsticos . Tambin se utiliza en sopletes oxhdricos, en mquinas frigorficas y en la fabricacin del hielo.

CIDO NTRICO (HNO3)El cido ntrico fue conocido en la antigedad; los alquimistas le llamaban agua fuerte, nombre por el que an se le conoce y lo usaban para separar la plata del oro.Las primeras obtenciones fueron a partir de los nitratos mediante tratamiento con un cido de mayor punto de ebullicin.Cavindish, en 1785, lo obtuvo por accin de la chispa elctrica en una mezcla de nitrgeno y oxgeno hmedos en determinadas proporciones.

Caractersticas generalesLquido incoloro a temperatura ambiente.Se mezcla con el agua en todas las proporciones.Punto de fusin : -413C.Punto de ebullicin: 86C.Es oxidante y corrosivo.Es inestable, pues el lquido est parcialmente disociado en N2O5(g) (que produce humo en el aire hmedo) y en agua.

Estado naturalNo se encuentra en la naturaleza en estado natural.En cambio, son muy comunes sus sales derivadas, los nitratos. Los ms importantes son:

el nitro de Chile [NaNO3]el nitro de Noruega [Ca (NO3)2]el salitre [ KNO3]

Industria qumicaEl cido ntrico es un producto esencial en la industria orgnica. Se usa en la fabricacin de colorantes y explosivos (TNT).Sus sales (nitratos) se usan como fertilizantes.En principio se obtena tratando el KNO3 o el NaNO3 con cido sulfrico, pero el rendimiento no era el ptimo:KNO3 + H2SO4 HNO3 + KHSO4

Procesos actual de obtencin (Mtodo Ostwald)Consiste en la oxidacin cataltica del amoniaco con aire enriquecido con oxgeno con arreglo al esquema:4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2OPosteriormente el NO se oxida a NO2 y ste reacciona con agua formando cido ntrico:2 NO + O2 2 NO23 NO2 + 6 H2O 2 HNO3 + NOEl NO se recupera y se obtiene ms cido ntrico.El rendimiento de este proceso es de un 99%, un 97% mayor que el anterior.

CLORO (Cl2) Mtodo de obtencinEl cloro se presenta en la naturaleza principalmente como cloruro (unido al sodio, potasio y magnesio). Otro compuesto importante del cloro es el cido clorhdrico. En la actualidad, se fabrica el cloro principalmente por electrlisis cloroalcalina (salmuera de cloruro de sodio). En dicha reaccin tambin se desprende H2.Tambin puede obtenerse por el mtodo de Downs usando cloruro de sodio fundido. En dicha reaccin tambin se forma el metal sodio.

Electrlisis del cloruro de sodio acuoso (salmuera) .Se obtiene de forma barata cloro e hidrxido de sodio, pero no sodio metlico.El NaCl se encuentra completamente ionizado, por lo que la solucin contendr los siguientes iones.NaCl(ac) Na+ + Cl ; H2O(l) H+ + OH La reaccin que se dar en el nodo es:2 Cl(ac) 2e Cl2(g).Y en el ctodo: 2 H2O(l) H2(g) + 2 OH(ac) El Na+ no participa en la reaccin, pues es ms fcil la reduccin del agua.

Electrlisis del cloruro de sodio fundido (mtodo Downs).Calentar en una cuba electroltica el NaCl por encima de su temperatura de fusin, e introducimos dos electrodos inertes de grafito en la cuba. Los iones negativos sern atrados por el electrodo positivo o nodo: 2 Cl 2e Cl2(g).Mientras que los iones positivos, sern atrados por el electrodo negativo o ctodo: 2 Na+ + 2 e 2 Na.Depositndose en el fondo de la cuba el sodio metlico.Reaccin global: 2 NaCl(l) Cl2(g) + 2 Na

Electrlisis del cloruro de sodio fundido (esquema).

AplicacionesEl cloro tiene aplicaciones muy variadas en la industria qumica.Por ejemplo, en la fabricacin de productos orgnicos clorados (material plstico o sinttico, disolventes, insecticidas, herbicidas), en la industria de la celulosa y del papel y en las lavanderas como agente de blanqueo.Tambin se adiciona como desinfectante al agua potable y al agua de las piscinas de natacin.

Efectos en mamferos (hombre)El cloro es un gas txico extremadamente custico. Los sntomas de intoxicacin posterior a la inhalacin son irritacin de las mucosas de las vas respiratorias con dificultad para respirar, tos con esputos sanguinolentos y pulso lento. Las exposiciones reiteradas o prolongadas producen acostumbramiento al olor y a la irritacin en el ser humano. Puede haber presentacin tarda de los sntomas. El cloro lquido tiene efecto muy custico sobre la piel.

Efectos en plantasCuando se describen los efectos perjudiciales que produce en las plantas, estos se refieren en general al impacto de los cloruros, si bien las plantas tambin absorben el gas de cloro del aire a travs de sus hojas. Esto destruye los tejidos vegetales, en parte por oxidacin y en parte por expulsin del hidrgeno en los compuestos orgnicos.

Impacto medioambientalAgua: El cloro se encuadra en las sustancias clasificadas como Amenaza para el agua. Destruye toda vida acutica; bactericida mientras se verifique la presencia de cloro libre. El cloro reacciona con el agua formando cloruro de hidrgeno. El cloro corroe diversos materiales en presencia de humedad.Aire: Cuando el gas de cloro (a presin) se expande, forma nieblas fras ms densas que el aire; sobre la superficie de las aguas se forman en el aire mezclas txicas y custicas (corrosivas).Suelo: En el suelo solamente se encuentra el cloro en forma ionizada en sus sales (cloruros).

CIDO CLORHDRICO (HCl) Propiedades y precaucionesEl clorhdrico es un cido inorgnico fuerte. Es un cido muy fuerte que, en contacto con el aire, desprende un humo incoloro, de olor fuerte e irritante. Su sabor es agrio. Es corrosivo para los ojos, la piel y las vas respiratorias. La inhalacin de sus vapores puede provocar dificultades de respiracin. Es el segundo cido en importancia industrial, despus del cido sulfrico.

Obtencin de HClEl mtodo ms utilizado para la obtencin de cido clorhdrico es la sntesis directa, quemando hidrgeno en una atmsfera de cloro:

H2 + Cl2 2 HCl

AplicacionesTiene muchas aplicaciones en la industria farmacutica, fotogrfica, alimenticia y textil. Se utiliza en la fabricacin de abonos, en la obtencin de colorantes, curtido de pieles, como agente de hidrlisis, catalizador de reacciones, sntesis orgnica, ...

Produccin de NaOH (celda de mercurio)

Etiquetas de productos qumicos.

La sntesis de fertilizantes nitrogenados tiene como base inicial la obtencin del amoniaco a partir de sus elementos. a) Escriba dicha reaccin de obtencin. b) Aunque la reaccin es exotrmica, a escala industrial se lleva a cabo a temperaturas elevadas. Explique los efectos termodinmicos y cinticos de este hecho. c) Si se utilizase el aire directamente como materia prima, se podra obtener algo ms que amoniaco en la reaccin? Razone la respuesta. d) Por qu tiene importancia socioeconmica el desarrollo de procesos que faciliten la obtencin del amoniaco con un buen rendimiento?

Cuestin Selectividad (Junio 98)Cuestin Selectividad (Septiembre 98)Cuestin Selectividad (Junio 98)

La urea CO(NH2)2 se utiliza como fertilizante nitrogenado y se obtiene a partir de CO2 y NH3.a) Escribe la reaccin de obtencin ajustada, sabiendo que adems de urea se produce H2O; b) Escribir las reacciones de obtencin del CO2 y del NH3; c) Cules seran los materiales existentes en la naturaleza de los que se partira para poder fabricar urea. Si el coste de la urea para el fabricante fuese de 10000 pts/tonelada, el de CO2 2000 pts/tonelada, el del amoniaco 6000 pts/tonelada. Cunto costara la fabricacin de una tonelada de urea? CO2 + 2 NH3 CO(NH2)2 + H2O

Cuestin Selectividad (Septiembre 97)

Los elementos constitutivos de los combustibles derivados del petrleo son los siguientes: carbono, hidrgeno, azufre, nitrgeno y oxgeno.a) Razone cules son los productos resultantes de la combustin con aire de los elementos citados. b) Indique cules de dichos productos son perjudiciales para el medio ambiente as como los principales efectos sobre el mismo.

Cuestin Selectividad (Reserva 98)

El esquema de obtencin industrial del cidontrico puede resumirse en las siguientes etapas:I.- 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2 + 6H2O; H=903.7 kJII.- 2NO + O2 2NO2 ;H= 113.36 kJIII.- 3NO2 + H2O 2HNO3 + NO O2 NO HNO3 O2 Cmara Reactor NO Refrigerante NO2 de NH3 hidratacin

a) Escriba los nmeros de oxidacin del nitrgeno en cada uno de los compuestos. b) Explique que tipo de reaccin redox se produce en cada una de las etapas del proceso. c) Como afectara un aumento de presin y de temperatura en los equilibrios I y II. d) Observe el esquema adjunto y razone si las etapas I y II se realizan a diferentes temperaturas.

Cuestin Selectividad (Junio 97)

La produccin industrial de agua de cloro sebasa en la reaccin de agua de cloro formndose los iones hipoclorito y cloruro, de manera que la disolucin resultante se puede emplear como agente blanqueante y desinfectante debido al carcter oxidante del ion hipoclorito formado. a) Escriba y ajuste la reaccin. Explique razonadamente de qu tipo de reaccin se trata. b) Cmo se modificara el rendimiento de la reaccin si se adiciona una base?

Ejercicio de Selectividad(Septiembre 99)

Las centrales trmicas (para producir energa elctrica) son fuentes puntuales de SO2, dependiendo la cuanta de las emisiones de dicho gas del tipo de combustible, como se observa en la tabla siguiente: Explique: a) Cul de los tres combustibles contamina ms laatmsfera? b) Culde ellos acidifica menos los suelos cercanos a las centrales? c) Se produce en las centrales trmicas algn otro gas con efecto negativo en el medio ambiente? d) Por qu se hacen campaas en las ciudades para cambiar las calderas de carbn de la calefaccin?

Ejercicio de Selectividad(Previo 2000)

a) El carbn, por ser el que produce ms SO2, que es un contaminante.b) El gas,porque al producir menos SO2, da lugar a menos acidez en las aguas de lluvia.c) El CO2, (como todos los combustibles), nocivo por producir efecto invernadero.d) Por ser el carbn el combustible ms contaminante.