UD 4:
Ácidos y sustancias relacionadas (II) Ácido clorhídrico. Propiedades generales. Historia. Síntesis directa. Ácido clorhídrico comercial, azeótropo ácido clorhídrico-agua, almacenaje. Ácido nítrico. Historia e importancia. Propiedades generales. Método de Ostwald y sus modificaciones: horno de síntesis, absorción ácida y absorción alcalina, concentración y azeótropo. Nitrato de calcio y abonos nitrogenados. Método BASF: materias primas, reacción y separación del producto. Nitrato de amonio. Propiedades generales de los abonos.
1.
a) Mediante un diagrama de flujo sencillo y ecuaciones químicas describir la síntesis industrial de
HCl;
b) ¿qué características tiene la cinética de la reacción entre H2 y Cl2;
c) ¿cuáles son las
principales aplicaciones del ácido clorhídrico?
El cloruro de hidrógeno se puede obtener como subproducto de dos procesos:
1:
2NaCl + H2SO4 -> Na2SO4 + 2HCl
Esta reacción requiere altas temperaturas. Se debe calentar el reactor.
2:
C6H6 + Cl2 -> C6H5Cl + HCl
Esta reacción produce calor y el reactor debe ser refrigerado.
Ambas reacciones producen HCL en estado gaseoso.
Cloruro de Hidrógeno quimicamente puro:
En el diagrama, el proceso comienza en (4) la vasija de dilución donde el H2O diluye NaCl y la solución es sometida a una electrólisis (3) para obtener como productos gaseosos Cl2 y H2 y como productos líquidos NaOH.
El cátodo es de hierro, y en el se producen H2 y NaOH
El ánodo es de carbón, y en el se produce el Cl2
Se eligen estos materiales por la siguiente razón:
Acero o hierro porque es más económico que el electrodo estandar de platino.
Carbón porque favorece la emirreacción:
(I) 2Cl- -> Cl2
Sobre la que sucedería con electrodos estandar de platino:
(II) 2OH- -> O2 + 2H+
Esto se debe al fenómeno de sobre-potencial:
La ecuación ne Nerst nos dá el potencial al que ocurrirían las reacciones con electrodos de platino. Al usar otros materiales, como en este caso el carbón, podemos encontrar propiedades útiles, como la que se utiliza en este caso:
La suma del potencial de nerst más el sobrepotencial de (I) con electrodo de carbón es menor a la misma suma para la reacción (II), por lo que al utilizar ánodo de carbón produzco Cl2 y no O2.
Se utiliza una membrana de teflon con sales incrustadas que al ser sumergidas en el agua le dan a la membrana una carga negativa, para separar las dos emirreacciones parcialmente y evitar la formación de
OH- + Cl2 -> Cl- + ClO- + H2O
El Cl2 y el H2 son capturados por separado, y siguen una serie de pasos para su purificación:
Camino del Cl2
El Cl2 es refrigerado y luego pulverizado con agua para extraer impurezas solubles.
Es luego librado de cualquier remanente de humedad en un proceso en el cual se lo hace subir por una torre de asperción por la que se hace llover acido sulfúrico que absorbe la humedad rápidamente.
Luego es filtrado a través de un filtro de grava y comprimido para ser enviado al reactor final.
Camino del H2
El H2 es simplemente refrigerado y secado usando otra torre de asperción con lluvia de acido sulfúrico, luego es comprimido y enviado al reactor final.
b)
Reactor final
La reacción:
H2 + Cl2 -> 2HCl
Es fotocatalítica, es más: no se produce en ausencia de luz.
Al mismo tiempo es explosiva, por lo que debe ser regulada en el reactor.
Envasado
Por un lado se puede envasar el HCl en bombonas de acero como un gas comprimido, pero se debe tener mucho cuidado con la humedad ya que el gas HCl es extremadamente corrosivo cuando se le agrega humedad, por obvias razones.
Por otro lado, se lo puede almacenar como acido clorhídrico concentrado, previa concentración del mismo:
Primero se lo refrigera, luego se lo hace pasar por torres de aspersión donde llueve agua líquida
y se continúa recirculando el líquido obtenido hasta alcanzar la concentración de almacenamiento.
c)
Los usos finales más grandes para el ácido clorhídrico son el decapado del acero, la acidificación de pozos de petróleo, la fabricación de alimentos, la producción de cloruro de calcio y el tratamiento de minerales. El ácido clorhídrico se usa en operación de decapado para el carbón, aleaciones y aceros inoxidables.
2. Se tiene una solución de ácido clorhídrico concentrado que ha estado mucho tiempo guardada, mal
tapada, en un depósito. Se toma una muestra de 10,00 mL y se lo diluye a 1000 mL. 50,00 mL de la
solución resultante se titulan con solución de NaOH 0,0995 M requiriéndose 37,00 mL para
neutralización del ácido:
a) escribir la ecuación química de la neutralización;
NaOH + HCl -> H2O + NaCl
b) calcular la concentración del ácido original;
X=7,36 M
c) ¿es la concentración obtenida la esperada para el HCl concentrado?;
Necesito la densidad del líquido para poder estimar correctamente cual es la composición porcentual V/V o M/M del HCl para compararlo con el 37% estandard del mercado o el 20,2% donde se produce el azeotropo con el agua.
d) describir los posibles efectos sobre el ambiente del depósito por haberse mantenido mal almacenada.
https://www.atsdr.cdc.gov/es/toxfaqs/es_tfacts173.html¿Qué le sucede al cloruro de hidrógeno cuando entra al medio ambiente?
- El cloruro de hidrógeno liberado a la atmósfera será removido por la lluvia.
- El cloruro de hidrógeno se disocia fácilmente en el agua en iones cloruro e hidrógeno (un ion es un átomo o molécula con una carga eléctrica), lo cual reduce el pH del agua (la hace más acídica).
- Si es liberado al suelo, el cloruro de hidrógeno se evaporará de las superficies secas del suelo, en cambio se disociará en iones cloruro e hidrógeno en las superficies húmedas.
- El cloruro de hidrógeno no se acumula en la cadena alimentaria.
¿Cómo puede ocurrir la exposición al cloruro de hidrógeno?
- Usted puede respirar aire que contiene muy bajos niveles de cloruro de hidrógeno gaseoso. Las liberaciones de cloruro de hidrógeno de fuentes naturales (por ejemplo de erupciones volcánicas) y otras liberaciones son removidas por la lluvia, limitando así las posibilidades de exposición a niveles altos de este compuesto por inhalación de aire ambiental.
- El cloruro de hidrógeno es usado para producir otras sustancias químicas. También tiene otros usos como por ejemplo tratar metales, refinar minerales, procesar alimentos, manufacturar abonos y tinturas, y en las industrias textiles y del caucho. Los trabajadores en estas ocupaciones pueden inhalar cloruro de hidrógeno o tener contacto con la piel.
- Los materiales para soldar a menudo contienen cloruro de hidrógeno y usted podría exponerse durante el uso de estos productos.
¿Cómo puede perjudicar mi salud el cloruro de hidrógeno?
El cloruro de hidrógeno es irritante y corrosivo para cualquier tejido con el que tiene contacto. La exposición breve a bajos niveles produce irritación de la garganta. La exposición a niveles más altos puede producir respiración jadeante, estrechamiento de los bronquiolos, coloración azul de la piel, acumulación de líquido en los pulmones y aun la muerte. La exposición a niveles aun más altos puede producir hinchazón y espasmos de la garganta y asfixia. Alguna gente puede sufrir una reacción inflamatoria al cloruro de hidrógeno. Esta condición es conocida como síndrome de malfuncionamiento reactivo de las vías respiratorias (RADS, por las siglas en inglés), que es un tipo de asma causado por ciertas sustancias irritantes o corrosivas.
Dependiendo de la concentración, el cloruro de hidrógeno puede producir desde leve irritación hasta quemaduras graves de los ojos y la piel. La exposición prolongada a bajos niveles puede causar problemas respiratorios, irritación de los ojos y la piel y descoloramiento de los dientes.
No sabemos si la exposición al cloruro de hidrógeno puede afectar la reproducción.
¿Qué posibilidades hay de que el cloruro de hidrógeno produzca cáncer?
Ni el Departamento de Salud y Servicios Humanos (DHHS) ni la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC, por sus siglas en inglés) ni la EPA han clasificado al cloruro de hidrógeno en cuanto a su carcinogenicidad. La IARC considera que el ácido clorhídrico no es clasificable en cuanto a su carcinogenicidad en seres humanos.
¿Cómo puede el cloruro de hidrógeno afectar a los niños?
Es probable que la exposición al cloruro de hidrógeno afecte a los niños de la misma manera que a los adultos. No sabemos si los niños difieren de los adultos en su susceptibilidad al cloruro de hidrógeno. En general, los niños pueden ser más vulnerables a agentes corrosivos que los adultos debido al menor diámetro de sus vías respiratorias.
No sabemos si la exposición al cloruro de hidrógeno puede producir defectos de nacimiento u otros efectos sobre el desarrollo.
¿Cómo pueden las familias reducir el riesgo de exposición al cloruro de hidrógeno?
- La mayoría de las familias no estarán expuestas a niveles significativos de cloruro de hidrógeno gaseoso.
- Los productos domésticos que contienen ácido clorhídrico deben guardarse en envases seguros, en lugares seguros, fuera del alcance de los niños.
¿Hay algún examen médico que demuestre que he estado expuesto al cloruro de hidrógeno?
Los exámenes específicos para determinar la presencia de cloruro de hidrógeno en la sangre o la orina generalmente no son de utilidad. Si ha ocurrido una exposición grave, los análisis de sangre y de orina y otros exámenes pueden indicar si ha ocurrido daño de los pulmones o del tracto gastrointestinal. Algunos de estos exámenes pueden llevarse a cabo en el consultorio del doctor, mientras que otros, pueden requerir una visita al hospital.
¿Qué recomendaciones ha hecho el gobierno federal para proteger la salud pública?
La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. (OSHA, por sus siglas en inglés) ha establecido un límite de 5 partes de cloruro de hidrógeno por millón de partes de aire (5 ppm) en el trabajo.
3.
a) Hacer una tabla con las propiedades físicas del ácido nítrico (punto de ebullición y de congelación, solubilidad en agua composición azeotrópica a presión atmosférica, etc.);
Acido Nítrico:
SECCIÓN IX – PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
FORMA Y APARIENCIA: Líquido claro traslúcido ligeramente amarillento, fumante
OLOR: Asfixiante
UMBRAL DE OLOR: 0.75mg/m³ pH: Ca. 0
PUNTO DE FUSIÓN: -41.6°C
PUNTO DE EBULLICIÓN : 83°C
PUNTO DE INFLAMACIÓN: No inflamable
TASA DE EVAPORACIÓN: No disponible
TEMP. DE AUTOIGNICIÓN: No inflamable
INTERVALO DE EXPLOSIVIDAD: No inflamable
PRESIÓN DE VAPOR (20°C): 63.1mmHg (8.41kPa)
DENSIDAD VAPOR (AIRE=1): 2
DENSIDAD (25°C): 1.51g/cm3
SOLUBILIDAD (EN AGUA, 20°C): Muy soluble
COEF. DE REPARTO (pKo/w): No disponible VISCOSIDAD (cP): 0.617 a 40°C
FORMA Y APARIENCIA: Líquido claro traslúcido ligeramente amarillento, fumante
OLOR: Asfixiante
UMBRAL DE OLOR: 0.75mg/m³ pH: Ca. 0
PUNTO DE FUSIÓN: -41.6°C
PUNTO DE EBULLICIÓN : 83°C
PUNTO DE INFLAMACIÓN: No inflamable
TASA DE EVAPORACIÓN: No disponible
TEMP. DE AUTOIGNICIÓN: No inflamable
INTERVALO DE EXPLOSIVIDAD: No inflamable
PRESIÓN DE VAPOR (20°C): 63.1mmHg (8.41kPa)
DENSIDAD VAPOR (AIRE=1): 2
DENSIDAD (25°C): 1.51g/cm3
SOLUBILIDAD (EN AGUA, 20°C): Muy soluble
COEF. DE REPARTO (pKo/w): No disponible VISCOSIDAD (cP): 0.617 a 40°C
b) hacer una lista general de reacciones de ácido nítrico con metales y cuáles son los productos de reacción (observar que dependen de la concentración y la temperatura; consultar el trabajo de laboratorio correpondiente).
no hicimos el tp de laboratorio aun.
más información:
1) 4M + 10HNO3 -> 4M(NO3)2 + 5H2O + N2O
2) 3M + 8HNO3 -> 3M(NO3)2 + 4H2O + 2NO
3) 2M + 6HNO3 -> 2M(NO3)2 + 3H2O + N2O3
4) M + 4HNO3 -> 4M(NO3)2 + 2H2O + NO2
5) 5M + 12HNO3 -> 5M(NO3)2 + 6H2O + N2
6) 8M + 18HNO3 -> 8M(NO3)2 + 6H2O + 2NH3
7) 6M + 14HNO3 -> 8M(NO3)2 + 4H2O + 2NH2OH
4.
a) ¿En que se basa el método de Ostwald de obtención de ácido nítrico? Escribir las ecuaciones químicas correspondientes;
NH3 + O2 -> NO + H2O
En un horno reactor a 900ºC se lleva a cabo la reacción de oxidación del amoníaco con oxigeno generalmente del aire. La reacción es catalizada con membranas de platino dentro del reactor.
Se debe retirar el agua, y el gas se separa y se envía a una segunda cámara de oxidación.
2NO + O2 -> 2NO2
NO2 -> N2O2
En una segunda cámara de oxidación se procede a oxidar el nitrógeno a valencias superiores.
El producto de la cámara es enviado a torres de absorción en las que se hace subir el NO2 y se hace llover H2O caliente o vapor para generar la siguiente reacción:
3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO
Por la parte superior de la torre se extrae una mezcla de gases que contienen NO2 que no reaccionó, NO, etc, mientras que en los colectores de la torre se obtiene H20 con HNO3 disuelto.
Podríamos resumir el método como la oxidación catalizada a 900ºC de amoníaco a oxidos nitrosos, y la absorción de los mismos con agua para obtener acido nítrico.
b) Dibujar un diagrama de flujo simplificado para la obtención de ácido nítrico, con las referencias habituales (temperaturas, presiones, reacciones químicas, catalizadores, etc.);
1-
Aire libre de polvo (O2) y amoníaco seco (NH3) reaccionan en una cámara con membranas de platino y rodio (Pt y Rh) que catalizan la reacción.
La reacción se lleva a cabo a entre 700 y 800 ºC
La presión es de al rededor de 5 atm.
los filtros son importantes para no envenenar el catalizador.
A pesar de esto, deben ser reemplazados. en una de las fuentes la planta reemplazaba las mayas catalizadoras cada 3 o 4 meses. Las mismas son (obviamente) recicladas.
4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6 H2O
El gas de oxido nítrico con agua se enfría a 50ºC y el agua condenza y es separada.
Ahora seco, el oxido nítrico entra en una cámara de oxidación donde se le agrega oxigeno para obtener:
2NO + O2 -> 2NO2
Luego el dioxido de nitrogeno entra en una torre de abrorsión. En una de las fuentes muestran que la torre esta llena de cuarzo resistente al acido, y el gas se ingresa por la parte inferior mientras que se ingresa agua caliente por la parte superior.
Así se obtiene la reacción:
4NO2 + 2H2O + O2 -> 4HNO3
En la parte inferior de la torre se obtiene acido nítrico, en la parte superior gases que son reciclados en el proceso.
Se obtiene segun una de las fuentes al 69% de pureza, diluido en agua.
c) ¿cuáles son las modificaciones más comunes al método de Ostwald; señalar sus ventajas.
fuente:
https://www.youtube.com/watch?v=FIxz7biiIG0
En este caso real el amoníaco viene en forma liquida y debe ser evaporado primero. Se aprovecha esta etapa para mezclarlo con aire.
El amoníaco se produce cerca, en la misma planta.
Síntesis
https://www.youtube.com/watch?v=FIxz7biiIG0
En este caso real el amoníaco viene en forma liquida y debe ser evaporado primero. Se aprovecha esta etapa para mezclarlo con aire.
El amoníaco se produce cerca, en la misma planta.
5.
a) ¿Cómo se almacena y transporta el HNO3?;
Segun la fuente:
Almacenar en lugares fríos, secos y bien ventilados. Mantégase alejado de álcalis, metales,
productos orgánicos, material oxidable y, en general, de los productos mencionados en las Propiedades
Químicas.
El ácido nítrico en todas sus concentraciones debe ser almacenado en tambos y tanques de
acero inoxidable, pero si la concentración es mayor de 80 % puede hacerse en recipientes de aluminio.
Para cantidades pequeñas pueden utilizarse recipientes de vidrio protegidos con latas metálicas y
empacadas en cajas o barriles de madera.
b) ¿Cuáles son sus aplicaciones más importantes?;
Las dos principales aplicaciones del acido nítrico se derivan de su reacción con el amoníaco:
NH3 + HNO3 -> NH4NO3
que es un precursor de fertilizantes (el 80% del acido nítrico mundial se usa para producir fertilizantes, segun una de las fuentes citadas) o explosivos, entre otras aplicaciones.
c) comentar brevemente las propiedades características de los siguientes compuestos del nitrógeno y su relación con el HNO3: HNO2, N2O, NO, NO2, N2O4, N2O3, N2O5.
HNO2: Acido Nitroso
Síntesis
Descomposición
El ácido nitroso es bastante inestable, y se descompone rápidamente a óxido de nitrógeno (lV), óxido de nitrógeno (II) y agua cuando se encuentra en solución:
- 2 HNO2 → NO2 + NO + H2O
- 4 HNO2 → 2 HNO3 + N2O + H2O
- La relación es clara: el acido nitroso es inestable y produce acido nitrico o sus precursores espontaneamente en su descomposición.
Relación:
N2O: Oxido Nitroso
gas de la risa
El óxido de nitrógeno (I) se genera convenientemente por la termólisis controlada del nitrato amónico o por reacción de amoníaco con ácido nítrico. Hay que controlar bien las condiciones de esta reacción porque existe el peligro de explosión. El óxido de nitrógeno (I) se forma también en condiciones anaeróbicas a partir de abonos minerales en el suelo. Es un gas que contribuye al efecto invernadero y tiene una permanencia media de 100 años en la atmósfera. Actualmente se atribuye el 5 % del efecto invernadero artificial a este gas. Además ataca la capa de ozono, reduciendo el ozono a oxígeno molecular y liberando dos moléculas de monóxido de nitrógeno.
Hoy en día este gas es utilizado en automóviles convencionales modificados. La cadena molecular del gas se rompe durante la combustión en la cámara, a unos 275 °C de temperatura, produciendo un aumento del oxígeno (sobrealimentación) disponible para la combustión con el consecuente aumento de potencia. Así mismo el nitrógeno liberado presente en la cámara actúa como un amortiguador térmico tras el aumento de energía liberada
NO: Oxido nítrico
Es un precursor. Se lo debe oxidar a NO2 para poder ser absorbido por el agua en la torre de absorción en el método de ostwald.
NO2, N2O4, N2O3, N2O5:
Oxidos superiores del nitrógeno, que reaccionan con el agua de la torre de absorción para obtener acido nitrico.
6. Ajustar las siguientes ecuaciones químicas:
a) Cu + HNO3 = Cu(NO3)2 + NO + H2O
2Cu + 6HNO3 -> 2Cu(NO3)2 + 2NO + 3H20
b) HNO2 = NO + NO2 + H2O
2HNO2 -> NO + NO2 + H2O
7. Como se sabe, tanto el ácido nítrico como el ácido clorhidrico son ácidos “fuertes”:
a) calcular la concentración de iones oxonio en una solución obtenida a partir de 200 mL de HCl 0,01 M y 300 mL de HNO3 0,04 M (considerar despreciable el cambio de volumen que se produce al preparar la solución final);
Acidos fuertes:
HCl (aq) -> H+ + Cl-
HNO3 (aq) -> H+ + NO3-
Se asume disociación completa.
Resultado:
0,014mol/0,5l=
0,028M
b) calcular la concentración de NO3 - , Cl- y HO- en la solución.
[CL-]=0,004M
[NO3-]=0,024M
[OH-]=10^(-7)/[H+]= 3,54*10^(-15)M
8. La obtención de sales solubles en agua suelen implicar un proceso y un conjunto de operaciones comunes a todas ellas:
a) resumir el procedimiento;
Acido + Base -> Sal + Agua
AKA Neutralización.
b) dar ejemplos (con ecuaciones químicas) para la obtención de: nitrato de calcio (método de la BASF), sulfato de amonio y nitrato de amonio.
(agradecería ayuda con BASF, no entontré mucho)
Nitrato de calcio
2 HNO3 + Ca (OH) 2 → Ca (NO3) 2 + 2 H2O
Sulfato de amonio
2NH4OH + H2SO4 => (NH4)2SO4
Nitrato de amonio
9.
a) Buscar las palabras que correspondan en el diccionario de la Real Academia (www.rae.es) y concluir si es lo mismo abonar que fertilizar el suelo,
Fertilizar: Hacer que la tierra sea fértil o más fértil.
Abonar: Echar en la tierra laborable o sobre las plantas sustancias que mejoren su fertiliad.
Fertilizar no necesariamente implica agregar sustancias a la tierra, mientras abonar si lo implica.
b) ¿por qué los compuestos nitrogenados son fertilizantes?,
Porque el nitrógeno, si bien es abundante en la naturaleza, no es absorbible por las plantas en su estado gaseoso.
A pesar de eso es sumamente necesario para el crecimiento de las plantas, por lo que suele ser un nutriente limitante en las plantaciones.
c) ¿hay fertilizantes naturales?; explicar.
Fertilizantes como la materia vegetal compostada, las cenizas, etc son abonos que se pueden producir en la naturaleza por eventos naturales.
10. ¿Qué porcentaje de nitrógeno hay en las siguientes sales:
a) nitrato de calcio trihidratado,
b) nitrato de calcio pentahidratado,
c) nitrato de amonio,
d) sulfato de amonio,
e) urea, CO(NH2)2.
11. Explicar en forma simplificada el proceso industrial para obtención de nitrato de calcio.
Formas de obtención de Nitrato de Calcio
El Nitrato de Calcio es un compuesto químico formado por nitrógeno, oxígeno y calcio.
Para obtener este compuesto se lo realiza de diversas formas:
Es producida por el tratamiento de la piedra caliza con ácido nítrico, seguida de una
neutralización con amoníaco:
CaCO3(s) + 2 HNO3(ac) → Ca (NO3)2(s) + CO2(g) + H2O(l)
También es un subproducto del proceso de Odda para la extracción de fosfato de calcio, lo
que es el caso de la producción en Porsgrunn:
Ca3 (PO4)2(s) + 12 HNO3(ac) → H2O(l) +2 H3PO4(l) + 3 Ca (NO3)2(s) + 12 H2O(l)
También puede ser preparado a partir de una solución acuosa de nitrato de amonio e
hidróxido de calcio:
2 NH4NO3(ac) + Ca(OH)2(s) → Ca (NO3)2(s) + 2 NH4OH(ac)
Como el metal alcalino-térreos relacionados nitratos (así como LiNO3), Nitrato de Calcio se
descompone al calentarse y la liberación de dióxido de nitrógeno:
Ca (NO3)2(s) → 2 CaO(s) + 4 NO2(g) + O2(g)
12. El nitrato de amonio es una sustancia explosiva de uso civil y militar:
a) escribir la ecuación química para la reacción de descomposición explosiva
El nitrato de amonio en combinación con un derivado del petróleo, da lugar a un explosivo llamado ANFO (ammonium nitrate fuel oil), que ha sido usado en ataques terroristas, por ejemplo el atentado a la AMIA en Argentina en el año 1994, entre otros. El ANFO también es usado por empresas mineras o empresas de demoliciones, dado que es un explosivo muy barato, fácil de conseguir y bastante seguro. La proporción de nitrato de amonio y el derivado del petróleo es variable, pero por lo general está en el entorno de 90 a 97 % de nitrato de amonio y 3 a 10% de keroseno u otro derivado.
Lee todo en: El Nitrato de Amonio | La Guía de Química http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/el-nitrato-de-amonio#ixzz4gRfY5e6B
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