2q 08 quimica descriptiva(químicaindustrial)

1. 1
Química industrial
Unidad 08 (cont.)

2. 2
Contenidos (1).
1.-Materias primas y productos químicos.
2.-Diferencias entre la química de
laboratorio y la química industrial.
3.-Productos básicos en la industria.

3. 3
Contenidos (2).
4.-Procesos representativos en la química
industrial.
4.1.Método de contacto en la obtención de ácido
sulfúrico.
4.2.Síntesis de Haber de amoniaco.
4.3.Obtención de ácido nítrico por oxidación catalítica
de amoniaco.

4. 4
Contenidos (3).
5.-Obtención, principales reacciones y
propiedades de algunas sustancias químicas:
5.1. Ácido sulfúrico.
5.2. Amoniaco,
ácido nítrico.
6.-Repercusiones socioeconómicas e
impacto medioambiental de la industria
(trabajo bibliográfico).

5. 5
Materias primas y productos
químicos.
Son muy abundantes.
Principales materias primas:
–Aire
–Minerales
–Carbón
–Petróleo y gas natural.
 A partir de las mismas se forman los
“intermedios de síntesisintermedios de síntesis”, productos básicos
para la obtención de la mayoría de otros
productos industriales..

6. 6
Materias primas

7. 7
Abundancia
relativa de
elementos en
la corteza
terrestre

8. 8
Características de la química
industrial
Está marcada por su rentabilidad económica
(incluyendo el tiempo).
Busca un equilibrio entre el rendimiento y los costes
del método utilizado.
Suele utilizar elevadas condiciones de presión 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.

9. 9
Esquema del proceso de
producción industrial
MATERIAS PRIMAS
PROCESO INDUSTRIAL
PRODUCTOS
Subproductos
Residuos
Utilización MERCADO

10. 10
Productos básicos (Intermedios
de síntesis)
H
2SO
4
O
2
N
2
Na
2
CO
3
NaOH
Cl
2
CH
2=CH
2
NH
3
C
6H
6
Fertilizantes, HCl, metales, detergentes,
colorantes, pinturas. Papel, fármacos,
explosivos...
Acero, ozono, papel, fármacos...
NH
3
, metales, abonos...
Vidrio, NaOH, jabones, textil...
Papel, aluminio, lejía, derivados de petróleo...
HCl, disolventes, blanqueantes, insecticidas...
Plásticos, fármacos, fibras...
Fertilizantes, plásticos, explosivos...
Disolventes, colorantes...

11. 11
PRODUCTOS QUÍMICOS DE
INTERÉS INDUSTRIAL
Ácido sulfúrico
Amoniaco
Ácido nítrico
Cloro
Ácido clorhídrico

12. 12
ÁCIDO SULFÚRICO (H
2
SO
4
)
Se conoce desde el siglo XIII, con el
nombre de aceite de vitriolo.
Sin embargo, la fabricación industrial
sólo se inicio a mediados del siglo
XVIII.

13. 13
Características generales
Es un producto industrial de gran importancia que
tiene aplicaciones muy numerosas.
Es una agente oxidante y deshidratante.
Es un líquido incoloro, inodoro, denso
(d=1’84g/cm
3
) y de fuerte sabor a vinagre, es muy
corrosivo y tiene aspecto oleaginoso (aceite de
vitriolo).
Se solidifica a 10 ºC y hierve a 290 ºC.
Es soluble al agua con gran desprendimiento de
calor.

14. 14
Obtención del H
2
SO
4
Se utilizan dos métodos fundamentales:
–Cámaras de plomo. Prácticamente en desuso
hoy por obtener concentraciones de H
2
SO
4
no
superiores al 80 %.
–De Contacto
En ambos métodos se parte del SO
2
que se
obtiene a partir de la pirita o del azufre natural,
seguida de su oxidación e hidratación.
–4 FeS
2
+ 11 O
2
® 8 SO
2
+ 2 Fe
2
O
3
–S + O
2
® SO
2

15. 15
Método de contacto
Etapa 1: 2 SO
2
+ O
2
® 2 SO
3
–Al ser exotérmica esta reacción debe realizarse a
temperatura poco elevada; la velocidad de reacción es,
por tanto muy pequeña y se tiene que emplear un
catalizador (platino u óxidos de metales).
Tiene un rendimiento mayor y se utiliza para
preparar ácido muy concentrado (fumante) u óleum
(normalmente al 98 %).
 Etapa 2:SO
3
+ H
2
SO
4
® H
2
S
2
O
7
 H
2
S
2
O
7
+ H
2
O

®2 H
2
SO
4

16. 16
Método de contacto
En la actualidad se usa el método de contacto que
ha sustituido al de las cámaras de plomo.
A partir de las materias primas, azufre/pirita y
oxígeno, se obtiene el SO
2
.
S (s) + O
2
(g)

® SO
2
(g)

4

FeS
2
(s) + 11 O
2
(g)

® 8 SO
2
(g)

+ 2Fe
2
O
3
(s)
 Éste método tiene un rendimiento máximo en
fabricar SO
3
a partir de SO
2
por la relación:
 2 SO
2
(g)

+ O
2
(g)

 2 SO
3
(g)

17. 17
Producción de ácido sulfúrico
(cont).
Al ser exotérmica esta reacción debe realizarse a
temperatura poco elevada; la velocidad de reacción
es, por tanto muy pequeña y se tiene que emplear
un catalizador (platino u óxido de vanadio).
 Pt/V
2
O
5
2 SO
2
+ O
2
¾¾¾® 2 SO
3
Se obtiene un mayor rendimiento si en vez de
adicionar agua directamente, formamos como
producto intermedio el ácido disulfúrico:
 SO
3
+ H
2
SO
4
¾¾® H
2
S
2
O
7
H
2 S
2 O
7 + H
2 O ¾¾® 2 H
2 SO
4

18. 18
Producción de H
2
SO
4
.

19. 19
Aplicaciones
Sirve para la preparación de la mayor parte de
los ácidos minerales y orgánicos, de los sulfatos
de hierro, de cobre y de amonio, empleados en
la agricultura, de los superfosfatos y de los
alumbres.
El ácido diluido con agua se utiliza en la
depuración de aceites y benzoles, en la
refinación del petróleo, en el decapado de los
metales y también en pilas y acumuladores.

20. 20
AMONIACO (NH
3
)
Los alquimistas medievales lo obtenían
calentando en retornas pezuñas y cuernos y
recogiendo en agua el gas desprendido.
Otros lo conseguían calentando orina con sal
común y tratando el producto con álcalis.
En 1785, Berthollet demostró que el amoníaco es
un compuesto de nitrógeno e hidrógeno.
El amoníaco se encuentra donde hay
descomposición de materia orgánica como
consecuencia de las alteraciones químicas que
experimentan las sustancias nitrogenadas.

21. 21
Características generales
Es un gas incoloro de característico olor sofocante.
Puede licuarse a temperaturas ordinarias
Es muy soluble en agua y el volumen del líquido
incrementa notablemente; .
Tiene carácter básico:
–NH
3
+ H
2
O Û NH
4
+
+OH
–
A partir de los 500 ºC empieza a descomponerse
en N
2
y H
2.

22. 22
Síntesis catalítica
( Proceso Haber )
N
2
+ 3 H
2


2NH
3
; DH = –92,4 kJ
El rendimiento del amoníaco disminuye al
aumentar la temperatura, pero la reacción es muy
lenta por eso se necesita un catalizador (una
mezcla con hierro, molibdeno y Al
2
O
3
)
.
La temperatura de compromiso es de 450 ºC.
Para que se aproveche industrialmente la reacción
ha de realizarse a altas presiones (200 a 1000
atm).
El hidrógeno y el nitrógeno que se usan deben ser
puros, para evitar el envenenamiento del
catalizador.

23. 23
Producción de amoniaco

24. 24
Aplicaciones
Es uno de los productos químicos de mayor
utilización industrial.
Se usa en la fabricación de fertilizantes, fibras,
plásticos, pegamentos, colorantes explosivos,
productos farmacéuticos y ácido nítrico.
La disolución del amoníaco se suele emplear en
usos domésticos .
También se utiliza en sopletes oxhídricos, en
máquinas frigoríficas y en la fabricación del
hielo.

25. 25
ÁCIDO NÍTRICO (HNO
3
)
El ácido nítrico fue conocido en la antigüedad; los
alquimistas le llamaban agua fuerte, nombre por el
que aún 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 ácido de
mayor punto de ebullición.
Cavindish, en 1785, lo obtuvo por acción de la
chispa eléctrica en una mezcla de nitrógeno y
oxígeno húmedos en determinadas proporciones.

26. 26
Características generales
Líquido incoloro a temperatura ambiente.
Se mezcla con el agua en todas las proporciones.
Punto de fusión : -41’3ºC.
Punto de ebullición: 86ºC.
Es oxidante y corrosivo.
Es inestable, pues el líquido está parcialmente
disociado en N
2
O
5
(g) (que produce humo en el aire
húmedo) y en agua.

27. 27
Estado natural
No se encuentra en la naturaleza en estado natural.
En cambio, son muy comunes sus sales derivadas,
los nitratos.
 Los más importantes son:
–el nitro de Chile [NaNO
3
]
–el nitro de Noruega [Ca (NO
3
)
2
]
–el salitre [ KNO
3
]

28. 28
Industria química
El ácido nítrico es un producto esencial en la
industria orgánica. Se usa en la fabricación de
colorantes y explosivos (TNT).
Sus sales (nitratos) se usan como fertilizantes.
En principio se obtenía tratando el KNO
3
o el
NaNO
3
con ácido sulfúrico, pero el rendimiento
no era el óptimo:
KNO
3
+ H
2
SO
4
® HNO
3
+ KHSO
4

29. 29
Procesos actual de obtención
(Método Ostwald)
Consiste en la oxidación catalítica del amoniaco
con aire enriquecido con oxígeno con arreglo al
esquema:
4 NH
3
+ 5 O
2
® 4 NO + 6 H
2
O
Posteriormente el NO se oxida a NO
2
y éste
reacciona con agua formando ácido nítrico:
2 NO + O
2
® 2 NO
2
3 NO
2
+ 6 H
2
O ® 2 HNO
3
+ NO
El NO se recupera y se obtiene más ácido nítrico.
El rendimiento de este proceso es de un 99%, un
97% mayor que el anterior.

30. 30
CLORO (Cl
2
)
Método de obtención
El cloro se presenta en la naturaleza principalmente
como cloruro (unido al sodio, potasio y magnesio).
Otro compuesto importante del cloro es el ácido
clorhídrico.
En la actualidad, se fabrica el cloro principalmente
por electrólisis cloroalcalina (salmuera de cloruro de
sodio). En dicha reacción también se desprende H
2.
También puede obtenerse por el método de Downs
usando cloruro de sodio fundido. En dicha reacción
también se forma el metal sodio.

31. 31
Electrólisis del cloruro de
sodio acuoso (salmuera) .
Se obtiene de forma barata cloro e hidróxido de
sodio, pero no sodio metálico.
El NaCl se encuentra completamente ionizado, por
lo que la solución contendrá los siguientes iones.
NaCl(ac)

® Na
+
+ Cl
–
; H
2
O(l) ® H
+
+ OH
–
 La reacción que se dará en el ánodo es:
2 Cl
–
(ac) – 2e
–
® Cl
2
(g)­.
Y en el cátodo: 2 H
2
O(l) ® H
2
(g)­ + 2 OH
–
(ac)
El Na
+
no participa en la reacción, pues es más
fácil la reducción del agua.

32. 32
Electrólisis del cloruro de sodio
fundido (método Downs).
Calentar en una cuba electrolítica el NaCl por
encima de su temperatura de fusión, e introducimos
dos electrodos inertes de grafito en la cuba.
Los iones negativos serán atraídos por el electrodo
positivo o ánodo: 2 Cl
–
– 2e
–
® Cl
2
(g)­.
Mientras que los iones positivos, serán atraídos por
el electrodo negativo o cátodo:
2 Na
+
+ 2 e
–
® 2 Na¯.
Depositándose en el fondo de la cuba el sodio
metálico.
Reacción global: 2 NaCl(l) ® Cl
2
(g)­ + 2 Na¯

33. 33
Electrólisis del cloruro de
sodio fundido (esquema).

34. 34
Aplicaciones
El cloro tiene aplicaciones muy variadas en la
industria química.
Por ejemplo, en la fabricación de productos
orgánicos clorados (material plástico o sintético,
disolventes, insecticidas, herbicidas), en la
industria de la celulosa y del papel y en las
lavanderías como agente de blanqueo.
También se adiciona como desinfectante al agua
potable y al agua de las piscinas de natación.

35. 35
Efectos en mamíferos
(hombre)
El cloro es un gas tóxico extremadamente
cáustico. Los síntomas de intoxicación posterior
a la inhalación son irritación de las mucosas de
las vías respiratorias con dificultad para
respirar, tos con esputos sanguinolentos y
pulso lento. Las exposiciones reiteradas o
prolongadas producen acostumbramiento al
olor y a la irritación en el ser humano. Puede
haber presentación tardía de los síntomas. El
cloro líquido tiene efecto muy cáustico sobre la
piel.

36. 36
Efectos en plantas
Cuando se describen los efectos perjudiciales
que produce en las plantas, estos se refieren en
general al impacto de los cloruros, si bien las
plantas también absorben el gas de cloro del
aire a través de sus hojas. Esto destruye los
tejidos vegetales, en parte por oxidación y en
parte por expulsión del hidrógeno en los
compuestos orgánicos.

37. 37
Impacto medioambiental
Agua: El cloro se encuadra en las sustancias
clasificadas como “Amenaza para el agua”. Destruye
toda vida acuática; bactericida mientras se verifique la
presencia de cloro libre. El cloro reacciona con el agua
formando cloruro de hidrógeno. El cloro corroe diversos
materiales en presencia de humedad.
Aire: Cuando el gas de cloro (a presión) se expande,
forma nieblas frías más densas que el aire; sobre la
superficie de las aguas se forman en el aire mezclas
tóxicas y cáusticas (corrosivas).
Suelo: En el suelo solamente se encuentra el cloro en
forma ionizada en sus sales (cloruros).

38. 38
ÁCIDO CLORHÍDRICO (HCl)
Propiedades y precauciones
El clorhídrico es un ácido inorgánico fuerte.
Es un ácido 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 vías
respiratorias. La inhalación de sus vapores puede
provocar dificultades de respiración. Es el segundo
ácido en importancia industrial, después del ácido
sulfúrico.

39. 39
Obtención de HCl
El método más utilizado para la obtención de
ácido clorhídrico es la síntesis directa,
quemando hidrógeno en una atmósfera de
cloro:
H
2
+ Cl
2
® 2 HCl

40. 40
Aplicaciones
Tiene muchas aplicaciones en la industria
farmacéutica, fotográfica, alimenticia y textil.
Se utiliza en la fabricación de abonos, en la
obtención de colorantes, curtido de pieles,
como agente de hidrólisis, catalizador de
reacciones, síntesis orgánica, ...

41. 42
Etiquetas de productos
químicos.

42. La síntesis de fertilizantes nitrogenados
tiene como base inicial la obtención del amoniaco
a partir de sus elementos. a)a) Escriba dicha reacción de
obtención. b)b) Aunque la reacción es exotérmica, a escala
industrial se lleva a cabo a temperaturas elevadas. Explique los
efectos termodinámicos y cinéticos de este hecho. c)c) Si se
utilizase el aire directamente como materia prima, ¿se podría
obtener algo más que amoniaco en la reacción? Razone la
respuesta. d)d) ¿Por qué tiene importancia socioeconómica el
desarrollo de procesos que faciliten la obtención del amoniaco
con un buen rendimiento?
Cuestión
Selectividad
(Junio 98)
Cuestión
Selectividad
(Junio 98)
Cuestión
Selectividad
(Septiembre 98)
Cuestión
Selectividad
(Septiembre 98)
Cuestión
Selectividad
(Junio 98)
Cuestión
Selectividad
(Junio 98)

43. La urea CO(NH
2
)
2
se utiliza como fertilizante
nitrogenado y se obtiene a partir de CO
2
y NH
3
.
a)a) Escribe la reacción de obtención ajustada, sabiendo que
además de urea se produce H
2
O; b)b) Escribir las reacciones de
obtención del CO
2
y del NH
3
;
c)c) Cuáles serían los materiales
existentes en la naturaleza de los que se partiría para poder
fabricar urea. Si el coste de la urea para el fabricante fuese de
10000 pts/tonelada, el de CO
2
2000 pts/tonelada, el del
amoniaco 6000 pts/tonelada. ¿Cuánto costaría la fabricación
de una tonelada de urea?
CO
2
+ 2 NH
3
® CO(NH
2
)
2
+ H
2
O
Cuestión
Selectividad
(Septiembre 97)
Cuestión
Selectividad
(Septiembre 97)

44. Los elementos constitutivos de los
combustibles derivados del petróleo son los
siguientes: carbono, hidrógeno, azufre, nitrógeno y oxígeno.
a)a) Razone cuáles son los productos resultantes de la
combustión con aire de los elementos citados. b)b) Indique
cuáles de dichos productos son perjudiciales para el medio
ambiente así como los principales efectos sobre el mismo.
Cuestión
Selectividad
(Reserva 98)
Cuestión
Selectividad
(Reserva 98)

45. El esquema de obtención industrial del ácido
nítrico puede resumirse en las siguientes etapas:
I.- 4NH
3
+ 5O
2


4NO + 6H
2
+ 6H
2
O; DH=–903.7 kJ
II.- 2NO + O
2  2NO
2 ;DH= –113.36 kJ
III.- 3NO
2
+ H
2
O  2HNO
3
+ NO
O
2
NO HNO
3


O
2


Cámara
Reactor NO Refrigerante NO
2
de
NH
3
hidratación
a)a) Escriba los números de oxidación del nitrógeno en cada uno de
los compuestos. b) b) Explique que tipo de reacción redox se
produce en cada una de las etapas del proceso. c)c) Como
afectaría un aumento de presión y de temperatura en los
equilibrios I y II. d)d) Observe el esquema adjunto y razone si las
etapas I y II se realizan a diferentes temperaturas.
Cuestión
Selectividad
(Junio 97)
Cuestión
Selectividad
(Junio 97)

46. 47 La producción industrial de agua de cloro se
basa en la reacción de agua de cloro formándose
los iones hipoclorito y cloruro, de manera que la disolución
resultante se puede emplear como agente blanqueante y
desinfectante debido al carácter oxidante del ion hipoclorito
formado. a)a) Escriba y ajuste la reacción. Explique
razonadamente de qué tipo de reacción se trata. b)b) ¿Cómo se
modificaría el rendimiento de la reacción si se adiciona una
base?
Ejercicio de
Selectividad
(Septiembre 99)
Ejercicio de
Selectividad
(Septiembre 99)

47. 48Las centrales térmicas (para producir energía
eléctrica) son fuentes puntuales de SO
2
,
dependiendo la cuantía de las emisiones de dicho gas del tipo
de combustible, como se observa en la tabla siguiente:
Explique: a)a) ¿Cuál de
los tres combustibles
contamina más la
atmósfera? b)b) ¿Cuál
de ellos acidifica menos
los suelos cercanos a
las centrales? c)c) ¿Se produce en las centrales térmicas algún
otro gas con efecto negativo en el medio ambiente? d)d) ¿Por
qué se hacen campañas en las ciudades para cambiar las
calderas de carbón de la calefacción?
Ejercicio de
Selectividad
(Previo 2000)
Ejercicio de
Selectividad
(Previo 2000)
Combustible Emisiones de SO
2

(planta de 1000 MW)
Carbón 93.000 kg/h
Fuel 44.000 kg/h
Gas 2.000 kg/h

48. 49
a)a) El carbón, por ser el que produce más SO
2
, que es
un contaminante.
b) b) El gas,porque al producir menos SO
2
, da lugar a
menos acidez en las aguas de lluvia.
c)c) El CO
2
, (como todos los combustibles), nocivo por
producir efecto invernadero.
d)d) Por ser el carbón el combustible más contaminante.