Tema 56

Els àcids inorgànics d'importància industrial són les matèries primeres bàsiques sobre les quals se sosté bona part de la indústria química mundial. L'àcid sulfúric, el nítric, el clorhídric i el fosfòric —juntament amb altres de ús més especialitzat, com el fluorhídric— intervenen, directament o indirectament, en la fabricació de fertilitzants, explosius, plàstics, detergents, colorants, metalls, aliments i medicaments. No en va el consum d'àcid sulfúric d'un país s'ha usat tradicionalment com a indicador del seu nivell de desenvolupament industrial.

Aquest tema, enquadrat en el bloc de química industrial i aplicada del temari de l'especialitat, integra coneixements d'enllaç químic, equilibri, termodinàmica, cinètica i reaccions àcid-base per a explicar com s'obtenen aquestes substàncies a gran escala, per què la seua estructura determina les seues propietats i quines precaucions exigeix el seu maneig. És, per tant, un tema transversal que mostra la química "en acció" i connecta l'aula amb el món real. Estudiarem successivament el concepte i la rellevància d'aquests àcids, la seua obtenció, la seua estructura, les seues propietats, les seues aplicacions i, finalment, les normes de seguretat en el seu ús i transport.

1. Àcids inorgànics d'importància industrial

Un àcid és, segons la definició de Brønsted-Lowry, una espècie capaç de cedir protons ($\mathrm{H^+}$); segons Arrhenius, augmenta la concentració de $\mathrm{H_3O^+}$ en dissolució aquosa. Els àcids inorgànics es classifiquen en:

• Hidràcids: no contenen oxigen; l'hidrogen s'uneix a un no-metall (per exemple $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HF}$).
• Oxoàcids (oxàcids): contenen oxigen, amb l'estructura general $\mathrm{H_nXO_m}$, on $\mathrm{X}$ és un element central en estat de oxidació positiu (per exemple $\mathrm{H_2SO_4}$, $\mathrm{HNO_3}$, $\mathrm{H_3PO_4}$).

Dels molts àcids existents, uns pocs concentren quasi tota la producció industrial. L'àcid sulfúric ($\mathrm{H_2SO_4}$) és, amb diferència, el producte químic més fabricat del món (centenars de milions de tones a l'any). El segueixen en rellevància l'àcid fosfòric ($\mathrm{H_3PO_4}$), l'àcid nítric ($\mathrm{HNO_3}$) i l'àcid clorhídric ($\mathrm{HCl}$). L'àcid fluorhídric ($\mathrm{HF}$), de menor tonatge, resulta imprescindible en la indústria del fluor i de l'alumini. La seua importància radica en què són productes intermedis: rarament arriben al consumidor final, però són la base d'innombrables processos posteriors.

2. Obtenció

Àcid sulfúric: procés de contacte

El mètode industrial vigent és el procés de contacte, patentat per Peregrine Phillips el 1831 i desenvolupat a escala al llarg del segle XX. Consta de tres etapes químiques:

1) Obtenció de diòxid de sofre, per combustió de sofre elemental o per torrefacció de sulfurs metàl·lics (pirites):

$$\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2} \qquad\qquad \mathrm{4\,FeS_2 + 11\,O_2 \rightarrow 2\,Fe_2O_3 + 8\,SO_2}$$

2) Oxidació catalítica del $\mathrm{SO_2}$ a triòxid de sofre, l'etapa clau, sobre catalitzador de pentòxid de vanadi ($\mathrm{V_2O_5}$) a uns $450\ ^\circ\mathrm{C}$:

$$\mathrm{2\,SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2\,SO_3} \qquad \Delta H < 0$$

És un equilibri exotèrmic i amb disminució del nombre de mols gasosos. Segons el principi de Le Chatelier, es afavoreix a baixa temperatura i alta pressió; en la pràctica es busca un compromís: la temperatura no pot baixar molt o la cinètica es fa inviable, d'ací l'ús de catalitzador i de diversos llits amb refredament intermedi.

3) Absorció del $\mathrm{SO_3}$. No es dissol directament en aigua (formaria una boira àcida difícil de condensar), sinó en àcid sulfúric concentrat, originant òleum ($\mathrm{H_2S_2O_7}$), que després es dilueix:

$$\mathrm{SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7} \qquad \mathrm{H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2\,H_2SO_4}$$

Àcid nítric: procés d'Ostwald

El procés d'Ostwald (Wilhelm Ostwald, 1902) parteix de l'amoníac obtingut per síntesi de Haber-Bosch, la qual cosa enllaça dos dels grans processos de la química industrial. Consta de tres etapes:

$$\mathrm{4\,NH_3 + 5\,O_2 \rightarrow 4\,NO + 6\,H_2O} \qquad \Delta H < 0$$

Aquesta oxidació catalítica de l'amoníac es realitza sobre malles de platí-rodi a uns $900\ ^\circ\mathrm{C}$. A continuació, el monòxid de nitrogen s'oxida i s'absorbeix en aigua:

$$\mathrm{2\,NO + O_2 \rightarrow 2\,NO_2} \qquad \mathrm{3\,NO_2 + H_2O \rightarrow 2\,HNO_3 + NO}$$

El $\mathrm{NO}$ alliberat en l'absorció es recircula. S'obté així àcid diluït (~60 %); per a concentrar-lo es recorre a la destil·lació amb agents deshidratants, perquè forma un azeòtrop amb l'aigua.

Àcid clorhídric

S'obté principalment per síntesi directa a partir de l'hidrogen i el clor produïts en l'electròlisi de salmorra (procés clor-àlcali):

$$\mathrm{H_2 + Cl_2 \rightarrow 2\,HCl}$$

També es genera com a subproducte de la cloració de compostos orgànics. Històricament es va obtindre (mètode de Leblanc) tractant clorur de sodi amb àcid sulfúric:

$$\mathrm{NaCl + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HCl}$$

El gas $\mathrm{HCl}$ es dissol en aigua per a donar l'àcid comercial (salfumant o àcid muriàtic).

Àcid fosfòric

Existeixen dues vies. La via humida, majoritària per a ús en fertilitzants, ataca la roca fosfòrica (fluorapatita) amb àcid sulfúric:

$$\mathrm{Ca_3(PO_4)_2 + 3\,H_2SO_4 \rightarrow 2\,H_3PO_4 + 3\,CaSO_4}$$

El sulfat de calci ("fosfoguix") és un residu voluminós. La via tèrmica, que dona àcid d'alta puresa (grau alimentari), crema fòsfor elemental i després hidrata l'òxid:

$$\mathrm{P_4 + 5\,O_2 \rightarrow P_4O_{10}} \qquad \mathrm{P_4O_{10} + 6\,H_2O \rightarrow 4\,H_3PO_4}$$

Àcid fluorhídric

S'obté tractant fluorita ($\mathrm{CaF_2}$) amb àcid sulfúric concentrat en calent:

$$\mathrm{CaF_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + 2\,HF}$$

3. Estructura

L'estructura molecular explica el comportament àcid. En els oxoàcids, l'àtom central s'uneix a grups $\mathrm{-OH}$ (els hidrògens dels quals són ionitzables) i a oxígens terminals per enllaços amb caràcter doble. Com més oxígens terminals hi ha, major és la deslocalització de la càrrega negativa en la base conjugada i, per tant, major la força de l'àcid. Aquesta tendència es recull en les regles de Pauling, que estimen:

$$pK_{a1} \approx 8 - 5m$$

on $m$ és el nombre d'oxígens terminals (no units a hidrogen).

• $\mathrm{H_2SO_4}$: sofre amb estat d'oxidació $+6$, geometria tetraèdrica; dos grups $\mathrm{S{=}O}$ i dos $\mathrm{S{-}OH}$. És dipròtic. Amb $m = 2$, la regla prediu un pK molt negatiu (àcid fort).
• $\mathrm{HNO_3}$: nitrogen amb estat d'oxidació $+5$, geometria trigonal plana; un grup $\mathrm{N{-}OH}$ i dos enllaços $\mathrm{N{-}O}$ equivalents per ressonància. És monopròtic i, amb $m = 2$, àcid fort.
• $\mathrm{H_3PO_4}$: fòsfor amb estat d'oxidació $+5$, geometria tetraèdrica; un $\mathrm{P{=}O}$ i tres $\mathrm{P{-}OH}$. És tripròtic i, amb $m = 1$, un àcid de força moderada.
• $\mathrm{HCl}$: molècula diatòmica amb enllaç covalent polar; en aigua es dissocia per complet (àcid fort).
• $\mathrm{HF}$: molècula diatòmica, però amb un enllaç $\mathrm{H{-}F}$ molt fort i enllaços d'hidrogen intensos; per això, i tot i ser un hidràcid, es comporta com a àcid feble.

4. Propietats

Àcid sulfúric

Líquid dens, viscós i de punt d'ebullició elevat (~$337\ ^\circ\mathrm{C}$). És un àcid dipròtic fort: la primera ionització és total i la segona, parcial ($K_{a2} \approx 1{,}2 \cdot 10^{-2}$):

$$\mathrm{H_2SO_4 + H_2O \rightarrow H_3O^+ + HSO_4^-} \qquad \mathrm{HSO_4^- + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + SO_4^{2-}}$$

És fortament higroscòpic i deshidratant: extrau els elements de l'aigua de la matèria orgànica, carbonitzant per exemple la sacarosa:

$$\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11} \rightarrow 12\,C + 11\,H_2O}$$

Concentrat i en calent actua a més com a oxidant. La seua dilució és molt exotèrmica, fet de gran importància per a la seguretat.

Àcid nítric

Àcid monopròtic fort i, sobretot, oxidant enèrgic. El pur és incolor, però esgrogueeix en descompondre's per la llum alliberant $\mathrm{NO_2}$. Oxida la majoria dels metalls; el producte de reducció del nitrogen depèn de la concentració:

$$\mathrm{Cu + 4\,HNO_3(conc) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2\,NO_2 + 2\,H_2O}$$ $$\mathrm{3\,Cu + 8\,HNO_3(dil) \rightarrow 3\,Cu(NO_3)_2 + 2\,NO + 4\,H_2O}$$

Sobre el ferro i l'alumini concentrats produeix passivació (capa d'òxid protector). Mesclat amb àcid clorhídric (aigua règia, 1:3) dissol l'or:

$$\mathrm{Au + HNO_3 + 4\,HCl \rightarrow HAuCl_4 + NO + 2\,H_2O}$$

Àcid clorhídric

Dissolució aquosa del gas $\mathrm{HCl}$; és un àcid monopròtic fort i volàtil que forma un azeòtrop al ~20 % (punt d'ebullició $108{,}6\ ^\circ\mathrm{C}$). No és oxidant enfront de la majoria de metalls nobles.

Àcid fosfòric

Àcid tripròtic de força moderada; la seua primera constant és $K_{a1} \approx 7{,}1 \cdot 10^{-3}$. No és oxidant ni volàtil, la qual cosa facilita el seu maneig. En dissolució dona lloc a tres tipus de sals (fosfats, hidrogenofosfats i dihidrogenofosfats), útils com a tampons en bioquímica.

Àcid fluorhídric

Àcid feble ($K_a \approx 6{,}6 \cdot 10^{-4}$) però extraordinàriament perillós. Ataca el vidre i la sílice, per la qual cosa es conserva en recipients de polietilè:

$$\mathrm{SiO_2 + 6\,HF \rightarrow H_2SiF_6 + 2\,H_2O}$$

5. Aplicacions

• Àcid sulfúric ("el rei dels productes químics"): fabricació de fertilitzants (superfosfats, sulfat d'amoni), refinament de petroli, producció d'altres àcids, pigments, detergents, decapatge d'acer i bateries de plom-àcid dels automòbils.
• Àcid nítric: fertilitzants nitrogenats (nitrat d'amoni), explosius (trinitrotoluè, nitroglicerina), reaccions de nitració i síntesi de l'àcid adípic (niló).
• Àcid clorhídric: decapatge de metalls, ajust de pH, producció de PVC i de clorurs, regeneració de resines d'intercanvi iònic, indústria alimentària i acidificació de pous petrolífers.
• Àcid fosfòric: fertilitzants fosfatats (el major ús), acidulant alimentari (additiu E-338, refrescs de cola), detergents, tractament de superfícies metàl·liques i productes farmacèutics.
• Àcid fluorhídric: síntesi de fluorocarbons, obtenció d'alumini (criolita i $\mathrm{AlF_3}$), gravat del vidre, decapatge d'acer inoxidable i enriquiment d'urani (via $\mathrm{UF_6}$).

La connexió amb l'agricultura (fertilitzants) és determinant: els treballs de Justus von Liebig sobre nutrició vegetal i la posterior síntesi de l'amoníac per Fritz Haber foren decisius per al desenvolupament d'aquesta indústria, base de la alimentació de la població mundial.

6. Normes de seguretat en l'ús i transport d'àcids

Tots aquests àcids són corrosius i provoquen cremades greus; alguns són, a més, oxidants o tòxics. El seu maneig es regeix per la normativa europea de classificació, etiquetatge i envasament (Reglament CLP, CE 1272/2008) i de registre i avaluació de substàncies (Reglament REACH, CE 1907/2006), que obliguen a disposar de la fitxa de dades de seguretat (FDS) i a usar els pictogrames GHS (corrosiu GHS05; si escau, oxidant GHS03 o tòxic GHS06).

Ús i emmagatzematge. S'han d'emprar equips de protecció individual (guants, ulleres de seguretat, pantalla facial, bata) i treballar en vitrina de gasos. Una regla bàsica de laboratori és afegir sempre l'àcid sobre l'aigua, mai l'aigua sobre l'àcid, perquè la dilució és molt exotèrmica i l'addició inversa pot projectar esquitxades. L'emmagatzematge exigeix recipients resistents, etiquetatge clar, ventilació i segregació de les bases i dels materials oxidables o combustibles. El fluorhídric mereix atenció especial: penetra en els teixits, provoca hipocalcèmia sistèmica i el seu antídot és el gel de gluconat càlcic; mai es guarda en vidre.

Transport. Es regeix per l'acord internacional ADR (transport de mercaderies perilloses per carretera). Aquests àcids pertanyen a la classe 8 (substàncies corrosives) i s'identifiquen pel seu número ONU (UN):

• Àcid sulfúric: UN 1830, classe 8.
• Àcid nítric: UN 2031, classe 8 (amb risc subsidiari oxidant 5.1 si és molt concentrat).
• Àcid clorhídric: UN 1789, classe 8.
• Àcid fosfòric: UN 1805, classe 8.
• Àcid fluorhídric: UN 1790, classe 8 amb risc subsidiari tòxic 6.1.

Els vehicles exhibeixen panells taronja amb el número ONU i el codi de perill (codi Kemler; per exemple, "80" per a corrosiu), i les etiquetes-rombe corresponents. Un vessament es neutralitza amb precaució emprant una base suau (carbonat o bicarbonat de sodi, calç) abans de la seua gestió com a residu.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE (Real Decreto 217/2022), aquests continguts s'aborden en tractar les reaccions àcid-base i la química i el seu paper en la societat. En 3r i 4t d'ESO s'introdueixen els àcids, l'escala de pH i les reaccions de neutralització des de contextos quotidians; en 2n de Batxillerat, dins de Química, es formalitza l'equilibri àcid-base (teories d'Arrhenius i Brønsted-Lowry, constants d'acidesa, hidròlisi) i s'estudien processos industrials com el de contacte i el d'Ostwald, excel·lents per a aplicar el principi de Le Chatelier i les condicions de compromís entre termodinàmica i cinètica.

El tema és idoni per a desenvolupar la competència STEM i la consciència ambiental: la pluja àcida (a partir d'òxids de sofre i nitrogen), el destí del fosfoguix o l'eutrofització per fertilitzants connecten la química amb la sostenibilitat i amb la química verda. Com a situació d'aprenentatge pot plantejar-se l'estudi de l'etiqueta de seguretat d'un producte o la interpretació dels panells d'un camió cisterna.

Convé anticipar les idees prèvies i errors freqüents: confondre concentració amb força (un àcid concentrat no és necessàriament fort, i a la inversa: l'$\mathrm{HF}$ és feble però molt perillós); creure que tots els àcids són igual de corrosius; oblidar el caràcter exotèrmic de la dilució; o pensar que la neutralització sempre produeix substàncies innòcues. El treball experimental amb indicadors i valoracions, sempre amb les degudes mesures de seguretat, ajuda a corregir aquestes concepcions.

Conclusió

Els àcids inorgànics d'importància industrial —sulfúric, nítric, clorhídric, fosfòric i fluorhídric— constitueixen l'esquelet de la indústria química. La seua obtenció a gran escala (processos de contacte i d'Ostwald, síntesi directa, vies humida i tèrmica) il·lustra magistralment l'aplicació de l'equilibri i la cinètica; la seua estructura molecular explica la seua força i la seua reactivitat; les seues propietats (acidesa, poder deshidratant o oxidant) fonamenten les seues múltiples aplicacions, des dels fertilitzants que alimenten el planeta fins als materials d'ús diari. Tot això exigeix un maneig responsable, subjecte a estrictes normes de seguretat en l'ús i el transport. Comprendre aquests àcids és, en definitiva, comprendre com la química transforma la matèria primera en benestar, i per què ho ha de fer de forma segura i sostenible.