PIA Química Inorgánica HNO3 PDF

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Objetivo: Conocer más a fondo las características, propiedades, riesgos, usos, aplicaciones, así como también la síntesis, tanto a nivel laboratorio como a nivel industrial, del compuesto ácido nítrico. De este mismo modo se abordará un poco de la historia de dicho compuesto, con la finalidad de informar a todo lector de este proyecto. Introducción: El ácido nítrico es un ácido fuerte, de vapores sofocantes y corrosivo el cual reacciona con muchos compuestos orgánicos (acetona, ácido acético) y con sustancias inflamables(trementina, carbón, alcohol) con peligro de incendio, explosión y formación de gases tóxicos. En ciertas condiciones, nitrifica las materias celulosas facilitando su ignición. Se preparó por primera vez en 1648 a partir del Nitrato de Potasio por Glauber. En 1783, Covendish logró la determinación de su composición. El ácido Nítrico se halla en la atmósfera luego de las tormentas eléctricas Al solo escuchar su nombre se puede relacionar con reacciones de efectos corrosivos y tóxicos. Es también conocido por su participación en la disolución conocida como agua regia, en la cual actúa junto con el ácido clorhídrico para disolver diferentes metales. Se ha visto que el ácido nítrico interviene en numerosas reacciones químicas, se utiliza en múltiples ejercicios de ácido base, también en reacciones de reducción-oxidación por las propiedades oxidantes del ión nitrato. A lo largo de este documento se podrá encontrar diversa información de este compuesto, se hablará de sus propiedades físicas y químicas, su método de obtención y su importancia en la industria. Además de ver más a detalle las reacciones y las condiciones para la obtención de este compuesto a nivel laboratorio. El Ácido Nítrico es un compuesto covalente conformado por un átomo de hidrogeno, un átomo de nitrógeno, y 3 átomos de oxígeno (HNO3), estos elementos se encuentran distribuidos en la tabla periódica de esta manera: el hidrogeno pertenece al grupo 1 (metales alcalinos), el nitrógeno pertenece al grupo 15 (pnicógenos) y por último el oxígeno pertenece al grupo 16 (calcógenos) de la tabla periódica. Entre sus propiedades físicas, el Ácido nítrico es un líquido fumante, que, en contacto con el aire húmedo, despide vapor, incoloro (o a veces amarillo claro), acre y sofocante, sus propiedades químicas, este cuenta con una masa molar de 63.01 g/mol, un pH de -1.4, lo que quiere decir que es una sustancia muy acida. Cuenta con un punto de ebullición de 83ºC y un punto de fusión de -41.6 ºC, así mismo,

tiene una densidad de 1.51 g/cm3. Cabe mencionar, que el ácido nítrico es un agente oxidante potente. El ácido nítrico se puede nombrar de diferentes maneras, para la nomenclatura tradicional, se le nombra ácido nítrico, ya que el hidrogeno como catión indica que es un ácido, y el nombre –nítrico- es debido al número de oxígenos del compuesto, en este caso, son tres oxígenos. Por otro lado, está la nomenclatura de stock, en la cual se hace llamar “ácido trioxonítrico (V)”, esto debido al número de oxígenos y la carga del nitrógeno. Por último, en la nomenclatura sistemática es llamado “trioxonitrato (V) de hidrogeno”, debido al número de hidrógenos, el radical nitrato y la carga del nitrógeno. El ácido nítrico tiene un doble enlace, tendiendo 14 electrones libres y 10 electrones enlazados en su estructura, la cual está en resonancia.

Para saber si el ácido nítrico tiene un enlace iónico o covalente, se utiliza una fórmula para identificarlo, la cual es: % C.I.= EA-EB/EAx100 Electronegatividad del Oxigeno: 3.44 (EA) Electronegatividad del Nitrógeno: 3.04 Electronegatividad del Hidrogeno: 2.2 (EB) %C.I.=3.44 - 2.2/3.44 x 100 %C.I.= 36% *Cuando el porcentaje resulta >50%, se trata de un carácter covalente, por lo que el ácido nítrico es un compuesto covalente polar.

Formas de obtención Para obtener el ácido nítrico puro (concentración del 100%), se usa la reacción entre el nitrato sódico (NaNO3) y el ácido sulfúrico (H2SO4) concentrado en caliente. Es decir: NaNO3 + H2SO4 NaHSO4 + HNO3 Aunque se trata de una reacción reversible (vemos que es un equilibrio químico) el ácido nítrico producido se halla en forma gaseosa, por lo que, al desprenderse, el equilibrio se va desplazando a la derecha por el principio de Le Chatelier. Estos vapores desprendidos de ácido nítrico son posteriormente condensados, por lo que tenemos un ácido nítrico líquido y totalmente puro. A pesar de que una cantidad apreciable de ácido nítrico es sintetizado a una concentración cercana al 100%, es más habitual sintetizarlo en concentraciones inferiores, generalmente entre el 50 y el 70%. → Fabricación industrial por el método de Ostwald. Éste es el proceso industrial de síntesis de ácido nítrico más común, y consiste en la oxidación catalítica del amoníaco a monóxido de nitrógeno (se usa como catalizador platino con un pequeño porcentaje de paladio o rodio), con una posterior oxidación del mismo a dióxido de nitrógeno para, finalmente, reaccionar con agua, produciendo ácido nítrico. Las tres reacciones especificadas son: 4NH3 + 5O2 –> 4NO + 6H2O 2NO + O2 –> 2NO2 3NO2 + H2O –> 2HNO3 + NO Catalizada por platino a 800ºC El NO producido en la última reacción se recicla, volviendo a la cámara de reacción para producir NO2 a partir de la segunda reacción. → Síntesis a nivel laboratorio A nivel de laboratorio, el ácido nítrico se puede preparar calentando nitrato de potasio con ácido sulfúrico concentrado en un recipiente de vidrio, los vapores de ácido nítrico se condensan en un receptor, siguiendo la reacción.

KNO3 + H2SO4 → KHSO4 + HNO3 → Proceso de obtención Para la obtención del ácido nítrico, la ecuación que se utilizará será: KNO3 + H2SO4 → HNO3 + KHSO4 Pero para saber un aproximado de lo que se obtendrá, se tiene que calcular cuántos gramos hay que agregar de cada reactivo, y cuál de los dos reactivos se consumirá por completo, para esto, se realizan los cálculos para saber cuál será el reactivo limitante, el reactivo en exceso, y cuantos gramos de ácido nítrico se espera obtener.

Gramos iniciales Peso fórmula Moles iniciales Moles de reacción Moles finales Gramos finales

3g

2g

0g

0g

101.1032 g/mol

98.0784 g/mol

63.0128 g/mol

136.168 g/mol

0.0296

0.0203

0

0

0.0203

0.0203

0.0203

0.0203

.0093

0

0.0203

0.0203

0.940 g

0

1.279 g

2.76 g

Entonces, Se observa que se tienen que usar 3 gramos de nitrato de potasio y 2 gramos de ácido sulfúrico para que se obtenga 1.279 gramos de ácido nítrico y 2.76 gramos de sulfato acido de potasio.

→ Método de identificación Para identificar que se produjo ácido nítrico exitosamente, se puede realizar una prueba de identificación, para la cual se necesita plata o cobre. Lo que se hará será introducir un trozo ya sea de plata o cobre a la solución que se cree que es ácido nítrico, si cualquiera de estos se disuelven, se puede inferir que es en efecto ácido nítrico.

→ Materiales Mechero bunsen Tripee Matraz de retorta Soporte universal Anillo de acero Embudo Matraz Kjendahl Vidrio de reloj Pipeta Vaso de precipitado

→ Reactivos Nitrato de potasio (KNO3) Ácido sulfúrico (H2SO4)

Ácido Nítrico HNO₃ Estado físico: líquido Apariencia: incoloro-amarillo claro Punto de fusión: −41.6°C Punto de ebullición: 83 °C Densidad: 1.51 g/cm³

Ácido Sulfúrico Estado físico: líquido Apariencia: incoloro Punto de fusión: −15°C Punto de ebullición: 295315 °C Densidad: 1.81 g/cm³

Nitrato de Potasio Estado físico: solido (cristalinas) Apariencia: blanquecino Punto de fusión: 334°C Punto de ebullición: *no disponible* Densidad: 2.1 g/cm³

Corrosivo, toxico, quemaduras en la piel y lesiones oculares

Corrosivo, quemaduras en la piel y lesiones oculares

Comburente

Sulfato Acido de Potasio Estado físico: solido Apariencia: blanco Punto de fusión: 197°C Punto de ebullición: *no disponible* Densidad: 2.32 g/cm³

Quemaduras graves en la piel, lesiones oculares, toxico

Diagrama de flujo Pesar en un vidrio de reloj 3 gramos de KNO3

Agregar 2 gramos de ácido sulfúrico al matraz de retorta

Incorporar el KNO3 al matraz de retorta con el acido

Calentar el matraz hasta ebullición

Recoger los gases en un matraz Kjendahl que esté en constate enfriamiento para la condensación del gas

Método de identificación

Tomar el condensado en un vaso de precipitado y agregar un trozo de plata o cobre, en caso de disolución del metal se tomará como positiva la identificación de ácido nítrico

Aplicaciones Una de las aplicaciones industriales del ácido nítrico es la fabricación de explosivos mediante el trinitrotolueno (TNT). TNT se produce en un proceso de tres pasos: Primero, el tolueno se nitra con una mezcla de ácido sulfúrico y nítrico para producir mononitrotolueno (MNT). El MNT se separa y luego se renitra a dinitrotolueno (DNT). En el paso final, el DNT se nitra a trinitrotolueno (TNT) usando una mezcla anhidra de ácido nítrico y oleum . El proceso de fabricación consume ácido nítrico, pero el ácido sulfúrico diluido se puede reconcentrar y reutilizar. Después de la nitración, el TNT se estabiliza mediante un proceso llamado sulfitación, en el que el TNT bruto se trata con una solución acuosa de sulfito de sodio para eliminar los isómeros menos estables de TNT y otros productos de reacción no deseados. El agua de enjuague de la sulfitación se conoce como agua roja y es un contaminante significativo y un producto de desecho de la fabricación de TNT.

El control de los óxidos de nitrógeno en la alimentación de ácido nítrico es muy importante porque el dióxido de nitrógeno libre puede provocar la oxidación del grupo metilo del tolueno. Esta reacción es muy exotérmica y conlleva el riesgo de una reacción descontrolada que provoque una explosión. Otras de las aplicaciones a nivel industrial de dicho compuesto es la reactividad con metales, esto ayudando a obtener oro puro, que a esto se le llama afinaje de oro. Los métodos más utilizados para el afinaje de oro tienen en común el uso de un disolvente acuoso y distintos ácidos minerales inorgánicos. Las pruebas de oro con ácido se centran en el hecho de que el oro es un metal noble que es resistente al cambio por corrosión, oxidación o ácido. La prueba de fuego para el oro es frotar el artículo de color dorado en piedra negra, lo que dejará una marca fácilmente visible. La marca se prueba aplicando aqua fortis (ácido nítrico), que disuelve la marca de cualquier artículo que no sea oro. Si la marca permanece, se prueba aplicando agua regia (ácido nítrico y ácido clorhídrico). Si se quita la marca, esta prueba disuelve el oro, lo que demuestra que el artículo es oro

genuino. Se pueden realizar pruebas más precisas del artículo para determinar su finura o pureza mediante el uso de diferentes concentraciones de agua regia y pruebas comparativas de artículos de oro de finura conocida. Este proceso no tuvo demasiado éxito debido al elevado precio del ácido, a la formación de compuestos del tipo NOX, que deben ser recuperados, y a la presencia de ciertas impurezas que, como el arsénico, antimonio y estaño, no se eliminan fácilmente con el ácido utilizado.

Problemáticas ambientales. El ácido nítrico se encuentra en la atmósfera por acción indirecta del ser humano, donde contribuye en los fenómenos de la lluvia ácida. Junto con los óxidos de Nitrógeno, el ácido nítrico genera una amplia gama de efectos en el ambiente, incluyendo cambios en la composición de algunas especias de vegetación en los sistemas acuáticos y terrestres. Este compuesto afecta en diferentes componentes de la Tierra como veremos a continuación: → Suelo El ácido nítrico puede alcanzar el suelo por acción de las lluvias que lo limpian de la atmósfera o por derrames directos, producto de accidentes o malos manejos en las plantas de producción. Gracias a sus características de alta reactividad, no es una sustancia que se mantenga en forma ácida por mucho tiempo. Por sus características oxidantes, reacciona con materiales orgánicos que se encuentran en el suelo generando de nuevo los óxidos de nitrógeno de los cuales proviene. → Aire Este compuesto se encuentra presente en la atmósfera gracias a la interacción de los óxidos de nitrógeno con el ozono y humedad atmosférica. Los óxidos de nitrógeno se liberan en la atmósfera como producto de los gases emitidos por motores de vehículos, la quema de carbón, por operaciones como la soldadura con arco eléctrico, entre otros. La generación de ácido nítrico a partir de sus óxidos se puede representar de la siguiente manera: NO + O3 → NO2 + O2 NO + O2 → 2NO2 NO2 + OH → HNO3

Estas reacciones se producen de manera muy rápida en condiciones de atmósfera despejada de nubosidad, pudiendo producir una alta cantidad de ácido nítrico en poco tiempo, como resultado esto genera smog. El Ácido Nítrico es la principal ruta de conversión los óxidos de Nitrógeno en la atmósfera y constituye una contribución importante en las deposiciones ácidas ambientales, que pueden ser de la forma seca o de la forma húmeda. → Agua Al igual que en la tierra, al ácido nítrico entra en los lechos de agua por medio de la lluvia ácida y por derrames directos; también se genera en forma de Nitratos por acción de bacterias nitrificantes que transforman NO2 - en NO3- . En el agua, el ácido nítrico se disocia completamente en sus iones constitutivos, NO3- y H+, promoviendo la disminución del pH y generando un peligro muy alto para especies acuáticas aún en bajas concentraciones. El ácido nítrico es considerado como una sustancia tóxica para la vida acuática.

Comentarios Karla Vianey: Gracias a los conocimientos aprendidos a lo largo del curso de química inorgánica fue más fácil para mi reconocer algunas de las propiedades de los elementos que conforman este compuesto, así como solucionar las reacciones que este produce. Aunque es un poco difícil comprenderlo a nivel laboratorio ya que no podemos realizar la práctica presencialmente, me fue de gran ayuda las herramientas electrónicas como videos que se encuentran en internet. Kathia Montserrat: Antes yo creía que el ácido nítrico servía para limpiar a la plata, pero gracias a este proyecto, salí de mi error, y descubrí que al meter plata en ácido nítrico, este hace que la plata se disuelva y reaccione, lo que nos producirá nitrato de plata e hidrógeno. También aprendí diferentes formas de nombrar al ácido nítrico, que considero que no está de más saberlas, porque ayuda a nuestra formación como químicos industriales. Angélica Lizeth: Gracias a este proyecto aprendí los diferentes usos que tiene el ácido nítrico en la industria y en la vida cotidiana, siempre creí que solo se usaba para saber si el oro era oro puro, pero no tiene más usos como industriales y para usarse en la vida cotidiana, también aprendí el cómo obtenerlo mediante el laboratorio, solo teórico no presencial. José de Jesús: Con la realización de este proyecto me pude dar cuenta de algunas propiedades que desconocía de este ácido ya que muy pocas veces trabajé con él, así mismo pude aprender un poco sobre la síntesis de este compuesto la cual desconocía por completo, así mismo jamás creí que hubiera tantas formas de obtenerlo.

Conclusiones Karla Vianey: Debido a que el ácido nítrico es uno de los ácidos más importantes desde el punto de vista industrial, por su utilización en la fabricación de abonos, colorantes, explosivos y demás. En este proyecto se buscó la obtención de este compuesto a nivel laboratorio a través de diferentes reacciones para llegar a la síntesis del ácido nítrico. Kathia Montserrat: Podemos concluir que en este proyecto se aprendió muchas cosas sobre la importancia, aplicaciones y obtención del ácido nítrico, sirvió para comprender más a detalle lo visto en el curso y también para ir viendo lo que algún día vamos a hacer realmente en el aspecto laboral. Más que nada se aprendieron los usos, las propiedades y los riesgos de los reactivos como el ácido sulfúrico, nitrato de potasio y sulfato ácido de potasio, ya que se investigaron sus fichas de seguridad. Gracias a que investigamos a profundidad cada aspecto, pudimos llenarnos de conocimiento acerca de este compuesto, lo que nos ayuda más en nuestra formación como Licenciados en Química Industrial, y nos es gratificante saber que vamos avanzando de una manera positiva en esta licenciatura. José de Jesús: Con la realización de este proyecto se pudo concluir que fue posible cumplir con el objetivo ya que en este producto se abordan todos los temas propuestos, debido a la situación actual no fue posible llevarlo a la práctica pero con el conocimiento adquirido es posible lograr la síntesis tanto a nivel laboratorio como a nivel industrial del compuesto hablado. Angélica Lizeth: Con este proyecto concluí que se aprendieron muchas cosas sobre el compuesto que nos toco que fue ácido nítrico, en el cual se hablo de su historia, importancia en el mundo, como se obtiene a costa de otro compuesto para formar este, sus aplicaciones, sus problemáticas a nivel ambiental, esto lo aprendimos gracias a las clases de química inorgánica ya que se mencionaba compuesto derivados del nitrógeno, y eso fue de gran ayuda.

Bibliografía Adolfo PonJuan y Blanco Química Inorgánica Tomo I Editorial Pueblo y educación La Habana 1979. Agency for Toxic Substances and Disease Registry. ToxFAQ’s for Nitrogen Oxides (Nitric Oxide, Nitrogen Dioxide,etc.) [en línea]. Disponible en http://www.atsdr.cdc.gov/tfacts175.html Consejo Colombiano de Seguridad (CCS). Software Dataquim. Hoja de Datos de Seguridad, Ácido Nítrico. Ultima actualización 2003. Bogotá, Colombia. Editores: Elvers B, Hawkins S y otros; Ullmans Encyclopedia of Industrial Chemistry; Volumen 17; Quinta edición completamente revisada; Editorial VCH; New York, U.S.A.; 1989. https://www.formulacionquimica.com/HNO3/ https://www.ingenieriaquimica.net/articulos/331-produccion-de -acido-nitrico-i https://www.pochteca.com.mx/productosmp/acido-nitrico/ Organización Mundial de la Salud (OMS). Environmental Health Criteria 188, Nitrogen Oxides (second edition) [en línea]. 1997 [citado junio de 2003]. Disponible en http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc188.htm Recio del Bosque, F.H. (2012). Química Inorganica. The McGraw-Hill Companies. Reglamento (CE) no 1907/2006 (REACH) modificado por 2015/830/UE. Autor desconocido, TNT, Qaz Wiki. Consultado el 02 de diciembre del 2020 en: https://es.qaz.wiki/wiki/TNT#Preparation....