Trióxido de azufre

¿Qué es el trióxido de azufre?

El trióxido de azufre es un compuesto inorgánico formado por la unión de un átomo de azufre (S) y 3 átomos de oxígeno (O). Su fórmula molecular es SO₃. A temperatura ambiente, es un líquido que desprende gases al aire.

La estructura del SO₃ gaseoso es plana y simétrica. Los tres oxígenos están situados de forma equitativa alrededor del azufre. El SO₃ reacciona violentamente con el agua. La reacción es exotérmica, lo que significa que se produce calor, en otras palabras, se calienta mucho.

Cuando el SO₃ líquido se enfría, se convierte en un sólido que puede tener tres tipos de estructura: alfa, beta y gamma. La más estable es la alfa, en forma de capas unidas entre sí constituyendo una red.

El trióxido de azufre gaseoso se emplea para preparar ácido sulfúrico fumante, también llamado óleum, por su parecido con aceite o sustancias oleosas. Otra de sus importantes aplicaciones es en la sulfonación de compuestos orgánicos, es decir, la adición de grupos –SO₃– a estos. Así se pueden preparar sustancias químicas útiles como detergentes, colorantes, pesticidas, entre muchas otras.

El SO₃ es muy peligroso, puede causar graves quemaduras, daños en los ojos y la piel. Tampoco debe ser inhalado ni ingerido, pues puede causar la muerte por quemaduras internas, en la boca, esófago, estómago, etc.

Por estas razones, debe manipularse con mucha precaución. Nunca debe entrar en contacto con agua ni materiales combustibles, como madera, papel, telas, etc., pues se pueden producir incendios. Tampoco se debe desechar ni debe llegar a alcantarillas, por el peligro de explosión.

El SO₃ gaseoso generado en procesos industriales no debe liberarse al ambiente, pues es uno de los responsables de la lluvia ácida que ya ha dañado grandes extensiones de bosques en el mundo.

Estructura del trióxido de azufre

La molécula del trióxido de azufre SO₃ en estado gaseoso posee una estructura plana triangular.

Esto quiere decir que tanto el azufre como los tres oxígenos se encuentran en un mismo plano. Además, la distribución de los oxígenos y de todos los electrones es simétrica.

En estado sólido se conocen tres tipos de estructura del SO₃: alfa (α-SO₃), beta (β-SO₃) y gamma (γ-SO₃).

La forma gamma γ-SO₃ contiene trímeros cíclicos, esto es, tres unidades de SO₃ juntas formando una molécula cíclica o en forma de anillo.

La fase beta β-SO₃ posee cadenas infinitas helicoidales de tetraedros de composición SO₄ unidos entre sí.

La forma más estable es el alfa α-SO₃, similar a la beta pero con una estructura en capas, con las cadenas unidas formando una red.

Nomenclatura del trióxido de azufre

• Trióxido de azufre.
• Anhídrido sulfúrico.
• Óxido sulfúrico.
• SO₃ gamma, γ-SO₃
• SO₃ beta, β-SO₃
• SO₃ alfa, α-SO₃

Propiedades físicas del trióxido de azufre

• Estado físico. A temperatura ambiente (alrededor de 25 °C) y presión atmosférica, el SO₃ es un líquido incoloro que emite humos al aire. Cuando el SO₃ líquido está puro a 25 °C es una mezcla de SO₃ monomérico (una sola molécula) y trimérico (3 moléculas unidas) de fórmula S₃O₉, también llamado SO₃ gamma γ-SO₃. Al bajar la temperatura, si el SO₃ es puro al llegar a 16,86 °C, se solidifica o congela a γ-SO₃, también llamado “hielo de SO₃”. Si contiene pequeñas cantidades de humedad (incluso trazas o cantidades extremadamente pequeñas) el SO₃ polimeriza a la forma beta β-SO₃ la cual forma cristales con un brillo sedoso. Luego se forman más uniones generando la estructura alfa α-SO₃, la cual es un sólido cristalino en forma de agujas que se asemeja al asbesto o amianto. Cuando la alfa y la beta se funden generan la gamma.
• Peso molecular. 80,07 g/mol.
• Punto de fusión. SO₃ gamma = 16,86 °C.
• Punto triple. Es la temperatura a la cual están presentes los tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. En la forma alfa el punto triple es a 62,2 °C y en la beta es a 32,5 °C. Al calentar la forma alfa esta tiene mayor tendencia a sublimar que a fundirse. Sublimar significa pasar del estado sólido al gaseoso directamente, sin pasar por el estado líquido.
• Punto de ebullición. Todas las formas del SO₃ hierven a 44,8 °C.
• Densidad. El SO₃ líquido (gamma) posee una densidad de 1,9225 g/cm³ a 20 °C. El SO₃ gaseoso tiene una densidad de 2,76 relativa al aire (aire = 1), lo que indica que es más pesado que el aire.
• Presión de vapor. SO₃ alfa = 73 mm Hg a 25 °C. SO₃ beta = 344 mm Hg a 25 °C. SO₃ gamma = 433 mm Hg a 25 °C. Esto significa que la forma gamma tiende a evaporarse más fácilmente que la beta y esta que la alfa.
• Estabilidad. La forma alfa es la estructura más estable, las otras son metaestables, es decir, son menos estables.

Propiedades químicas del trióxido de azufre

El SO₃ reacciona de forma enérgica con el agua para dar ácido sulfúrico H₂SO₄. Al reaccionar se produce mucho calor por lo que se desprende rápidamente vapor de agua de la mezcla.

Al estar expuesto al aire el SO₃ absorbe humedad rápidamente, emitiendo vapores densos.

Es un agente deshidratante muy fuerte, esto significa que elimina agua fácilmente de otros materiales.

El azufre del SO₃ posee afinidad por los electrones libres (o sea, electrones que no están en un enlace entre dos átomos) por lo que tiende a formar complejos con compuestos que los poseen como la piridina, la trimetilamina o el dioxano.

Al formar complejos, el azufre toma “prestados” los electrones del otro compuesto para satisfacer su carencia de estos. El trióxido de azufre sigue estando disponible en estos complejos, los cuales se utilizan en reacciones químicas para aportar SO₃.

Es un poderoso reactivo sulfonante de compuestos orgánicos, lo que quiere decir que sirve para agregar con facilidad un grupo –SO₃– a las moléculas.

Reacciona fácilmente con los óxidos de muchos metales para dar sulfatos de dichos metales.

Es corrosivo hacia los metales, tejidos animales y vegetales.

El SO₃ es un material difícil de manejar por varias razones: (1) su punto de ebullición es relativamente bajo, (2) tiene tendencia a formar polímeros sólidos a temperaturas menores a 30 °C y (3) presenta una alta reactividad hacia casi todas las sustancias orgánicas y el agua.

Puede polimerizar explosivamente si no contiene un estabilizador y hay presencia de humedad. Como estabilizadores se usan el dimetilsulfato o el óxido de boro.

Obtención del trióxido de azufre

Se obtiene por la reacción a 400 °C entre el dióxido de azufre SO₂ y el oxígeno molecular O₂. Sin embargo, la reacción es muy lenta y se requieren catalizadores para aumentar la velocidad de esta.

2 SO₂ + O₂ ⇔ 2 SO₃

Entre los compuestos que aceleran esta reacción están el metal platino Pt, el pentóxido de vanadio V₂O₅, el óxido férrico Fe₂O₃ y el óxido nítrico NO.

Usos del trióxido de azufre

• En la preparación de óleum. Una de sus principales aplicaciones consiste en la preparación de óleum o ácido sulfúrico fumante, llamado así porque emite vapores visibles a simple vista. Para obtenerlo se absorbe el SO₃ en ácido sulfúrico concentrado H₂SO₄. Esto se hace en unas torres especiales de acero inoxidable donde el ácido sulfúrico concentrado (el cual es líquido) va bajando y el SO₃ gaseoso va subiendo. El líquido y el gas entran en contacto y se van uniendo, formando el óleum que es un líquido de apariencia aceitosa. Este posee una mezcla de H₂SO₄ y SO₃, pero también tiene moléculas de ácido disulfúrico H₂S₂O₇ y trisulfúrico H₂S₃O₁₀.

• En reacciones químicas de sulfonación. La sulfonación es un proceso clave en aplicaciones industriales a gran escala para la fabricación de detergentes, surfactantes, colorantes, pesticidas y productos farmacéuticos. El SO₃ sirve como agente sulfonante para preparar aceites sulfonados y detergentes alquil-aril-sulfonados, entre muchos otros compuestos. A continuación se muestra la reacción de sulfonación de un compuesto aromático: ArH + SO₃ → ArSO₃H. Para las reacciones de sulfonación se puede utilizar óleum o SO₃ en forma de sus complejos con piridina o con trimetilamina, entre otros.

• En la extracción de metales. El gas SO₃ se ha usado en el tratamiento de minerales. Los óxidos simples de los metales pueden convertirse en los sulfatos mucho más solubles al tratarlos con SO₃ a temperaturas relativamente bajas. Los minerales de sulfuros como la pirita (sulfuro de hierro), calcosina (sulfuro de cobre) y millerita (sulfuro de níquel) son las fuentes de metales no-ferrosos más económicas, por lo que el tratamiento con SO₃ permite obtener fácilmente estos metales y a bajo costo. Los sulfuros de hierro, níquel y cobre reaccionan con el gas SO₃ aún a temperatura ambiente, formando los respectivos sulfatos, los cuales son muy solubles y pueden ser sometidos a otros procesos para obtener el metal puro.
• Otros usos. El SO₃ sirve para preparar ácido clorosulfúrico también llamado ácido clorosulfónico HSO₃Cl. El trióxido de azufre es un oxidante muy poderoso y se usa en la manufactura de explosivos.

Riesgos del trióxido de azufre

• Para la salud. El SO₃ es un compuesto altamente tóxico por todas las rutas, esto es, inhalación, ingestión y contacto con la piel. Irrita y corroe las membranas mucosas. Causa quemaduras en la piel y en los ojos. Sus vapores son muy tóxicos al ser inhalados. Se producen quemaduras internas, dificultad para respirar, dolor en el pecho y edema pulmonar. Es venenoso. Su ingestión genera severas quemaduras de boca, esófago y estómago. Además, se sospecha que es carcinógeno.
• De incendio o explosión. Representa peligro de incendio al entrar en contacto con materiales de origen orgánico como madera, fibras, papel, aceite, algodón, entre otros, especialmente si están húmedos. También existe riesgo si entra en contacto con bases o agentes reductores. Se combina con agua de forma explosiva, formando ácido sulfúrico. El contacto con los metales puede producir gas hidrógeno H₂ el cual es muy inflamable. Debe evitarse calentarlo en vasijas de vidrio para prevenir posible ruptura violenta del recipiente.

Impacto medioambiental del trióxido de azufre

El SO₃ es considerado uno de los mayores contaminantes presentes en la atmósfera terrestre. Esto se debe a su rol en la formación de aerosoles y su contribución a la lluvia ácida (debido a la formación de ácido sulfúrico H₂SO₄).

El SO₃ se forma en la atmósfera por la oxidación del dióxido de azufre SO₂. Al formarse el SO₃ este reacciona rápidamente con el agua para formar ácido sulfúrico H₂SO₄. Según estudios recientes, hay otros mecanismos de transformación del SO₃ en la atmósfera, pero debido a la gran cantidad de agua presente en esta se sigue considerando mucho más probable que el SO₃ se convierta principalmente en H₂SO₄.

El SO₃ gas o los desechos gaseosos industriales que lo contengan no deben ser descargados a la atmósfera debido a que es un contaminante peligroso. Es un gas sumamente reactivo y, como ya se ha dicho anteriormente, en presencia de humedad del aire el SO₃ se convierte en ácido sulfúrico H₂SO₄. Por lo tanto, en el aire el SO₃ persiste en forma de ácido sulfúrico conformando pequeñas gotitas o aerosol.

Si las gotitas de ácido sulfúrico entran en el tracto respiratorio del ser humano o animales, crecen rápidamente de tamaño debido a la humedad presente allí, por lo que tienen la posibilidad de penetrar en los pulmones. Uno de los mecanismos por los que la niebla ácida de H₂SO₄ (es decir, SO₃) puede producir fuerte toxicidad es porque cambia el pH extracelular e intracelular de los organismos vivos (plantas, animales y ser humano).

Según algunos investigadores, la niebla de SO₃ es la causante del aumento de los asmáticos en una zona de Japón. La niebla de SO₃ tiene un efecto muy corrosivo hacia los metales, por lo que las estructuras metálicas construidas por el ser humano como por ejemplo algunos puentes y construcciones se pueden ver muy afectadas.

El SO₃ líquido no debe ser desechado en el drenaje de aguas sucias o las cloacas. Si se vierte hacia las alcantarillas puede crear peligro de incendio o de explosión. Si es derramado por accidente, no debe dirigirse un chorro de agua hacia el producto. Nunca debe absorberse en aserrín u otro absorbente combustible, pues puede generar incendios.

Debe absorberse en arena seca, tierra seca u otro absorbente inerte totalmente seco. El SO₃ no debe ser vertido al ambiente y nunca debe dejarse entrar en contacto con este. Debe mantenerse lejos de fuentes de agua, pues con esta produce ácido sulfúrico, dañino para los organismos acuáticos y terrestres.

Referencias

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