El trióxido de azufre (o trióxido de azufre ) es un compuesto químico con la fórmula SO3 . Se lo ha descrito como "sin duda el óxido de azufre más importante [económicamente]". [1] Se prepara a escala industrial como precursor del ácido sulfúrico .
El trióxido de azufre existe en varias formas: monómero gaseoso, trímero cristalino y polímero sólido. El trióxido de azufre es un sólido a temperatura apenas inferior a la ambiente, con un rango de estado líquido relativamente estrecho. El SO3 gaseoso es el precursor principal de la lluvia ácida . [6]
La molécula SO 3 es trigonal plana . Como predice la teoría VSEPR , su estructura pertenece al grupo puntual D 3h . El átomo de azufre tiene un estado de oxidación de +6 y se le puede asignar un valor de carga formal tan bajo como 0 (si se supone que los tres enlaces azufre-oxígeno son enlaces dobles) o tan alto como +2 (si se supone la regla del octeto ). [7] Cuando la carga formal no es cero, se supone que el enlace SO está deslocalizado. En cualquier caso, las tres longitudes de enlace SO son iguales entre sí, a 1,42 Å. [1] El momento dipolar eléctrico del trióxido de azufre gaseoso es cero.
Tanto el SO 3 líquido como el gaseoso [8] existen en un equilibrio entre el monómero y el trímero cíclico. La naturaleza del SO 3 sólido es compleja y se conocen al menos tres polimorfos , cuya conversión entre ellos depende de trazas de agua. [9]
El SO 3 absolutamente puro se congela a 16,8 °C para dar la forma γ -SO 3 , que adopta la configuración de trímero cíclico [S(=O) 2 ( μ -O)] 3 . [10] [1]
Si el SO 3 se condensa por encima de los 27 °C, se forma α -SO 3 , que tiene un punto de fusión de 62,3 °C. El α -SO 3 tiene un aspecto fibroso. Estructuralmente, es el polímero [S(=O) 2 ( μ -O)] n . Cada extremo del polímero está terminado con grupos OH. [1] El β -SO 3 , al igual que la forma alfa, es fibroso pero de diferente peso molecular, ya que consiste en un polímero con protección de hidroxilo, pero se funde a 32,5 °C. Tanto la forma gamma como la beta son metaestables y, si se dejan reposar durante el tiempo suficiente, acaban convirtiéndose en la forma alfa estable. Esta conversión se debe a trazas de agua. [11]
Las presiones de vapor relativas del SO 3 sólido son alfa < beta < gamma a temperaturas idénticas, lo que indica sus pesos moleculares relativos . El trióxido de azufre líquido tiene una presión de vapor consistente con la forma gamma. Por lo tanto, calentar un cristal de α -SO 3 hasta su punto de fusión da como resultado un aumento repentino de la presión de vapor, que puede ser lo suficientemente fuerte como para romper un recipiente de vidrio en el que se calienta. Este efecto se conoce como "explosión alfa". [11]
El trióxido de azufre sufre muchas reacciones. [1]
El SO 3 es el anhídrido del H 2 SO 4 . Por lo tanto, es susceptible de hidratación:
El trióxido de azufre gaseoso emana abundantemente incluso en una atmósfera relativamente seca debido a la formación de una niebla de ácido sulfúrico. El SO3 es agresivamente higroscópico . El calor de hidratación es suficiente para que las mezclas de SO3 y madera o algodón puedan encenderse. En tales casos, el SO3 deshidrata estos carbohidratos . [11]
De manera similar al comportamiento del H2O , el fluoruro de hidrógeno se agrega para dar ácido fluorosulfúrico :
El SO 3 reacciona con pentóxido de dinitrógeno para dar la sal de nitronio de pirosulfato:
El trióxido de azufre es un oxidante . Oxida el dicloruro de azufre a cloruro de tionilo .
El SO3 es un ácido de Lewis fuerte que forma fácilmente aductos con bases de Lewis. [13] Con piridina , forma el complejo de trióxido de azufre-piridina . Los aductos relacionados se forman a partir de dioxano y trimetilamina .
El trióxido de azufre es un potente agente sulfonante , es decir, añade grupos SO3 a los sustratos. A menudo, los sustratos son orgánicos, como en la sulfonación aromática . [14] Para los sustratos activados, los aductos de base de Lewis de trióxido de azufre son agentes sulfonantes eficaces. [15]
La oxidación directa del dióxido de azufre a trióxido de azufre en el aire se produce muy lentamente:
En la industria, el SO 3 se obtiene mediante el proceso de contacto . El dióxido de azufre se produce quemando azufre o pirita de hierro (un mineral de sulfuro de hierro). Después de purificarlo mediante precipitación electrostática, el SO 2 se oxida con oxígeno atmosférico a una temperatura de entre 400 y 600 °C sobre un catalizador. Un catalizador típico consiste en pentóxido de vanadio (V 2 O 5 ) activado con óxido de potasio K 2 O sobre un soporte de kieselguhr o sílice . El platino también funciona muy bien, pero es demasiado caro y se envenena (se vuelve ineficaz) mucho más fácilmente con impurezas. [16] La mayor parte del trióxido de azufre obtenido de esta manera se convierte en ácido sulfúrico .
El trióxido de azufre se puede preparar en el laboratorio mediante la pirólisis en dos etapas del bisulfato de sodio . El pirosulfato de sodio es un producto intermedio: [17]
Este último ocurre a temperaturas mucho más bajas (45–60 °C) en presencia de H 2 SO 4 catalítico . [18] Por el contrario, el KHSO 4 experimenta las mismas reacciones a una temperatura más alta. [17]
Otro método de dos pasos que implica una pirólisis de sal comienza con ácido sulfúrico concentrado y tetracloruro de estaño anhidro:
La ventaja de este método sobre el de bisulfato de sodio es que requiere temperaturas mucho más bajas y se puede realizar utilizando material de vidrio de laboratorio de borosilicato normal sin riesgo de rotura. Una desventaja es que genera cantidades significativas de gas de cloruro de hidrógeno que también es necesario capturar.
El SO 3 también se puede preparar deshidratando ácido sulfúrico con pentóxido de fósforo . [19]
El trióxido de azufre es un reactivo en las reacciones de sulfonación . El sulfato de dimetilo se produce comercialmente mediante la reacción del éter dimetílico con trióxido de azufre: [20]
Los ésteres de sulfato se utilizan como detergentes , colorantes y productos farmacéuticos . El trióxido de azufre se genera in situ a partir del ácido sulfúrico o se utiliza como solución en el ácido.
El trióxido de azufre estabilizado con B2O3 fue comercializado por Baker & Adamson bajo el nombre comercial " Sulfan " en el siglo XX. [21]
Además de ser un agente oxidante, el trióxido de azufre es altamente corrosivo. Reacciona violentamente con el agua y produce ácido sulfúrico, que es altamente corrosivo.
El trióxido de azufre utilizado era SO3 líquido puro e incoloro comercializado con el nombre comercial Sulfan por Baker y Adamson.