Triòxid de sofre

Plantilla:Infotaula compost químic El triòxid de sofre és un compost binari de sofre i oxigen, un òxid de fórmula $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$. És un líquid incolor a temperatura ambient, amb un punt de fusió de 16,83 °C i un punt d'ebullició de 44,8 °C. Reacciona violentament amb aigua donant àcid sulfúric, $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$, amb gran despreniment de calor. Corroeix els metalls i els teixits. Provoca cremades importants a l'esòfag i a l'estómac si és ingerit. També provoca cremades en contacte amb la pell i els ulls. És tòxic per inhalació. Produeix foc en entrar en contacte amb cotó, llana,...

Història

La primera referència sobre del triòxid de sofre és de Basilius Valentinus un alquimista de finals del Plantilla:Segle. El mètode d'obtenció per escalfament de sulfat de ferro(II), $\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$, fou descrit per primera vegada el 1675 pel químic francès Nicolas Lémery (1645-1715), mentre que la preparació per escalfament de l'àcid sulfúric fou descobert un segle més tard, el 1755, pel químic alemany Johann Christian Bernhardt (1710-1758). El químic suec Carl-Wihlelm Scheele (1742-1786) i el químic francès Louis-Bernard Guyton de Morveau (1737-1816) identificaren per primera vegada el compost com anhídrid de l'àcid sulfúric. Des de la dècada del 1940 és un dels reactius més importants en la indústria dels detergents sintètics.

Estructura i enllaç

Estructura molecular en forma d'anell de la forma $\mathrm{\gamma }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

En estat sòlid pot presentar tres formes al·lotròpiques diferents; $\mathrm{\alpha }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$, $\mathrm{\beta }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ i $\mathrm{\gamma }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ de les quals la forma $\mathrm{\alpha }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ és la que presenta una major estabilitat respecte a les altres.

La forma $\mathrm{\alpha }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$, amb estructura semblant al gel, es correspon a la forma més habitual del $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ en estat sòlid. Es presenta en forma de cristalls prismàtics incolors que fonen a 16,8 °C i donen un líquid menys viscós que l'àcid sulfúric. El líquid és transparent però si té alguna impuresa de matèria orgànica adquireix una coloració marró. A 25 °C té una densitat alta, d'1,904 g/cm³ i un índex de refracció d'1,40965. Té un punt d'ebullició de 44,8 °C. Està constituït per molècules individuals d'$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$.

La forma $\mathrm{\beta }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ amb estructura d'asbestos, és de color blanc i menys estable que la forma $\mathrm{\alpha }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$, amb punt de fusió 30,5 °C. Té cadenes lineals de molècules d'$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ enllaçades una rere l'altra. En estat líquid hom troba que està constituïda per dímers $(\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2$.

La forma $\mathrm{\gamma }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ té una estructura semblant a la del gel. Quan es refreda l'$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$per sota de -80 °C es condensa en la forma $\mathrm{\gamma }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$, que té una densitat de 1,903 g/cm³ a 25 °C. Consta de molècules trimèriques d'$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$, és a dir $(\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3$, que formen un anell de sis àtoms amb distàncies de 162,6 pm entre ells. A temperatura ambient amb traces d'aigua es converteix lentament en la més estable forma $\mathrm{\beta }\text{-}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$.

En estat gasós es tracta d'una molècula trigonal plana de simetria D3h. Amb angles $\mathrm{O}-\mathrm{S}-\mathrm{O}$ de 120°. Els enllaços $\mathrm{S}-\mathrm{O}$ són tots tres igual, de longitud 143 pm, la qual cosa indica que són enllaços dobles. L'àtom central de sofre es troba en estat d'oxidació +6 i no té càrrega formal. Es troba rodejada de sis parells d'electrons no enllaçants (dos per a cada àtom d'oxigen unit a l'àtom central).

Síntesi

El triòxid de sofre es pot obtenir al laboratori per escalfament d'hidrogensulfats (p.e. hidrogensulfat de sodi, $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$), de disulfats (p.e. disulfat de sodi, $\mathrm{N}\mathrm{a}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7$) i de sulfats (p.e. sulfat de ferro(III), $\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}_2(\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_3$). Segons la sal de partida tenen lloc una o més reaccions de les indicades a continuació:

$$2\mathrm{M}\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{M}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7$$$$\mathrm{M}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{M}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$$$$\mathrm{M}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{M}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$$

Al laboratori també es pot obtindre per deshidratació de l'àcid sulfúric concentrat emprant pentaòxid de difòsfor, $\mathrm{P}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_5$:

$$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\stackrel{\mathrm{P}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_5}{\to }\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$$

Industrialment aquest compost s'obté per oxidació del diòxid de sofre, $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$, amb oxigen mitjançant un catalitzador com el pentaòxid de divanadi, $\mathrm{V}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_5$, monòxid de nitrogen, $\mathrm{N}\mathrm{O}$, òxid de ferro(III), $\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$, o platí. La combustió directa del sofre no produeix triòxid de sofre, sinó diòxid de sofre, ja que aquesta reacció és molt exotèrmica i la calor despresa és suficient per descompondre del triòxid de sofre format en diòxid de sofre i dioxigen.

$$\frac{1}{8}\mathrm{S}{\phantom{A}}_8+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\mathrm{\Delta }H=-297\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$$$$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\frac{1}{2}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\mathrm{\Delta }H=99\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$$

Reactivitat

En presència d'aigua té lloc una reacció violenta donant lloc a l'àcid sulfúric que és altament corrosiu.

$$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\mathrm{\Delta }H=-73,69\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$$

Aquesta reacció té lloc de forma molt ràpida i és altament exotèrmica. Al voltant de 340 °C el triòxid de sofre i l'aigua coexisteixen en concentracions significatives d'equilibri.

És un àcid de Lewis fort i reacciona amb bases de Lewis formant composts d'addició. Exemples són els formats amb l'òxid de bari, $\mathrm{B}\mathrm{a}[\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4]$; amb l'amoníac, $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\cdot \mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$; amb la piridina, $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\cdot \mathrm{p}\mathrm{y}$; amb el tetrahidrofurà, $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\cdot \mathrm{T}\mathrm{H}\mathrm{F}$; amb el fluorur de potassi, $\mathrm{K}[\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\mathrm{F}]$; amb el sulfat de sodi, $\mathrm{N}\mathrm{a}{\phantom{A}}_2[\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7]$; amb el clorur d'hidrogen, $\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{l}$; i amb el sulfur d'hidrogen, $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$.

També és un agent oxidant fort. Així oxida el sofre, $\mathrm{S}{\phantom{A}}_8$, a $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$; el diclorur de sofre, $\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2$, a $\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2$i $\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2$; el triclorur de fòsfor, $\mathrm{P}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3$, a $\mathrm{P}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3$, el fòsfor, $\mathrm{P}{\phantom{A}}_4$, a $\mathrm{P}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}{\phantom{A}}_{10}$; el iodur d'hidrogen_, $\mathrm{H}\mathrm{I}$, a $\mathrm{I}{\phantom{A}}_2$; i el sulfur d'hidrogen, $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}$ a $\mathrm{S}{\phantom{A}}_8$.

Aplicacions

Òleum o àcid sulfúric fumant de concentració 20 % en $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$. Obert l'envàs s'observa un vapor que surt i que correspon a $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

L'aplicació més important del $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$és la producció d'àcid sulfúric, $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$ que actualment es duu a terme industrialment per mitjà del mètode de contacte. El triòxid de sofre s'obté per combustió del diòxid de sofre, $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$, a uns 400 °C i en presència d'un catalitzador (pentaòxid de vanadi, $\mathrm{V}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_5$ o platí, entre d'altres). El $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ obtingut és absorbit en àcid sulfúric concentrat per a donar la dissolució coneguda com a òleum o àcid sulfúric fumant. Se'n produeixen de tres concentracions, del 20 %, del 30 % i del 65 % en $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$. Posteriorment s'addiciona aigua a aquest òleum i pot obtenir-se l'àcid sulfúric comercial del 98 % d'alta puresa. Les reaccions són:

$$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\frac{1}{2}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$$$$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\cdot \mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_7$$$$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\cdot \mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$$

Reacció de sulfonació del benzè

L'

$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

s'empra molt en química orgànica com a agent de sulfonació, això és la substitució d'un hidrogen en un hidrocarbur per un grup sulfònic,

$-\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\mathrm{H}$

; i de sulfatació, substitució d'un

$\mathrm{H}$

enllaçat a un

$\mathrm{O}$

per donar un sulfat. Mitjançant aquesta reacció s'obtenen composts tensioactius que s'empren com a detergents artificials, els més importants són els sulfonats d'alquilbenzè.

Laurilsulfat de potassi, un tensioactiu

Perillositat

El triòxid de sofre provoca cremades importants a l'esòfag i a l'estómac si és ingerit. També provoca cremades en contacte amb la pell i els ulls. És tòxic per inhalació. La concentració letal en humans és de 30 mg/m³. Produeix foc en entrar en contacte amb cotó, llana,...

Medi ambient

S'emet a l'atmosfera com a conseqüència de la combustió de carbó i petroli, bé directament o bé en forma de diòxid de sofre, $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$, que es transforma en triòxid de sofre a l'aire, per acció de la llum ultraviolada i la humitat que hi són presents. El triòxid de sofre és un gas altament reactiu i, en presència d'humitat a l'aire, s'hidrata ràpidament produint àcid sulfúric, $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$. En l'aire, per tant, és l'àcid sulfúric en forma d'un aerosol que es troba en lloc del triòxid de sofre i, en general, s'associa amb altres contaminants en gotes o partícules sòlides que s'estenen sobre una gran varietat de mides. Es considera un dels responsables de la pluja àcida.