Problema 1J.55

A obtenção industrial do ácido sulfúrico parte da formação de dióxido de enxofre, seguida de sua oxidação a trióxido de enxofre e posterior hidratação controlada. A comparação entre os processos de contato e das câmaras de chumbo deve destacar tanto as matérias-primas quanto as diferenças de catalisador, etapa de oxidação e concentração do ácido produzido.

As matérias-primas usuais são enxofre elementar e oxigênio do ar. O dióxido de enxofre também pode ser obtido pela ustulação de sulfetos metálicos, como a pirita. $$\ce{S(s) + O2(g) -> SO2(g)}$$ ou, por exemplo, $$\ce{4FeS2(s) + 11O2(g) -> 2Fe2O3(s) + 8SO2(g)}$$

Assim, a primeira etapa industrial consiste em gerar $\ce{SO2}$ gasoso.

No processo de contato, o dióxido de enxofre é oxidado a trióxido de enxofre em presença de catalisador sólido, tradicionalmente $\ce{V2O5}$, embora historicamente também tenha sido usado platina. $$\ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)}$$

Catalisador do processo de contato: $\ce{V2O5}$.

Como a hidratação direta do $\ce{SO3}$ é muito exotérmica e produz névoa ácida, o $\ce{SO3}$ não é absorvido diretamente em água. Primeiro, ele é absorvido em ácido sulfúrico concentrado, formando oleum: $$\ce{SO3(g) + H2SO4(l) -> H2S2O7(l)}$$ Em seguida, o oleum é diluído com água para formar mais ácido sulfúrico: $$\ce{H2S2O7(l) + H2O(l) -> 2H2SO4(l)}$$ Esse processo permite obter $\ce{H2SO4}$ concentrado, de alta pureza e em grande escala.

No processo das câmaras de chumbo, o $\ce{SO2}$ é oxidado em meio aquoso com auxílio de óxidos de nitrogênio, principalmente $\ce{NO}$ e $\ce{NO2}$, que atuam como catalisadores homogêneos.

Uma forma simplificada de representar a oxidação global é: $$\ce{2SO2(g) + O2(g) + 2H2O(l) -> 2H2SO4(aq)}$$

O papel catalítico dos óxidos de nitrogênio pode ser esquematizado por etapas como: $$\begin{aligned} \ce{SO2 + NO2 -> SO3 + NO} \\ \ce{2NO + O2 -> 2NO2} \end{aligned}$$ Catalisador do processo das câmaras de chumbo: óxidos de nitrogênio, sobretudo $\ce{NO}$ e $\ce{NO2}$.

Esse método produz ácido menos concentrado, tipicamente mais diluído que o obtido pelo processo de contato.

No processo de contato, a etapa central é a oxidação catalítica de $\ce{SO2}$ a $\ce{SO3}$ sobre $\ce{V2O5}$, seguida de absorção do $\ce{SO3}$ em ácido concentrado e formação de oleum. Esse é o processo moderno, mais eficiente e adequado para a produção de ácido sulfúrico concentrado.

No processo das câmaras de chumbo, a oxidação do $\ce{SO2}$ ocorre em meio aquoso com catalisadores gasosos à base de óxidos de nitrogênio. Trata-se de um processo histórico, menos eficiente para obtenção de ácido concentrado.

$$\begin{aligned} \text{Enxofre ou sulfetos} &\longrightarrow \ce{SO2} \\ \ce{SO2} &\xrightarrow[\text{processo de contato}]{\ce{V2O5},\,\ce{O2}} \ce{SO3} \\ \ce{SO3 + H2SO4} &\longrightarrow \ce{H2S2O7} \\ \ce{H2S2O7 + H2O} &\longrightarrow \ce{H2SO4} \end{aligned}$$ e, no processo das câmaras de chumbo, $$\begin{aligned} \ce{SO2 + NO2} &\longrightarrow \ce{SO3 + NO} \\ \ce{2NO + O2} &\longrightarrow \ce{2NO2} \\ \ce{SO3 + H2O} &\longrightarrow \ce{H2SO4} \end{aligned}$$