Síntesis industrial y consecuencias ecológicas
La producción moderna de ácido nítrico es un proceso complejo de múltiples etapas. Comienza con la síntesis de amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno atmosférico. La etapa final y más lenta es la interacción del óxido de nitrógeno (IV) con agua en presencia de oxígeno.
Precisamente esta etapa final está asociada a graves problemas medioambientales. Debido a la imperfección del proceso, parte de los gases no se absorbe, lo que conduce a la inevitable emisión de óxidos de nitrógeno a la atmósfera. El dióxido de nitrógeno tiñe el humo de las chimeneas de las fábricas de un color marrón rojizo, que los ecologistas llaman «cola de zorro». Estas emisiones son altamente tóxicas y capaces de provocar la muerte masiva de bosques de coníferas incluso a una distancia considerable de la producción química.
Históricamente se empleaba otro método: la descomposición por doble desplazamiento de los nitratos. Para ello, una mezcla de ácido sulfúrico y nitrato de potasio se calentaba a altas temperaturas, desprendiéndose los vapores del producto de interés. Hoy en día este método solo tiene un valor histórico.
Propiedades oxidantes y actividad química
El ácido nítrico se manifiesta como un oxidante potentísimo, sin embargo, el mecanismo de su acción depende estrictamente de la concentración de la disolución:
- En disoluciones concentradas, las propias moléculas de Acidum nitricum actúan como oxidantes. Al reaccionar con no metales (carbono, azufre), se forman los óxidos superiores o ácidos correspondientes, y el nitrógeno se reduce a monóxido.
- En disoluciones diluidas, la función oxidante principal la asume el ion nitrato, pero solo con el apoyo de un medio ácido (iones hidrógeno). Es importante comprender que en medio ácido la capacidad oxidante del anión nitrato es significativamente mayor que la del catión hidrógeno.
La regla clave de la química del ácido nítrico: durante la interacción con metales nunca se desprende hidrógeno gaseoso. En su lugar, se forman diversos productos de reducción del nitrógeno. En reacciones con metales activos y el uso de disoluciones muy diluidas (por ejemplo, con aluminio), la reducción llega a ser lo más profunda posible, hasta el catión amonio con formación de nitrato de amonio.
Pasivación de metales y aplicación
El ácido concentrado posee una acción específica sobre algunos metales. Al entrar en contacto con hierro, cromo y aluminio, forma instantáneamente sobre su superficie una película de óxido delgada pero increíblemente resistente. Este proceso se denomina pasivación. La película bloquea mecánicamente el acceso del reactivo al metal, deteniendo por completo su posterior disolución. Gracias a la pasivación, el ácido concentrado se transporta de manera segura en cisternas ferroviarias de acero ordinarias.
La mayor parte del ácido nítrico producido en el mundo se destina a la creación de abonos agrícolas. Además, se emplea ampliamente en la metalurgia para disolver metales y en química orgánica como agente nitrante para introducir un grupo nitro en las moléculas.
Nitratos: sales del ácido nítrico
Los nitratos se han sintetizado con éxito para todos los metales conocidos. Su principal rasgo común es su excelente solubilidad en agua, lo que los convierte en reactivos ideales para reacciones de intercambio iónico.
En disoluciones neutras, el ion nitrato se manifiesta como un oxidante extremadamente débil. Pero si se añade un ácido fuerte a la disolución, las propiedades oxidantes aumentan drásticamente, volviéndose comparables a las del propio ácido nítrico.
Ante el efecto térmico (calentamiento), todos los nitratos sólidos se descomponen. La naturaleza de los productos depende de la actividad química del metal:
- Los nitratos de metales activos, al calentarse, pierden parte del oxígeno y se convierten en nitritos.
- Los nitratos de metales menos activos (por ejemplo, el cobre) se destruyen de forma mucho más profunda. Como resultado de la reacción se forma óxido metálico, se desprende activamente oxígeno libre y gas pardo: dióxido de nitrógeno.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Cómo depende la profundidad de reducción del nitrógeno de la concentración del ácido y de la actividad del metal?
La profundidad de reducción del nitrógeno alcanza el máximo al interactuar con metales activos y utilizar ácido muy diluido.
En la reacción del ácido nítrico (Acidum nitricum) con metales no se desprende hidrógeno. En su lugar se forman diversos óxidos de nitrógeno ($NO_2$, $NO$, etc.). Al reaccionar con metales activos, el nitrógeno puede reducirse al máximo, hasta el ion amonio, formando nitrato de amonio ($NH_4NO_3$).
| Actividad del metal | Concentración del ácido | Producto de reducción |
|---|---|---|
| Menos activo (Cu) | Diluido | Óxido de nitrógeno ($NO$) |
| Activo (Al) | Muy diluido | Ion amonio ($NH_4^+$) |
Para recordar los metales que se pasivan con ácido nítrico concentrado, utilice la regla mnemotécnica en ruso «АХ, Железо!» (¡Ay, el Hierro!) — Aluminio (Al), Cromo (Cr), Hierro (Fe).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué no se desprende hidrógeno cuando el ácido nítrico reacciona con los metales?
En medio ácido, el ion nitrato es un oxidante mucho más fuerte que el ion hidrógeno. Por lo tanto, el nitrógeno acepta electrones del metal formando diversos óxidos o sales de amonio, mientras que el hidrógeno se une para formar agua.
¿Qué es la «cola de zorro» en una planta química?
Es un marcador visual de contaminación: un humo pardo rojizo compuesto por dióxido de nitrógeno que se emite de forma incontrolada a la atmósfera en las etapas finales de la síntesis industrial.
¿Influye el medio en la capacidad oxidante de las sales de nitratos?
Sí, colosalmente. En medio neutro los nitratos son oxidantes débiles, pero al acidificar la disolución con un ácido fuerte su actividad aumenta bruscamente.
Qué más repasar sobre el tema
- Ecuaciones de las reacciones de oxidación del cobre con ácido nítrico concentrado y diluido.
- Análisis profundo del mecanismo de nitración de compuestos orgánicos.
- Síntesis de amoníaco como etapa inicial de la cadena industrial.
- Oxidación del carbono y del azufre con disoluciones concentradas.
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