¿Por Qué Emplea Una Mezcla Sulfonitrica y Como Se Calcula?

3. ¿Por qué emplea una mezcla sulfonitrica y como se calcula? El acido nítrico fumante o una mezcla de acidos nítrico y sulfúrico, denominada mezcla sulfonitrica, produce derivados nitrados, por sustitución. El acido sulfúrico protona al acido nítrico que se transforma en el ion nitronio positivo (NO2+) que es el agente nitrante efectivo. El acido sulfúrico cumple un rol deshidratante ( remueve el agua de la reacción), promueve la ionizacon del HNO3 a NO2-.

Por razones de viabilidad y economía la nitración a escala industrial se lleva a cabo habitualmente con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico (mezcla sulfonítrica), y de vez en cuando con ácido nítrico acuoso, ácido nítrico en ácido acético, o ácido nítrico en anhídrido acético. El uso de ácidos de componentes alternativos, tales como ácido perclórico, ácido fluorhídrico, o trifluoruro de boro se limita a importantes estudios de soporte. Estos a veces son llevadas a cabo en disolventes orgánicos inertes tales como hidrocarburos clorados o sulfolano para dar mezclas de reacción homogéneas. La verdadera especie nitrante en reacciones tipo iónica es el nitronio NO 2+ El ácido nítrico puro, ionizado produce pequeñas cantidades de ión nitronio.

La primera reacción es rápida y la segunda lenta. La presencia de H2O (producida durante la nitración) disminuye la concentración del ión [NO 2+] (=> desplazamiento de la reacción hacia la izquierda). La eficiencia de nitración es mayor usando ácido sulfúrico H 2SO4 ú Oleum (SO3 + H2SO4)

Figura 1 A altas concentraciones de ácido sulfúrico, la mayor parte de ácido nítrico se ioniza

El ión de nitronio, NO2 + , se considera que es la especie activa en todos estos sistemas. En el sistema más común la ecuación general

HNO3 + 2H2SO4 ⇌ NO2+ + H3O+ + 2HSO4es un compuesto de muchos equilibrios presentes en las mezclas de HNO 3 - H2 SO4 - H2O. Todos ellos deben tenerse en cuenta al considerar la reactividad del sustrato y el grado de nitración que se requiere. La figura 1 indica que el aumento de agua disminuye la concentración del ión nitronio hasta concentraciones molares del 50 %. Concentraciones mayores del 50 % no detectan ión nitronio. Concentraciones mayores de ácido nítrico, en algunos casos incrementan la concentración del ion nitronio, pero a la vez la fracción de ácido nítrico que es ionizado decrece. Para ácido nítrico puro aprox. sólo el 3% en peso de éste es ionizado a la forma del ión nitronio. El ácido sulfúrico es por lejos el ácido fuerte más comúnmente usado en mezcla de ácidos, además de barato y altamente efectivo en promover la formación de NO2+. Pero a la vez tiene la desventaja que la formación de agua lo diluye y no se conoce un método simple de separación completa del agua del ácido sulfúrico. La separación parcial del agua del ácido sulfúrico se efectúa removiendo el desperdicio con vapores. El ácido remanente es concentrado aprox. al 93% con combustión de gases y finalmente se obtiene 98% por adición de trióxido de azufre. El ácido suficientemente concentrado, apto para la reacción de nitración, se recicla y el ácido adicional equivale a la cantidad de trióxido de azufre adicionado. El rol del ácido sulfúrico fue previamente considerado como un agente deshidratante capaz de remover el agua producida durante la nitración, mientras ésta iba completándose en forma fría.

Un agente de nitración aromática típico para mononitración a gran escala consiste en 20% de ácido nítrico, 60% de ácido sulfúrico, y 20% de agua; esto se conoce como mezcla sulfonítrica 20/60/20. Una definición alternativa del mismo ácido, utilizado en algunas situaciones, es ácido nítrico 15% molar, ácido sulfúrico 30% molar y agua 55% molar. Comúnmente, juntos el sustrato aromático líquido y el producto nitrado forman una fase separada de la de ácido mixto acuosa. Por lo tanto, se requiere una agitación eficiente para maximizar el contacto con la fase orgánica y minimizar la resistencia a la transferencia de masa. Sustratos sólidos se disuelven mejor en la fase de ácido sulfúrico. Ácido nítrico fuerte conduce a reacciones secundarias oxidativas, mientras que una temperatura más alta conduce a la disminución de la concentración de iones de nitronio. Se requiere mucho trabajo de desarrollo detallado en cada nitración individual para optimizar estas y otras variables, para maximizar la formación del isómero requerido, y para minimizar las reacciones secundarias. 4. ¿ Por qué es importante controlar el calor de reacción y el agua generada eliminar? Dado que es una reacción muy exotérmica para esta practica realizada se utilizo un reactor enchaquetado, lo que ayudo a no perder el calor desprendido por la reacción; ya que este calor ayudara a tener un producto con mayor grado de nitración.

El agua que se produce en la reacción es la que se encarga de dar fin a la reacción; la presencia de agua producida durante la reacción disminuye la concentración del ion NO 2+.