Lanidride solforosa (nome IUPAC diossido di zolfo, detta anche biossido di zolfo o ossido di zolfo(IV)) è un gas incolore dal tipico odore empireumatico (di bruciato non necessariamente intenso ma soffocante), molto solubile in acqua, fino a 39 volumi per volume di acqua. È un gas tossico responsabile dell'odore dei fiammiferi bruciati. Viene rilasciato naturalmente dall'attività vulcanica ed è prodotto come sottoprodotto dell'estrazione del rame e della combustione di combustibili fossili contenenti zolfo.
Nella molecola dell'anidride solforosa l'atomo di zolfo forma un doppio legame con un atomo di ossigeno e un legame covalente dativo con l'altro atomo di ossigeno. È costituita da molecole a forma di V il cui vertice è occupato dall'atomo di zolfo e il cui l'angolo di legame è di 119° 30'. Pur possedendo un doppietto di non legame sullo zolfo è un acido di Lewis; non forma un addotto stabile con l’acqua ma con basi più forti (come le ammine). È un solvente acido e può essere usato come solvente non acquoso per sostanze acide, visto che con esse non reagisce. La sostanza è fortemente irritante e nociva per gli occhi e il tratto respiratorio: per inalazione può causare edema polmonare acuto ed una prolungata esposizione può portare alla morte. La presenza di anidride solforosa nell'aria può essere avvertita dalla comparsa di un sapore metallico in bocca, anche in concentrazioni al di sotto della soglia olfattiva.
In soluzione è quasi completamente presente in forma idratata come SO2 · 6 H2O e forma piccole quantità di acido solforoso (H2SO3). Reagisce violentemente con l'ammoniaca e le ammine, l'acroleina, l'acetilene, i metalli alcalini, il cloro, l'ossido di etilene e l'1,3-butadiene. In presenza di acqua o vapore acqueo attacca molti metalli, tra cui l'alluminio, il ferro, l'acciaio, l'ottone, il rame e il nichel. Liquefatta, può corrodere le materie plastiche e la gomma.
Struttura e legami L'anidride solforosa è una molecola triatomica angolare la cui simmetria appartiene al gruppo puntuale C2v. Un approccio alla molecola secondo la teoria del legame di valenza che consideri solo gli orbitali e descriverebbe il legame in termini di risonanza tra due sole strutture di risonanza.
Il legame zolfo-ossigeno ha un ordine di legame di 1,5. Ci sono prove sperimentali per questo semplice approccio che non invoca la partecipazione orbitale. In termini di formalismo di conteggio degli elettroni, l'atomo di zolfo ha stato di ossidazione +4 e una carica formale +1.
Presenza sulla Terra e su altri pianeti L'anidride solforosa si trova sulla Terra ed esiste in concentrazioni molto piccole nell'atmosfera a circa 1 ppm.
Su altri pianeti, l'anidride solforosa si trova in varie concentrazioni, la più significativa è l'atmosfera di Venere, dove è il terzo gas atmosferico più abbondante col valore di 150 ppm. Lì, reagisce con l'acqua per formare nuvole di acido solforico, ed è una componente chiave del ciclo atmosferico globale dello zolfo del pianeta e contribuisce al riscaldamento globale. È stato implicato come agente chiave nel riscaldamento di Marte, con stime di concentrazioni nella bassa atmosfera fino a 100 ppm, sebbene esista solo in tracce. Sia su Venere che su Marte, come sulla Terra, si pensa che la sua fonte primaria sia vulcanica. L'atmosfera di Io, un satellite naturale di Giove, è composta per il 90% da anidride solforosa e si pensa che ne esistano anche tracce nell'atmosfera di Giove.
Come ghiaccio, si pensa che esista in abbondanza sulle lune galileiane, come ghiaccio sublimatore o gelo sull'emisfero meridionale di Io, e nella crosta e nel mantello di Europa, Ganimede e Callisto, forse anche in forma liquida e reagendo prontamente con l'acqua.
Produzione L'anidride solforosa è prodotta principalmente per la produzione di acido solforico. Negli Stati Uniti nel 1979 sono state utilizzate in questo modo 23,6 milioni di tonnellate di anidride solforosa. La maggior parte dell'anidride solforosa è prodotta dalla combustione dello zolfo elementare. Parte dell'anidride solforosa viene prodotta anche dalla pirite arrostita e da altri minerali di solfuro nell'aria.
Dalla combustione L'anidride solforosa è il prodotto della combustione dello zolfo o della combustione di materiali che contengono zolfo:
S \ + \ O2 -> SO2\,\,\,\,\, \Delta H = -297 \mathrm{kJ/mol}
Per favorire la combustione, lo zolfo liquefatto (140–150 °C) viene spruzzato attraverso un ugello nebulizzatore per generare gocce fini di zolfo con un'ampia superficie. La reazione è esotermica e la combustione produce temperature di 1000–1600 °C. La notevole quantità di calore prodotta viene recuperata mediante la generazione di vapore che può essere successivamente convertito in elettricità.
La combustione dell'acido solfidrico e dei composti organici solforati procede in modo simile. Per esempio:
2H2S \ + \ 3O2 -> 2H2O \ + \ 2SO2
L'arrostimento di solfuri minerali come pirite, sfalerite (ZnS) e cinabro (HgS) rilascia anidride solforosa:
4FeS2 \ + \ 11O2 -> 2Fe2O3 \ + \ 8SO2 2ZnS \ + \ 3O2 -> 2ZnO \ + \ 2SO2 HgS \ + \ O2 -> Hg \ + \ SO2 4FeS \ + \ 7O2 -> 2Fe2O3 \ + \ 4SO2\,\,\, oppure \,\,\,2FeS \ + \ 3O2 -> 2SO2 \ + \ 2FeO
Una combinazione di queste reazioni è responsabile della più grande fonte di anidride solforosa, le eruzioni vulcaniche. Questi eventi possono rilasciare milioni di tonnellate di anidride solforosa.
Riduzione degli ossidi superiori L'anidride solforosa può anche essere un sottoprodotto nella produzione di cemento (silicato di calcio). Il solfato di calcio (CaSO4) viene riscaldato con coke e sabbia nel seguente processo:
2CaSO4 \ + \ 2SiO2 \ + \ C -> 2CaSiO3 \ + \ 2SO2 \ + \ CO2
Fino agli anni '70, le quantità commerciali di acido solforico e cemento venivano prodotte con questo processo a Whitehaven, in Inghilterra. Dopo essere stato miscelato con shale o marna e arrostito, il gas di anidride solforosa si separa dal solfato, utilizzato nella produzione di acido solforico; la reazione produce anche silicato di calcio, un precursore nella produzione del cemento.
Su scala di laboratorio, l'azione dell'acido solforico caldo concentrato sulle torniture di rame produce anidride solforosa:
Cu \ + \ 2H2SO4 -> CuSO4 \ + \ SO2 \ + \ 2H2O
Dai solfiti I solfiti risultano dall'azione della base acquosa sull'anidride solforosa:
SO2 \ + \ 2NaOH -> Na2SO3 \ + \ H2O
La reazione inversa avviene dopo l'acidificazione:
H+ \ + \ HSO3^{-} -> SO2 \ + \ H2O
Reazioni Caratterizzato da zolfo con stato di ossidazione , l'anidride solforosa è un agente riducente. Viene ossidato dagli alogeni per dare gli alogenuri di solforile, come il cloruro di solforile:
SO2 \ + \ Cl2 -> SO2Cl2
L'anidride solforosa è l'agente ossidante nel processo Claus, che viene condotto su larga scala nelle raffinerie di petrolio. Qui, l'anidride solforosa viene ridotta dall'idrogeno solforato per dare zolfo elementare:
SO2 \ + \ 2H2S -> 3S \ + \ 2H2O
L'ossidazione sequenziale dell'anidride solforosa seguita dalla sua idratazione viene utilizzata nella produzione di acido solforico:
2SO2 \ + \ 2H2O \ + \ O2 -> 2H2SO4
Reazioni di laboratorio L'anidride solforosa è uno dei pochi gas acidi ma anche riducenti comuni. Diventa rosa (essendo acido), poi bianco (a causa del suo effetto sbiancante). Può essere identificato facendolo gorgogliare attraverso una soluzione di dicromato, trasformando la soluzione da arancione a verde (Cr^{3+}(aq)). Può anche ridurre gli ioni ferrici a ferrosi.
L'anidride solforosa può reagire con alcuni 1,3-dieni in una reazione chelotropica per formare solfoni ciclici. Questa reazione viene sfruttata su scala industriale per la sintesi del sulfolano, importante solvente nell'industria petrolchimica.
L'anidride solforosa può legarsi agli ioni metallici come legante per formare complessi metallici di anidride solforosa, tipicamente dove il metallo di transizione è nello stato di ossidazione o . Sono riconosciute molte modalità diverse di legame (geometrie), ma nella maggior parte dei casi il legante è monodentato, legato al metallo tramite lo zolfo, che può essere sia planare che piramidale . Come un ligando l'anidride solforosa funziona come una base di Lewis usando la coppia solitaria su S. L'anidride solforosa funziona come acido di Lewis nella sua modalità di legame con i metalli e nei suoi addotti con basi di Lewis come dimetilacetammide e trimetilammina. Quando si lega alle basi di Lewis, i parametri acidi dell'anidride solforosa sono EA = 0,51 e EA = 1,56.
Usi L'uso generale e dominante dell'anidride solforosa è nella produzione di acido solforico. La maggior parte del diossido di zolfo viene convertita in triossido (SO3) per ossidazione a contatto; quest'ultimo viene poi usato per produrre l'acido solforico.
2SO2 (g) \ + \ O2 -> 2SO3
La reazione è esotermica e viene favorita dalle basse temperature. Un tempo come catalizzatore si usava una rete di platino, un eccellente catalizzatore che lavora a temperature basse, ma molto costoso e facilmente avvelenabile. Oggi si preferisce usare l'anidride vanadica (V2O5) meno costosa e resistente all'avvelenamento.
Precursore dell'acido solforico L'anidride solforosa è un intermedio nella produzione di acido solforico, che viene convertito in anidride solforica e quindi in oleum, che viene trasformato in acido solforico. L'anidride solforosa per questo scopo viene prodotta quando lo zolfo si combina con l'ossigeno. Il metodo per convertire l'anidride solforosa in acido solforico è chiamato processo di contatto.
Come conservante L'anidride solforosa è talvolta usata come conservante per albicocche secche, fichi secchi e altra frutta essiccata, grazie alle sue proprietà antimicrobiche e alla capacità di prevenire l'ossidazione, e viene indicata in Europa come E220, The Food Standards Agency website. quando viene utilizzata per questi scopi. Come conservante, mantiene l'aspetto colorato del frutto e previene la decomposizione. Viene anche aggiunto alla melassa solforata.
L'anidride solforosa fu usata per la prima volta nella vinificazione dai romani, quando scoprirono che bruciare candele di zolfo all'interno di recipienti di vino vuoti li mantiene freschi e privi di odore di aceto
È ancora un composto importante nella vinificazione e si misura in parti per milione (ppm) nel vino. È presente anche nel vino cosiddetto non solforato a concentrazioni fino a 10 mg/L. Serve come antibiotico e antiossidante, proteggendo il vino dal deterioramento da parte dei batteri e dall'ossidazione, un fenomeno che porta all'imbrunimento del vino e alla perdita di aromi specifici della cultivar. La sua azione antimicrobica aiuta anche a minimizzare l'acidità volatile. I vini contenenti anidride solforosa sono tipicamente etichettati con "contenenti solfiti".
Nel vino i solfiti limitano lo sviluppo di batteri e lieviti, bloccano eventuali fermentazioni, hanno funzione antiossidante e favoriscono l'estrazione del colore e del sapore dalle vinacce, il limite di legge nell'Unione Europea è di 150 mg/l per i vini rossi, 200 mg/l per i bianchi e i rosati, derogabile per alcuni vini fino a 400 mg/l.