Sulfato de zinc: análisis completo de características, preparación y múltiples aplicaciones

El sulfato de zinc (sulfato de zinc) es un importante compuesto sulfatado del elemento zinc con la fórmula química ZnSO₄. Como materia prima química inorgánica ampliamente utilizada, posee tanto propiedades de existencia natural como características sintéticas artificiales. Puede dividirse en sulfato de zinc anhidro (ZnSO₄) según el contenido de agua cristalina y en hidratos cristalinos, de los cuales el sulfato de zinc heptahidratado (ZnSO₄·7H₂O), comúnmente conocido como «vitriolo», es la forma más frecuente en la producción industrial y en la vida cotidiana. Ambos se complementan mutuamente en sus propiedades y escenarios de aplicación, apoyando actividades productivas en numerosos campos.
1. Propiedades psicológicas centrales

1. Propiedades físicas

El sulfato de zinc anhidro es un sólido blanco en polvo con una estructura cristalina ortorrómbica, una densidad de 3,54 g/cm³ y un punto de fusión de aproximadamente 680°C. Se descompondrá a altas temperaturas. El sulfato de zinc heptahidratado es un cristal prismático incoloro y transparente, inodoro, ligeramente astringente, con una densidad de 1,957 g/cm³ y un punto de fusión de 100°C. Al calentarlo hasta 30°C, comienza a perder agua cristalina y se convierte gradualmente en sulfato de zinc monohidratado. Si se sigue calentando hasta 280°C, puede deshidratarse completamente para formar sulfato de zinc anhidro. El sulfato de zinc es fácilmente soluble en agua, y su solubilidad aumenta significativamente al elevar la temperatura. Es ligeramente soluble en etanol y glicerol, pero insoluble en acetona. Su solución acuosa es débilmente ácida. Esta característica de solubilidad proporciona comodidad para su preparación y aplicación.

2. Propiedades químicas

El sulfato de zinc tiene propiedades químicas relativamente estables y no se descompone fácilmente a temperaturas y presiones normales. Posee las propiedades químicas típicas de los sulfatos. En primer lugar, puede experimentar una reacción de metátesis con sales solubles de bario para generar un precipitado de sulfato de bario que es insoluble en agua y en ácido. Esta es una reacción clásica para la detección de iones sulfato. La ecuación es la siguiente:

$${\displaystyle {\ce {{ZnSO4}+{BaCl2}\rightarrow {BaSO4\downarrow }+{ZnCl2}}}}$$

En segundo lugar, puede reaccionar con una solución alcalina para formar un precipitado de hidróxido de zinc. Si el álcali es en exceso, el precipitado se disolverá aún más, formando zincato. En tercer lugar, puede reaccionar con sulfuro para formar un precipitado negro de sulfuro de zinc. Esta reacción se utiliza frecuentemente para la separación y purificación de iones de zinc. Además, el sulfato de zinc posee ciertas propiedades reductoras y puede sufrir reacciones de oxidación bajo la acción de oxidantes fuertes. Al mismo tiempo, su solución acuosa puede experimentar una reacción de desplazamiento con zinc metálico para ajustar la concentración de iones de zinc en la solución.

2. Proceso de preparación

La preparación del sulfato de zinc se basa principalmente en la síntesis artificial, siendo la extracción natural solo una pequeña proporción. La producción industrial se realiza mayoritariamente a partir de materias primas que contienen zinc, y los productos de diferente pureza se obtienen mediante lixiviación ácida, purificación, cristalización y otros procesos. El proceso central se adapta a las diversas características de las materias primas disponibles.

1. Extracción natural

El sulfato de zinc natural se encuentra principalmente en minerales, aguas termales y lagos salinos. Mediante la evaporación, concentración y cristalización por enfriamiento de manantiales minerales que contienen zinc, se puede obtener heptahidrato crudo de sulfato de zinc. Tras una purificación adicional para eliminar impurezas, este producto puede utilizarse en situaciones de demanda de baja pureza. Sin embargo, debido a las limitaciones en la distribución de los recursos naturales, este método resulta difícil de satisfacer las necesidades industriales a gran escala y se aplica únicamente en unas pocas regiones ricas en recursos.

2. Método de síntesis artificial

Método de tostado y lixiviación: Este es el proceso principal en la industria. Utiliza concentrado de zinc (cuyo componente principal es sulfuro de zinc) como materia prima. Primero, el concentrado de zinc se tuesta al aire para convertir el sulfuro de zinc en óxido de zinc. Al mismo tiempo, se elimina el elemento azufre, generando dióxido de azufre (que puede ser reciclado para preparar ácido sulfúrico). Después de triturar el producto tostado, se lo lixivia con ácido sulfúrico diluido para obtener una solución cruda de sulfato de zinc. Posteriormente, se eliminan impurezas tales como cobre y cadmio mediante oxidación y sustitución con polvo de zinc. La solución refinada purificada se evapora, concentra, enfría y cristaliza. Tras la separación y el secado, se obtiene el producto terminado de sulfato de zinc heptahidratado. Si es necesario preparar sulfato de zinc anhidro, el producto cristalizado puede someterse a una deshidratación adicional a alta temperatura. La ecuación química central es la siguiente:

$${\displaystyle {\ce {{2ZnS}+{3O2}\;\xrightarrow {\triangle } \;{2ZnO}+{2SO2\uparrow }}}}$$

$${\displaystyle {\ce {{ZnO}+{H2SO4}\rightarrow {ZnSO4}+{H2O}}}}$$

Método de reciclaje de material de zinc de desecho: Se utilizan placas de zinc de desecho, escorias de zinc, restos de aleaciones de zinc y otros recursos renovables como materias primas, que se someten directamente a lixiviación con ácido sulfúrico diluido, controlando la temperatura de reacción y el valor de pH para disolver completamente el zinc y obtener una solución de sulfato de zinc, eliminando al mismo tiempo hierro, aluminio y otras impurezas presentes en las materias primas. Tras la purificación y cristalización, se obtiene el producto final. Este método ofrece ventajas tanto ambientales como económicas y está alineado con la estrategia de «carbono dual». La proporción de materias primas recicladas de zinc va aumentando año tras año.

Otros métodos: En laboratorios y en producción a pequeña escala, el sulfato de zinc puede prepararse mediante la reacción directa de neutralización entre óxido de zinc, hidróxido de zinc y ácido sulfúrico. Las condiciones de reacción son suaves y la pureza del producto es alta. Este método es adecuado para la producción de sulfato de zinc de grado reactivo. La ecuación de la reacción de neutralización es:

$${\displaystyle {\ce {{Zn(OH)2}+{H2SO4}\rightarrow {ZnSO4}+{2H2O}}}}$$

3. Principales áreas de aplicación

El sulfato de zinc desempeña un papel clave en la agricultura, la medicina, la industria química, la galvanoplastia y otros campos gracias a la solubilidad, estabilidad y actividad fisiológica del elemento zinc. Los productos con diferente pureza corresponden a escenarios de demanda diferenciados, y su cobertura de aplicaciones es más amplia que la del carbonato de zinc.

1. Agricultura

El sulfato de zinc es un fertilizante de zinc de traza importante en la producción agrícola. Puede suplementar eficazmente el zinc necesario para el crecimiento de los cultivos, promover la fotosíntesis, reforzar la resistencia de los cultivos al estrés (resistencia al frío y a enfermedades), mejorar la calidad de los cultivos y aumentar el rendimiento. Es adecuado para diversos cultivos como arroz, maíz, trigo, árboles frutales, hortalizas, etc. Puede utilizarse como fertilizante de base, abonado de cobertura o convertirse en fertilizante foliar para pulverización. Es especialmente apropiado para su promoción y aplicación en suelos con deficiencia de zinc. Al mismo tiempo, el sulfato de zinc también puede emplearse como aditivo alimentario para complementar la nutrición de zinc en ganado, aves de corral y animales acuáticos, favoreciendo su crecimiento y desarrollo, y mejorando la inmunidad del organismo y la utilización de los alimentos.

2. Campos farmacéutico y de productos químicos diarios

En el campo de la medicina, el sulfato de zinc heptahidratado tiene efectos astringentes, antisépticos, eméticos y otros. Puede utilizarse para preparar medicamentos externos destinados al tratamiento de enfermedades cutáneas como eccema, sudoración profusa, dermatitis, etc. También puede emplearse como componente de enjuagues oftalmológicos para aliviar la inflamación ocular. Sin embargo, cabe señalar que el sulfato de zinc es tóxico si se ingiere por vía oral. Una ingesta excesiva puede provocar síntomas de intoxicación tales como vómitos y diarrea, por lo que es necesario controlar estrictamente la dosis. En la industria de productos químicos diarios, el sulfato de zinc puede incorporarse a productos como polvos de talco, acondicionadores y productos para el cuidado de la piel con el fin de reducir los poros, controlar la grasa y inhibir las bacterias. Asimismo, puede mejorar la estabilidad del producto.

3. Industria química y campo de nuevos materiales

El sulfato de zinc es la materia prima central para la preparación de otros compuestos de zinc (como óxido de zinc, carbonato de zinc, sulfuro de zinc, etc.), brindando soporte básico a la cadena industrial química del zinc. En la industria textil, puede utilizarse como mordiente para reforzar la fuerza de unión entre los colorantes y las fibras, logrando así una teñidura más uniforme y duradera. En el ámbito de la fabricación de baterías, el sulfato de zinc de alta pureza puede emplearse para preparar electrolitos para baterías de iones de zinc, lo que contribuye al desarrollo de la industria de nuevas baterías de energía. Además, también puede utilizarse como catalizador y conservante en síntesis orgánicas, tratamiento de aguas y otras aplicaciones.

4. Campos de galvanoplastia y metalurgia

En la industria de la galvanoplastia, el sulfato de zinc es el electrolito principal en el proceso de galvanización. Se utiliza para preparar soluciones de galvanoplastia de modo que los iones de zinc se puedan depositar uniformemente sobre la superficie de la pieza de trabajo, formando un recubrimiento denso de zinc que desempeña un papel anticorrosivo y resistente al desgaste. Es ampliamente utilizado en el procesamiento de galvanoplastia de herrajes, maquinaria, piezas de automóviles y otros productos. En la industria metalúrgica, puede emplearse para la refinación electrolítica del zinc con el fin de mejorar la pureza de los productos de zinc. También puede utilizarse como aditivo en la fundición de aleaciones para mejorar las propiedades de estas últimas.

4. Estado y tendencias del desarrollo de la industria

China es el mayor productor, consumidor y exportador mundial de sulfato de zinc. En 2024, la capacidad de producción de sulfato de zinc del país alcanzará 1,2 millones de toneladas, y el consumo aparente superará las 850.000 toneladas. Entre ellos, la demanda en el sector agrícola representa la proporción más alta (alrededor del 45%), seguida por los sectores de la industria química y la galvanoplastia. La estructura industrial muestra las características de «concentración regional y niveles bien definidos». La capacidad de producción se concentra principalmente en Mongolia Interior, Yunnan, Hunan y otras regiones con abundantes recursos de mineral de zinc. Las empresas líderes aprovechan sus ventajas en materias primas y su tecnología de purificación para ocupar una posición dominante en el mercado de gama media a alta. La capacidad de producción de pequeñas y medianas empresas se centra mayoritariamente en productos de grado agrícola de baja pureza.

El desarrollo actual de la industria está impulsado por dos factores principales: en primer lugar, el avance de la modernización agrícola, y la demanda de fertilizantes con oligoelementos sigue creciendo, lo que impulsa la expansión de la capacidad de producción de sulfato de zinc de grado agrícola; en segundo lugar, la creciente demanda de sulfato de zinc de alta pureza (pureza ≥ 99,9%) en sectores como las nuevas energías, la galvanoplastia de alta gama y otros campos, lo que promueve la actualización tecnológica de la industria. Procesos de producción de bajo consumo energético y respetuosos con el medio ambiente reemplazan gradualmente los procesos tradicionales altamente contaminantes, y la tasa de reciclaje de materias primas de zinc reciclado ha aumentado hasta el 28%, alineándose con el concepto de desarrollo verde.

En el futuro, la industria del sulfato de zinc se transformará hacia «alta purificación, sostenibilidad y diversificación», centrándose en avances en tecnologías de preparación de productos de alta pureza, ampliando las escenarios de aplicación en sectores de alta gama como las nuevas energías y la biomedicina, al tiempo que optimiza la estructura de la cadena industrial y mejora la eficiencia en el reciclaje de recursos. Las empresas con ventajas tecnológicas y capacidad de integración de recursos seguirán liderando el mercado.

5. Operación y almacenamiento seguros

El sulfato de zinc presenta cierta irritación. Su polvo o solución acuosa puede irritar la piel, los ojos y las mucosas respiratorias. Es tóxico si se ingiere por vía oral. El nivel de peligrosidad según la NFPA 704 es 1-0-0. Durante su manipulación, es necesario usar ropa protectora, gafas protectoras y mascarillas, trabajar en un ambiente bien ventilado, evitar el polvo en suspensión y prohibir estrictamente el contacto directo con la piel y los ojos. En caso de contacto accidental, es necesario enjuagar inmediatamente con abundante agua y, si fuera necesario, buscar atención médica. Aquellos que sufran una intoxicación por vía oral deben inducir el vómito a tiempo y ser trasladados al hospital para recibir tratamiento.

Al almacenar, debe sellarse y colocarse en un almacén seco y ventilado, alejado de fuentes de fuego y calor, para evitar la humedad y la formación de grumos. Asimismo, debe almacenarse por separado de alimentos, medicamentos, oxidantes y sustancias alcalinas para prevenir reacciones que afecten la calidad del producto o generen riesgos para la seguridad. Durante el transporte, debe manipularse con cuidado tanto en el embalaje como en la descarga, a fin de evitar daños en el envase y garantizar la seguridad del transporte.

En resumen, el sulfato de zinc, como intermediario central en la industria química del zinc, posee diversos valores de aplicación en la agricultura, la industria, la medicina, entre otros. La iteración de su tecnología de producción y la ampliación de sus escenarios de aplicación seguirán impulsando la modernización de las industrias relacionadas, mostrando amplias perspectivas de mercado en el contexto del desarrollo verde y la transformación industrial.