PROCESO SOLVAY

P5
Química Inorgánica
OBTENCIÓN DE CARBONATO DE SODIO (P 5)
Objetivos
-
Estudio descriptivo del carbonato de sodio y de sus usos industriales
Realización de la síntesis de carbonato de sodio y su comparación con el método
industrial de Solvay
Utilización de controles analíticos para medir el avance del proceso de obtención
Introducción
El cloruro de sodio es la materia prima básica empleada por la llamada
“industria cloro-álcali”. A partir del NaCl se genera todo el cloro (y sus derivados) y el
sodio (y sus derivados) utilizados actualmente a nivel industrial. La industria cloroálcali produce primariamente y a gran escala tres sustancias: cloro, hidróxido de sodio y
carbonato de sodio. Las tres integran el conjunto de los diez productos de la industria
química de mayor producción y consumo a nivel mundial. Su importancia radica en que
a su vez estas sustancias se utilizan como materias primas para fabricar productos
derivados.
La obtención de Na2CO3 anhidro, cuyo nombre comercial es sosa, se realiza en
la industria por el proceso Solvay. Esencialmente implica una primera etapa en la que se
obtiene NaHCO3 y luego por descomposición térmica de éste se produce el Na2CO3.
Una parte del NaHCO3 generado por el proceso Solvay se utiliza como tal para
abastecer la demanda industrial de este producto.
Parte del consumo mundial de carbonato de sodio es atendido por extracción de
fuentes naturales. Por ejemplo por descomposición térmica el mineral “trona”, de
composición 2Na2CO3· NaHCO3· 2H2O, se produce carbonato de sodio:
2Na2CO3· NaHCO3· 2H2O → 3Na2CO3 + CO2 + 3H2O
Propiedades y usos de Na2CO3 y Na2CO3·.10H2O
El Na2CO3 puede presentarse según las condiciones de obtención en
forma anhidra (sin agua) o como hidratos, conteniendo proporciones definidas de agua.
Forma 5 hidratos diferentes Na2CO3·H2O, Na2CO3·2H2O, Na2CO3·3H2O, Na2CO3·7H2O
y Na2CO3·10H2O.
El Na2CO3 anhidro es un sólido blanco que funde a 850°C con ligera
descomposición.
Cuando cristaliza de agua a temperaturas menores que 32°C precipita la forma
decahidratada, en forma de cristales grandes y transparentes. Estos cristales cuando son
expuestos al aire eflorescen1 y se disgregan gradualmente para dar un sólido blanco,
probablemente el monohidrato.
Si el Na2CO3 cristaliza entre 32 y 35°C lo hace bajo la forma de heptahidrato. A
partir de 35°C la forma más estable es el monohidrato (ver figura 1).
1
Se llaman eflorescentes a aquellas sustancias hidratadas que expuestas a la atmósfera pierden agua
espontáneamente.
1
P5
Química Inorgánica
Las soluciones acuosas de esta sal dan pH alcalino por hidrólisis según:
CO32- + H2O 'HCO3- + OHHCO3- + H2O ' H2CO3 + OH-
curva de solubilidad del Na2CO3
gNa2CO3/100g de agua
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
t (°C)
Na2CO3.10H2O
Na2CO3.7H2O
Na2CO3.H20
Figura 1
El Na2CO3 tiene aplicaciones industriales que derivan de su carácter básico y su
capacidad de proporcionar Na+:
•
manufactura de vidrio, en donde se utiliza alrededor del 50% del total producido. Al
calentarlo a muy altas temperaturas se descompone dando lugar a Na2O que da
mayor fluidez al vidrio y disminuye su temperatura de fusión
Na2CO3 Na2O + CO2
•
•
•
producción de fosfato de sodio, tripolifosfatos y fertilizantes.
tratamiento de aguas. Los carbonatos son insolubles en agua excepto los
carbonatos alcalinos y el de talio, por lo tanto el agregado de Na2CO3, soluble,
permite precipitar los restantes iones presentes en el agua, eliminando así aquellos
iones (Ca2+ y Mg2+) que contribuyen a la dureza del agua.
jabones y detergentes.
Obtención de carbonato de sodio anhidro
Método en el laboratorio.
El NaHCO3 cristalizado se transforma por calentamiento en el producto final
Na2CO3.
2
P5
Química Inorgánica
Durante la obtención del Na2CO3 se realizarán dos controles analíticos. El
primero sobre una muestra del NaHCO3 obtenido en la clase anterior. Se determinará la
relación (r) moles de CO32-/ moles de HCO3- realizando la titulación con HCl2.Se
utilizarán dos indicadores: fenolftaleína (a) y anaranjado de metilo (b):
a) Na2CO3 + HCl NaHCO3 + NaCl
b) NaHCO3 + HCl H2CO3 + NaCl
El segundo control se realizará sobre una muestra de Na2CO3 obtenido por
calentamiento del NaHCO3. Se determinará el porcentaje de CO32- utilizando para ello
HCl de concentración exactamente conocida y como indicador anaranjado de metilo.
Se debe tener en cuenta que ambas determinaciones analíticas se realizan para
control del proceso y por lo tanto debe pensarse en ello al informar los resultados.
Método industrial
El proceso de fabricación de carbonato de sodio por el método industrial incluye 6
procesos unitarios diferentes que se muestran en el esquema 1. Las reacciones centrales
del proceso Solvay son la III y la IV, las mismas que utilizamos en el laboratorio. Las
reacciones I y II tienen por objeto la preparación de la solución de NH4HCO3, los
procesos V y VI generan el amoníaco necesario para la reacción II:
I- Obtención de CO2:
II- Obtención de NH4HCO3:
III- Obtención de NaHCO3:
IV- Obtención de Na2CO3:
∆
CaCO3 2NH3 + 2H2O + 2CO2 2NaCl + 2NH4HCO3 2NaHCO3
V- Obtención de Ca(OH)2:
VI-Recuperación de NH3:
VII-Ecuación global
CaO + CO2
∆
CaO + H2O 2NH4HCO3
2NaHCO3 + 2NH4Cl
Na2CO3 + CO2 + H2O
Ca(OH)2
2NH4Cl + Ca(OH)2 CaCO3 + 2NaCl 2NH3 + 2H2O + CaCl2
Na2CO3 + CaCl2
Tal como lo muestra la ecuación global, el proceso industrial utiliza como materias
primas piedra caliza (compuesta mayoritariamente por carbonato de calcio) y cloruro de
sodio. Los productos son el carbonato de sodio y el cloruro de calcio. El proceso se
realiza en forma continua y necesita una cantidad fija de gas amoníaco, que se genera y
utiliza en circuito cerrado, como parte del proceso, pero que no se consume en el
2
No es necesario que la solución sea de concentración exactamente conocida ya que se va a determinar
una relación.
3
P5
Química Inorgánica
mismo. Por ello no aparece en la ecuación VII y por lo tanto el amoníaco no se
considera una materia prima.
La ecuación global VII, que representa la reacción directa entre las materias primas, no
es termodinámicamente favorable. El proceso Solvay requiere entonces un aporte de
energía para llevarse a cabo.
El proceso comienza con la producción de CO2 (ecuación I) que se efectúa
calentando piedra caliza en un horno a 1000-1100°C. El dióxido de carbono producido
se introduce en la “torre de Solvay”, donde se verifica la precipitación del NaHCO3
(ecuaciones II y III). El bicarbonato precipitado es escurrido, secado y calcinado a
200°C, donde se transforma en carbonato de sodio (ecuación IV).
El CaO (cal viva) producido en la descomposición de la caliza se transforma en
hidróxido de calcio (cal apagada), por reacción con agua (ecuación V).
Este hidróxido de calcio se hace reaccionar con la solución de cloruro de amonio
emergente de la torre de Solvay (ecuación VI) para así recuperar el amoníaco que se
utilizó en la reacción representada por la ecuación II.
Aparece un subproducto en el proceso: el cloruro de calcio. No tiene alto valor
comercial pero resulta inevitable su formación en el proceso Solvay. Tiene algunos usos
industriales (obtención de Ca por electrólisis, purificación de agua y aditivo para
cementos), pero su consumo no es suficiente como para utilizar todo lo que generan las
plantas productoras de carbonato de sodio por este proceso.
Métodos de aislamiento
Se conoce como método de aislamiento a aquellos procedimientos que permiten
obtener un compuesto sólido a partir de su solución. Se pueden utilizar distintos
procedimientos como:
1. Variación de temperatura de la solución saturada correspondiente.
En general las sales aumentan su solubilidad al aumentar la temperatura. En este caso la
solución que contiene el compuesto que se desea aislar se enfría y a cierta temperatura
el compuesto precipitará (cuando la solución quede saturada).
Si el enfriamiento es lento, se obtienen cristales más grandes y con menor retención de
impurezas.
2. Evaporación del solvente.
Para aquellas sustancias cuya solubilidad varía poco con la temperatura, o si la solución
es muy diluida y por lo tanto no es efectivo el procedimiento anterior, se debe proceder
a la evaporación del solvente. Esta evaporación se puede realizar por calentamiento
directo a temperaturas cercanas a la de ebullición. Si el compuesto que se desea aislar es
inestable térmicamente, la evaporación se debe hacer a menor temperatura por ejemplo
en condiciones de presión reducida (menor que la atmosférica).
3. Disminución de la solubilidad del compuesto:
a) por efecto de ion común. El agregado de un ion común a la sal a precipitar
disminuye su solubilidad. Un ejemplo es la purificación de la sal común, la cual
cristaliza haciendo pasar una corriente de HCl (g) por una solución saturada de
NaCl.
b) por cambio de solvente. El solvente a agregar debe ser miscible con el primero,
pero tal que la sustancia a cristalizar sea mucho menos soluble en él.
4
P5
Química Inorgánica
Técnica
1. Obtención de Na2CO3.
a) Del bicarbonato de sodio obtenido en la clase anterior (P4), separar una
muestra de aproximadamente 1 g para realizar las determinaciones analíticas.
b) Colocar el NaHCO3 restante en una cápsula y llevar a la mufla durante 1
hora a 300°C. Retirar y dejar enfriar.
2. Obtención de Na2CO3·10H2O
a)
b)
c)
d)
Disolver 5g de Na2CO3 anhidro en 13 mL de agua a 50°C.
Agitar hasta disolución total.
Dejar enfriar a aproximadamente a 30°C.
Luego enfriar en baño de agua a 5°C, hasta cristalizar.
3. Determinaciones analíticas
3.1) Determinación de la relación CO32-/ HCO3- en NaHCO3
a) Llenar la bureta con HCl 0.1M y enrasar a cero.
b) Disolver aproximadamente 100 mg de muestra en 25mL de agua destilada en
un matraz de Erlemneyer de 250mL.
c) Agregar 2 gotas de fenolftaleína y titular con HCl 0.1 M hasta decoloración
del indicador. Anotar el gasto (G1).
d) Agregar 2 gotas de anaranjado de metilo y titular con HCl 0.1 M hasta viraje
del indicador de amarillo a salmón. Anotar el gasto (G2).
e) Calcular la relación molar r = CO32-/ HCO3- = G1/(G2-2G1)
3.2) Determinación del contenido de carbonato.
a) Llenar la bureta con HCl de concentración exactamente conocida
(aproximadamente 0.1 M) y enrasar a cero.
b) Disolver aproximadamente 100 mg de muestra (pesados exactamente) en
25mL de agua destilada en un matraz Erlenmeyer de 250mL.
c) Agregar anaranjado de metilo (gota a gota) suficiente para apreciar el color y
titular con HCl 0.1 M hasta viraje del indicador de amarillo a salmón. Anotar
el gasto (G).
d) Determinar el porcentaje de CO32- en la muestra.
Gestión de Residuos
Descartar en recipiente rotulado CARBONATO de SODIO
5
P5
Química Inorgánica
ASIGNATURA: Química Inorgánica
FECHA
INFORME
I5
GRUPO
Obtención de
Na2CO3
INTEGRANTES
DATOS Y CÁLCULOS
masa de NaHCO3 antes de calcinar
________________________g
masa de Na2CO3 después de calcinar
________________________g
rendimiento
________________________%
Control de la obtención de NaHCO3
G1a
G2a
CO32- / HCO3- ( r )
CO32- / HCO3- ( r )
G1b
G2b
CO32- / HCO3-( r )
_______________
Control de la obtención de Na2CO3
M HCl = ________
masa muestra a
masa muestra b
Porcentaje de CO32- :
Ga
Gb
Teórico:
%a
%b
__________________%
Experimental: __________________%
Observaciones _______________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
6