PROCESO SOLVAY

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Química Inorgánica
OBTENCIÓN DE NaHCO3 (P 4)
Objetivos
-
Estudio descriptivo del NaHCO3, y de sus usos industriales
Adquisición de conocimiento básicos sobre generación química de gases en el
laboratorio
Realización de una síntesis en solución acuosa, utilizando un gas como reactivo
Introducción
El hidrógenocarbonato (bicarbonato) de sodio se obtiene por cristalización en solución
acuosa a partir de sus iones:
(1)
Na+ (ac) + HCO3- (ac) → NaHCO3 (s)
El Na+(ac) se genera disolviendo NaCl en agua, medio en el cual se ioniza totalmente:
NaCl (s) → Na+ (ac) + Cl- (ac)
El ión HCO3- (ac) se produce al pasar una corriente de CO2 por una solución acuosa de
hidróxido de amonio. Esta solución tiene amoníaco disuelto:
NH3 (ac)+ H2O (ac) ' NH4+ (ac) + OH- (ac)
Si bien la constante de equilibrio no es muy favorable para la formación de iones
hidróxido (el hidróxido de amonio es una base débil), cuando las concentraciones de
amoníaco son altas, el equilibrio se desplaza y se consiguen medios fuertemente
básicos.
Según el pH de la solución el CO2 reacciona de acuerdo con las siguientes ecuaciones:
pH< 8
(2) CO2 + H2O → H2CO3 (lenta)
(3) H2CO3 + OH- ' HCO3- + H2O (rápida)
pH>10
(2’) CO2 + OH- → HCO3- (lenta)
(3’) HCO3- + OH- ' CO32- + H2O (rápida)
En valores de pH entre 8 y 10 no predomina ninguna de las reacciones y se dan ambas
en igual extensión. En ese rango hay concentraciones apreciables tanto de HCO3- como
de CO32-.
Por lo tanto, cuando se hace barbotar una corriente de anhídrido carbónico en una
solución amoniacal saturada en cloruro de sodio, los iones presentes mayoritariamente
en solución serán: Na+, NH4+ , Cl-, HCO3- y CO32-. Por ello existe la posibilidad de
obtener por precipitación una de las siguientes sales: NaCl, NH4Cl, NaHCO3,
NH4HCO3, (NH4)2CO3, Na2CO3. Las solubilidades de estas sales en agua están
registradas en la Tabla 1. Como se puede observar el NaHCO3 es la de menor
solubilidad por lo que está favorecida su precipitación.
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Debe tenerse en cuenta que los valores de solubilidad mostrados en la Tabla 1 están
determinados en agua pura y varían cuando las condiciones son diferentes. En una
solución que contenga alta concentración de iones (por ejemplo una solución amoniacal
saturada en cloruro de sodio) las solubilidades son distintas. Pero la relación de
solubilidades se mantiene y el NaHCO3 sigue siendo el más insoluble de los productos
posibles.
Tabla 1. Solubilidad en agua a 10°C y 30°C
Sal
NaCl
NH4Cl
NH4HCO3
NaHCO3
(NH4)2CO3
Na2CO3
g de sal / 100 g de H2O a 10°C
35.8
33.3
15.8
8.15
84
12,5
g de sal / 100 g de H2O a 30°C
36.3
41.4
27.0
11.1
--40,5
Propiedades y usos del NaHCO3.
Dado que el ácido carbónico es un ácido dibásico da lugar a la formación de
hidrógenocarbonatos (sales que contienen HCO3-, bicarbonato) y carbonatos (sales que
contienen CO32-). Sus sales sódicas son blancas y cristalinas.
El bicarbonato de sodio, cuando se calienta por encima de 270°C, se descompone
apreciablemente dando el carbonato:
(a) 2NaHCO3 (s) → Na2CO3 (s) + H2O (g) + CO2 (g)
En solución acuosa puede actuar como ácido o base de Bronsted:
(b) con bases fuertes:
(c) con ácidos fuertes:
NaOH + NaHCO3 → Na2CO3 + H2O
HCl + NaHCO3 → NaCl + H2O + CO2
(d) con ácidos débiles:
HOOC(CHOH)2COOH + 2NaHCO3 → NaOOC(CHOH)2COONa + 2H2O + 2CO2
(ác. tartárico)
El NaHCO3 tiene una gran importancia a nivel industrial, se utiliza:
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•
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en la obtención de Na2CO3 esta es la aplicación más importante (reacción (a)).
en el tratamiento del cuero neutralizando el medio que se produce durante el proceso
de curtido (reacción (b)).
en formulaciones de polvos para extinguir fuego; el NaHCO3 sufre descomposición
térmica (reacción (a), endotérmica) absorbiendo parte del calor generado por el
fuego.
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en la purificación de gases, resultantes de la combustión, reduciendo la emisión de
compuestos ácidos, metales pesados, furanos, etc. a la atmósfera.
en alimentos: en bebidas efervescentes como jugos de frutas (reacción (c)) y en
polvo de hornear (reacción (a)).
en aplicaciones farmacéuticas: como antiácido estomacal (reacción (c)) y en la
formulación de sales efervescentes ( reacción (d)).
Procedimiento experimental
La reacción principal de obtención de NaHCO3 se representa por la ecuación 1. El CO2
necesario para formar el HCO3- se produce haciendo reaccionar HCl (ac) con CaCO3
(mármol) según:
CaCO3 (s) + 2HCl (ac) → CO2 (g) + CaCl2 (ac) + H2O (l)
El gas formado se pasa por un sistema de tratamiento para luego barbotar en una
solución amoniacal saturada en NaCl. En las condiciones elegidas para la síntesis, el pH
fuertemente básico asegura que el CO2 que ingresa a la solución se convierta en una
mezcla de carbonato y bicarbonato. La concentración elevada de iones sodio favorece la
precipitación del bicarbonato (que es la sal más insoluble) disminuyendo las pérdidas
por solubilidad. El NaHCO3 obtenido se aisla y se lava con una solución saturada de
NaHCO3, para evitar pérdidas por solubilidad. Luego se seca con acetona.
El bicarbonato así obtenido está listo para ser transformado en Na2CO3 por
descomposición térmica, lo que se realizará en la práctica 5 Obtención de Carbonato de
sodio.
Producción y utilización de gases en el laboratorio
La síntesis de compuestos químicos requieren a veces de reactivos gaseosos. El gas
puede ser, a su vez, generado por una reacción química. Una manera conveniente de
producir un gas es utilizando un matraz productor (ver Figura 1) donde se coloca uno de
los reactivos (sólido o en solución). En el matraz ingresa el otro reactivo (líquido) a
través de un embudo de decantación. Regulando la velocidad de ingreso de reactivo al
matraz productor podemos controlar, dentro de ciertos límites, la velocidad de
producción del gas. A veces, es necesario calentar el matraz productor para conseguir
una adecuada corriente gaseosa. El gas obtenido arrastra consigo restos de reactivos
cono por ejemplo oxígeno del aire, vapor de agua, y otras impurezas que deben ser
eliminadas antes de entrar al matraz donde se realiza la reacción de síntesis (reactor).
Por lo tanto para la producción de gases en el laboratorio es necesario montar un
sistema como el de la Figura 1. El gas producido se hace pasar por uno o más frascos
(sistema de tratamiento) cuyas funciones pueden ser variadas: seguridad, secado del gas,
lavado, absorción del gas que no reaccionó.
El sistema de tratamiento está integrado por uno o más de los siguientes componentes:
• frasco lavador: se utiliza para eliminar impurezas del gas que sean solubles en agua
u otro solvente. Por ejemplo el CO2 obtenido en el práctico arrastra consigo algo de
HCl (g), para lo cual se pasa el gas por un frasco lavador conteniendo agua en la
cual queda retenido el HCl (g) por ser muy soluble.
• frasco de secado: cuando es necesario secar el gas producido se utiliza en general
ácido sulfúrico para los gases con propiedades ácidas y óxido de calcio cuando el
gas es una base.
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frasco de absorción: el gas producido no reacciona completamente y parte del
mismo escapa del reactor hacia el ambiente. Para evitarlo se lo absorbe en un medio
adecuado. Por ejemplo si el gas producido es NH3 se utiliza como líquido de
absorción una solución de HCl diluido, si el gas producido no ofrece riesgos, como
en el caso del CO2, puede suprimirse este frasco.
frasco de seguridad: en condiciones normales el gas realiza su recorrido desde el
matraz de producción (lugar de mayor presión) hacia la salida (presión atmosférica).
Pero a veces se genera una depresión en uno de los frascos del sistema de
tratamiento y puede provocarse una absorción de líquido proveniente del siguiente
integrante del sistema. Por eso, antes de cada uno de ellos y del reactor, se coloca un
frasco vacío que reciba el líquido en caso de reabsorción por variaciones de presión.
Figura 1
Ejemplos del sistema de tratamiento para la producción de distintos gases en el
laboratorio:
HCl (g)
a: H2SO4 concentrado
b: NaCl
c: frasco de seguridad
d: H2SO4 concentrado
e: frasco de seguridad
f: reactor
g: Na2CO3 (ac) (solución concentrada)
NH3 (g)
a: H2O
b: mezcla de CaO y NH4Cl (ambos en estado sólido)
c: frasco de seguridad
d: CaO en trozos
e: no es necesario
f: reactor
g: HCl diluido
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CO2 (g)
a: HCl 6M o de mayor concentración
b: CaCO3 (mármol)
c: frasco de seguridad (puede prescindirse de él)
d: H2O
e: frasco de seguridad
f: reactor
g: no es necesario
Técnica
Reactivos Utilizados:
CaCO3 comercial (mármol picado)
HCl concentrado y comercial
NH3 10%
NaCl puro
NaHCO3 puro
acetona
Armado del aparato
a) armar el aparato y verificar que no tiene pérdidas. El aparato armado debe
quedar firme sobre la mesada sin soportes ni accesorios (consulte con el profesor de
práctico).
b) verificar que:
b.1) el tubo de desprendimiento en el matraz productor sea más corto que él
vástago de la bola de decantación.
b.2) el tubo de llegada del gas al frasco lavador quede por debajo del nivel de
agua aproximadamente a 1 cm del fondo del mismo; y que el tubo de salida penetre 2
cm desde el borde inferior del tapón.
b.3) el tubo de llegada del gas al reactor quede cerca del fondo del mismo.
b.4) los tubos de vidrio estén en contacto dentro de las uniones de goma.
Preparación de reactivos y síntesis.
ATENCIÓN: las operaciones a), b) y c) deben llevarse a cabo en la campana.
a) Tomar la densidad del amoníaco y ver en el manual a que concentración
corresponde. Calcular a partir de esta concentración la dilución a hacer para obtener 65
mL de NH3 al 10 %.
b) Pesar 20 g de NaCl y disolverlos, con agitación constante, en los 65 mL de
NH3 10 %.
c) Filtrar, con papel de filtro plegado, a un matraz de reacción de 125 mL y
taparlo con algodón.
d) Cubrir el fondo del matraz productor con mármol picado (200 g) y llenar la
bola de decantación con HCl comercial. (Verifique que la llave esté cerrada).
e) Poner agua de la canilla en el frasco lavador hasta 1/3 de su volumen.
Conectar todo el aparato.
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f) Dejar caer gota a gota el HCl sobre el mármol. Una vez logrado un flujo
constante de CO2 se deja barbotar durante el tiempo necesario para la obtención de
NaHCO3 (aproximadamente dos horas).
g) Filtrar con vacío mediante un embudo Buchner el producto obtenido y lavarlo
con dos porciones de 20 mL de solución de NaHCO3 saturada y con dos porciones de
5 mL de acetona.
h) Dejar secar y pesar.
Gestión de Residuos.
Residuos líquidos del matraz productor
Descartar en recipiente rotulado RESIDUOS ÁCIDOS
Residuos sólidos matraz productor
Descartar en recipiente rotulado RESIDUOS SÓLIDOS DEL MATRAZ PRODUCTOR
Aguas madres matraz de reacción
Diluir con abundante agua y descartar por la pileta
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ASIGNATURA: Química Inorgánica
FECHA
INFORME
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GRUPO
OBTENCIÓN DE
NaHCO3
INTEGRANTES
DATOS Y CÁLCULOS
densidad del NH3 (ac) concentrado (dato)
_______________________ g/mL
%m/m NH3 (ac) concentrado
_________________________ %
densidad del NH3 (ac) 10 %
________________________ g/mL
moles de NH3 usados
________________________ mol
moles de NaCl usados
________________________ mol
masa de NaHCO3 obtenida
________________________ g
Suponiendo que el reactivo limitante es el NaCl calcule:
masa de NaHCO3 teórica
__________________________g
rendimiento
_____________%
¿Qué V (mL) de NH3 concentrado, usted, debería haber tomado para preparar los 65 mL
de NH3 al 10% utilizados en la práctica?
__________________________ mL
Observaciones _______________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
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