- Resumen
- Aplicaciones
- Almacenaje y
transporte - Métodos de
obtención - Electrólisis cloro
– álcali - Métodos
- Características de los
subproductos obtenidos - Importancia de la
contaminación por mercurio - Bibliografía
RESUMEN:
Características. Diversas aplicaciones. Forma de
almacenaje y transporte.
Métodos de
obtención. Electrólisis cloro – álcali.
Método Le
Blanc .Método
Solvay. Electrólisis en fase fundida. Método
de diafragma (diagramas de
flujo). Método de la amalgama. Tratamiento de los
productos de
electrólisis. Características y propiedades de los
subproductos obtenidos Importancia de la
contaminación por mercurio.
El Hidróxido de Sodio es una sustancia incolora e
higroscópica que se vende en forma de trozos, escamas,
hojuelas, granos o barras. Se disuelve en agua con
fuerte desprendimiento de calor y la
disolución acuosa se denomina lejía de sosa. Tanto
la sosa cáustica como la lejía atacan la piel.
En su mayor parte la sosa cáustica y la
lejía de sosa se obtienen en la electrólisis cloro-
álcali. Sin embargo, se obtiene una pequeña parte
por caustificación de Carbonato de Sodio. Se calienta una
solución de Carbonato de Sodio con la cantidad
correspondiente de cal apagada (Hidróxido de Calcio)
así precipita el Carbonato de Calcio insoluble y en la
solución queda Hidróxido de Sodio.
De este método se obtiene el nombre de sosa
cáustica para el Hidróxido de Sodio.
Na2CO3 +
Ca(OH)2 ® CaCO3 ¯ + 2 NaOH
La sosa cáustica tiene muchas aplicaciones en la
industria
química,
principalmente en forma de lejía de sosa, que se
prepara donde ha de usarse y en cualquier concentración
deseada por disolución en agua de la
sosa sólida. Como campos principales de empleo
citaremos: industrias de
algodón, seda artificial, plásticos,
textiles y de jabón, en la fabricación de diversos
productos
químicos, etc.
Como la sosa cáustica sólida es
fuertemente higroscópica y reacciona rápidamente
con el Dióxido de Carbono del
aire, formando
Carbonato de Sodio:
2 NaOH + CO2
®
Na2CO3 + H2O
Se envasa herméticamente en tambores y así
se la amacena y distribuye. Como material de construcción para envases y
depósitos es adecuado el hierro. El
aluminio no
puede emplearse, porque la lejía de sosa la disuelve
formando aluminato, pero es posible emplear plásticos
para el recubrimiento de vasijas. En el trabajo con
sosa o con lejía es necesario utilizar gafas protectoras,
porque tanto trocitos de sólido como gotas de
solución atacan rápidamente los ojos.
ELECTRÓLISIS
CLORO-ÁLCALI:
Los productos principales de la electrólisis de
Cloruro de Sodio, Cloro y sosa cáustica ya estaban
asociados con anterioridad, pues ambos están en
relación con la fabricación de sosa por el
método Le Blanc. El Cloro se obtenía del
Ácido Clorhídrico, producto
secundario del método Le Blanc, la sosa cáustica a
partir del producto
principal, la sosa misma.
- MÉTODO LE BLANC:
1- A partir de Cloruro de Sodio y Ácido
Sulfúrico se obtienen Sulfato de Sodio y Cloruro de
Hidrógeno.
2 NaCl +
H2SO4 ® Na2SO4 + 2
HCl
2- El Sulfato de Sodio se reduce con
coque y se calcina con caliza, así se obtiene Carbonato de
Sodio, Sulfuro de Calcio y Dióxido de Carbono.
Na2SO4 +
CaCO3 + 2 C ® Na2CO3 + CaS
+ 2 CO2
3- Por extracción con agua pueden
separarse el Carbonato de Sodio (soluble) y el Sulfuro de Calcio
(insoluble).
4- El Carbonato de Sodio puede tratarse con cal apagada
para obtener una solución de Hidróxido de
Sodio.
Na2CO3 + Ca(OH
)2® CaCO3 ¯ + 2 NaOH
Al pasar al método de Solvay fue preciso obtener
Cloro a partir de otras fuentes de
Ácido Clorhídrico, sin que se alterase el cuadro en
lo que se refiere a la sosa cáustica.
- MÉTODO SOLVAY:
1- Haciendo pasar Amoníaco y Dióxido de
Carbono (gaseosos) por una solución saturada de Coluro de
Sodio se forma Carbonato ácido de Sodio y Cloruro de
Amonio (ambos insolubles).
NaCl + NH3 + CO2 +
H2O ®
NaHCO3 + NH4Cl
2- El Carbonato ácido de Sodio se
separa de la solución por filtración y se
transforma en Carbonato de Sodio por
calcinación:
2 NaHCO3 ®
Na2CO3 + H2O +
CO2
3- El Cloruro de Amonio obtenido se hace
reaccionar con Hidróxido de Calcio y se recupera
Amoníaco.
2 NH4Cl +
Ca(OH)2 ® 2
NH3 + 2 H2O +
CaCl2
4- El Hidróxido de Calcio se
produce en la misma fábrica por calcinación de
Carbonato de Calcio (piedra caliza) y así se produce el
Dióxido de Carbona necesario en la ecuación
1.
CaCO3 ® CaO +
CO2
En 1888 se descubrió el método del
diafragma y se realizó la primera electrólisis
técnica Cloro- álcali. El método de
Griesheim se extendió triunfalmente por todo el mundo y
fue piedra fundamental para nuevos desarrollos técnicos de
procesos
electroquímicos (obtención de Aluminio,
Magnesio, Sodio, etc.).
Desde entonces, Cloro y sosa cáustica
están íntimamente unidos, y el aumento en consumo de uno
de ellos se traduce en exceso de producción del otro. Por ejemplo, cuando
después de la primera guerra
mundial, aumentó abruptamente el consumo de
sosa cáustica para la industria de
la seda artificial, el empleo del
Cloro producido resultó un problema insoluble e hizo
necesario la búsqueda de nuevos campos de
aplicación para el Cloro. Esta búsqueda fue
coronada con tal éxito
que, desde hace unos treinta años, la situación ha
cambiado por completo y el ulterior desarrollo de
la electrólisis Cloro-álcalis está hoy
subordinado a las necesidades de Cloro.
ELECTRÓLISIS EN FASE FUNDIDA POR EL
MÉTODO DE DOW: (Gráfico 1)
En la célula
, revestida con ladrillos de chamota, (1) el ánodo de
grafito (A) penetra por la parte inferior, mientras el
cátodo de hierro (B)
rodea al ánodo anularmente.
El espacio catódico está separado por
ambos lados del resto de la célula
mediante una tela metálica.
Sobre el ánodo hay una campana (C), que capta el
Cloro gaseoso, depositado en el ánodo (A) para que no se
ponga en contacto con el Sodio fundido. Así se puede
obtener separadamente Sodio fundido y Cloro gaseoso. El Sodio
flota sobre el Cloruro de Sodio fundido, sobre el cátodo
(B), de dónde se extrae y se pasa a un depósito
colector (D).
La producción del fundido tiene lugar en el
depósito superior (E), por encima de la campana,
dónde se va cargando continuamente Cloruro de Sodio
sólido.
2 NaCl ® 2 Na +
Cl2
MÉTODO DEL DIAFRAGMA: (Gráfico
2)
La célula
horizontal en el método del diafragma, la célula
Billiter (2) está separada por el diafragma (A) , que
frecuentemente es formado por varias capas de asbesto, en un
espacio anódico (B) y otro espacio catódico (C).
También aquí se emplean como ánodos
electrodos de grafito y como cátodo parrillas de Hierro.
El electrolito es una solución purificada y saturada de
Cloruro de Sodio (3) que entra continuamente por la parte
superior.
Mediante la aplicación de una corriente
contínua de unos cuatro voltios los iones Cloruro van al
ánodo, se descargan, se unen para dar moléculas y
abandonan en forma de gas el espacio
anódico por (F). De los iones Na+ y
H+ presentes en el cátodo se descargan
solamente los últimos por su potencial de
separación más positivo. El Hidrógeno se
recoge por debajo del diafragma y se extrae por (D). En el
espacio catódico queda una solución de lejía
de sosa que contiene Cloruro de Sodio; unos 120 g de
Hidróxido de Sodio y unos 140 g de Cloruro de Sodio. La
disolución se extrae por (E). Unas 50 a 100 células se
unen para constituir una batería.
2 NaCl + 2 H2O
® 2 NaOH +
Cl2 +
H2
ELECTRÓLISIS CLORO –
ÁLCALI (Gráfico 1)
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2 NaCl ® 2 Nao +
Cl2
MÉTODO DE DIAFRAGMA
(Gráfico 2)
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2 NaCl + 2 H2O ® 2 NaOH +
Cl2 +
H2
MÉTODO DE LA AMALGAMA:
(Gráfico 3)
En la célula, algo inclinada hacia un lado (4),
el ánodo consta también de varios electrodos de
grafito (A) mientras el cátodo lo constituye el Mercurio
(B) que cubre el suelo y que fluye
en él lentamente. La célula no tiene diafragma. El
electrolito es también aquí una solución
purificada y saturada de Cloruro de Sodio que entra continuamente
por (C). Se trabaja con corriente contínua con 4,6 voltios
y el Cloro formado en el ánodo sale en forma gaseosa (D).
Los iones Sodio se descargan en el cátodo de Mercurio y
rápidamente forman con él la amalgama de Sodio que
fluye fuera de la célula con un contenido en Sodio de
alrededor de 0,2 % (E). Por medio de una bomba (F) se hace pasar
la amalgama a un depósito (G), una torre rellena con
grafito en la que se produce la descomposición de la
amalgama con agua, con producción de Mercurio,
lejía de sosa (H) e Hidrógeno (I). El Mercurio puro
se recoge en el fondo de la torre y se bombea (J) de nuevo a la
célula de electrólisis.
2 Na + Hg2 + 2
H2O ®
2 NaOH + Hg2 +
H2
TRATAMIENTO DE LOS PRODUCTOS DE
ELECTRÓLISIS:
(Gráfico 4 y 5)
El Hidrógeno producido en los métodos de
diafragma y de la amalgama es de 95 %. La mayor parte de las
veces se saca con Ácido Sulfúrico concentrado y
mediante compresores (5)
se le almacena en botellas de acero (6) si no
se tiene para él la aplicación en fábricas
propias.
La lejía de Sosa del método de diafragma
es solamente del 12 % y contiene mucho Cloruro de Sodio. Se la
concentra fuertemente en evaporadores de múltiple efecto
(7), con lo que la mayor parte de Cloruro de Sodio precipita y se
separa por centrifugación (no dibujado). La lejía
de Sosa purificada de ésta manera es de 50 % y contiene
todavía 2 % de Cloruro de Sodio. Si se requiere de mayor
pureza debe recurrirse a un tratamiento de cristalización,
el cuál es muy laborioso.
En el método de la amalgama se obtiene una
lejía de sosa muy pura, completamente exenta de Cloruro de
Sodio y otras impurezas, con una concentración de 50 %,
que se puede aumentar fácilmente hasta un 75 %.
La lejía de sosa de 50 % se vende como tal (8) o
se evapora hasta obtenerla sólida y se envasa en barriles
(9).
El Cloro se liquida y se expende en vagones tanques a
presión
(10) o en botellas de acero.
El Sodio metálico, procedente de la
electrólisis en fase fundida, no necesita más
purificación y se envasa en latas (11) o barriles
herméticos para su distribución al comercio.
MÉTODO DE LA AMALGAMA
(Gráfico 3)
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2 NaCl + 2 Hgo
®
Cl2 + 2 Hgo + 2
Nao
2 Hgo + 2 Nao + 2
H2O ®
2 Hgo + 2 NaOH +
H2
TRATAMIENTO DE LOS PRODUCTOS DE
ELECTRÓLISIS (Gráfico 4)
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PRODUCTOS TERMINADOS
(Gráfico 5)
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HIDRÓGENO NaOH 50% NaOH 75% CLORO
líquido SODIO
CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBPRODUCTOS
OBTENIDOS
- CLORO
Es un gas verde
amarillento de olor picante y muy venenoso. Es dos veces
más pesado que el agua y su
punto de fusión es
– 100,9 oC . Se disuelve moderadamente en agua y
es uno de los elementos más reactivos. Debido a su gran
reactividad no existe en estado
elemental en la naturaleza. Los
metales no
nobles, son atacados formando Cloruros. Mezclado con
Hidrógeno forma una mezcla detonante.
El Cloro tiene muchas aplicaciones en la industria
química,
para la fabricación de disolventes, aditivos de la
gasolina, plásticos, fibras químicas,
líquidos refrigerantes, etc.
- HIDRÓGENO
Elemento gaseoso reactivo, insípido, incoloro e
inodoro.
Sus puntos de ebullición y fusión son
los más bajos de todas las sustancias, a excepción
del Helio. El Hidrógeno líquido, obtenido por
primera vez por el químico británico James Dewar en
1898 , es incoloro (excepto en capas gruesas, que tienen un
aspecto azul pálido). Si se deja evaporar
rápidamente bajo poca presión se
congela transformándose en un sólido incoloro. El
Hidrógeno en estado libre
sólo se encuentra en muy pequeñas cantidades en la
atmósfera.
El hidrógeno reacciona con una gran variedad de elementos
no metálicos. También se combina con ciertos
metales como
Sodio y Litio, formando hidruros. Actúa como agente
reductor de óxidos metálicos como el Óxido
de Cobre,
extrayendo el Oxígeno
y dejando el metal en estado puro. Industrialmente se producen
grandes cantidades de Hidrógeno a partir de los
combustibles gaseosos. El Hidrógeno se separa del vapor de
agua, del gas natural y del
gas de hulla, bien por licuación de los demás
componentes del gas, o bien por conversión
catalítica del Monóxido de Carbono en
Dióxido de Carbono, que resulta fácilmente
extraíble. El Hidrógeno es un producto derivado
importante en muchas reacciones de electrólisis. Se
emplean grandes cantidades de Hidrógeno en la
elaboración del Amoníaco y en la síntesis
de Alcohol
Metílico. La hidrogenación de aceites para producir
grasas comestibles, la de la hulla para producir petróleo
sintético, y la que tiene lugar en el refinado del
petróleo, requieren grandes cantidades de
Hidrógeno. Es el gas menos pesado que existe y se ha
utilizado para inflar globos y dirigibles. Sin embargo, arde
fácilmente y varios dirigibles, como el Hindenburg,
acabaron destruidos por incendios de
Hidrógeno. El Helio, que tiene un 92% de la capacidad de
elevación del Hidrógeno, y además no es
inflamable, se emplea en su lugar siempre que es posible.
También se usa el Hidrógeno en sopletes para corte,
fusión y soldadura de
metales.
- SODIO:
Es un elemento metálico blanco plateado,
extremamente blando y muy reactivo. Es uno de los metales
alcalinos de la tabla
periódica. El sodio elemental es un metal tan blando
que puede cortarse con un cuchillo. Tiene una dureza de 0,4. Se
oxida con rapidez al exponerlo al aire y reacciona
violentamente con agua formando hidróxido de sodio e
hidrógeno. Tiene un punto de fusión de 98 °C,
un punto de ebullición de 883 °C y una densidad relativa
de 0,97. Su masa atómica es 22,9898.
Sólo se presenta en la naturaleza en
estado combinado. Se encuentra en el mar y en los lagos salinos
como Cloruro de Sodio. El Sodio ocupa el séptimo lugar en
abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Es un
componente esencial del tejido vegetal y animal.
IMPORTANCIA DE LA CONTAMINACIÓN POR MERCURIO
Este tema es de mayor importancia debido a su
peligrosidad y se encuentra en relación con un
método de obtención de Hidróxido de Sodio.
Éste es el método de la Amalgama descripto
anteriormente.
El vapor de mercurio y sus sales solubles en agua
corroen las membranas del organismo. El envenenamiento
progresivo, que se da al ingerir durante largos periodos
pequeñas cantidades del metal o de sus sales liposolubles,
en especial el metilmercurio, llega a provocar daños
irreversibles en el cerebro,
hígado y riñón. A causa del aumento de la
contaminación del agua, se han encontrado
cantidades significativas de mercurio en ciertas especies de
peces,
creciendo la preocupación por los vertidos incontrolados
del metal a las aguas.
Una posibilidad que da lugar a la movilización
del Hg es a través de su metilación, que
corresponde a la formación de un compuesto
organometálico. En el caso concreto del
mercurio, se forma el metil-mercurio,
CH3Hg+, el cual, al igual que otros
compuestos organometálicos, es liposoluble. En
consecuencia, estos compuestos presentan una elevada toxicidad,
puesto que pueden atravesar fácilmente las membranas
biológicas y, en particular, la piel, y a
partir de aquí, la incorporación del metal en la
cadena trófica está asegurada. La metilación
de metales inorgánicos por bacterias es
un fenómeno geoquímico relativamente importante. El
metilmercurio es un compuesto mucho más tóxico que
el mercurio.
El vapor de mercurio elemental liberado en la atmósfera, es oxidado
a Hg++ mediante ozono, energía
solar y vapor de agua. Una vez formado, el mercurio
iónico Hg++ es arrastrado de la
atmósfera por las lluvias y depositado sobre ambientes
terrestres y acuáticos donde es convertido en metil
mercurio en el suelo. El metil
mercurio puede ser fácilmente transportado del suelo al
medio acuático. También se pierde Mercurio durante
todo el proceso y
dicho Mercurio termina en los ríos, en donde es
fácilmente tomado por los peces y es al
menos 100 veces más tóxico que el Hg
metálico.
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Como ejemplo podemos citar la bahía de Minamata,
en el sur del Japón,
se produjo una enfermedad denominada "Enfermedad de Minamata",
provocada por el consumo de pescado y mariscos contaminados con
metil mercurio, debido al paso de Hg++ a metilmercurio
por acción bacteriana. La producción de metil-Hg
por bacterias y su
liberación en el medio acuático es un mecanismo de
defensa que protege los microbios del envenenamiento de Hg. La
metilación bacteriana movilizó el Hg almacenado en
los sedimentos de la bahía. Este mercurio procedía
de una fábrica de plásticos que utilizaba Hg como
catalizador y vertía los residuos en la
Bahía.
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Por todo esto, cuando se trabaja con Mercurio debe
tenerse el cuidado de que todo resto de amalgama sea recuperada y
almacenada en recipientes cerrados e inmersos en solución
fijadora de película radiográfica evitando la
liberación de vapores de Mercurio.
Enciclopedia Ullman
Química Industrial. Tegeder – Mayer
AUTORA
PALOMA MORENO
TÉCNICA QUÍMICA (TÍTULO DE NIVEL
MEDIO)
TÉCNICA UNIVERSITARIA EN QUÍMICA
(TÍTULO DE NIVEL UNIVERSITARIO)
CURSANDO EL PROFESORADO EN QUÍMICA (TÍTULO
DE NIVEL UNIVERSITARIO)
CATEGORÍA: QUÍMICA
INORGÁNICA