Producción del cloro industrial
El cloro se prepara raramente en el laboratorio debido a que se comercializa en botellas de presión de distintas capacidades. Se puede preparar, sin embargo, a pequeña escala mediante la adición lenta de HCl concentrado y desoxigenado sobre dióxido de manganeso hidratado. El Cl 2 así generado se puede purificar pasándoloa través de agua, eliminándose el HCl, y de H 2SO4, para eliminar el H 2O. Por último se puede purificar más pasándolo por un tubo que contiene CaO o P2O5. MnO2 (s) + 4HCl(conc.) → Cl2(g) + MnCl2(ac) + H2O(l) La producción industrial de Cl 2 se lleva a cabo mediante la electrólisis de disoluciones de NaCl: Las sales de NaCl empleadas suelen llevar impurezas que deben ser eliminadas antes de efectuar la electrolisis, en particular los iones Ca 2+, Mg2+ y SO42-. Mg2+ + Ca(OH)2 → Mg(OH) ¯ 2¯ + Ca2+ Ca2+ + Na2CO3 → CaCO ¯ 3¯ + 2 Na+ SO42- → Na2SO4 (tras concentrar) La extracción de la sal bruta se obtiene mediante evaporación de las salinas por el sol. Esta evaporación tiene lugar en varios pasos: concentración del agua salada del mar en estanques; transporte del concentrado a otro estanque de evaporación donde se precipita el CaSO 4, y finalmente en otro estanque de evaporación se realiza la cristalización del NaCl. Esta sal todavía tiene un alto contenido en magnesio y potasio, por lo que se debe llevar a cabo el lavado de la sal en unidades especiales donde se alcanza un contenido de NaCl en la sal de > 99%. De 1m3 de agua salada se obtienen 23 kg de NaCl. Dependiendo del tipo de proceso electrolítico utilizado se realizan posteriores purificaciones.
Existen tres tipos de procesos para producir Cl 2: el del mercurio, el de membrana y el de diafragma.
Proceso del Mercurio Este proceso utiliza disoluciones concentradas del NaCl (salmuera). La celda de amalgama está constituida por un contenedor de acero alargado e inclinado por debajo del cual fluye una capa de mercurio que actúa de cátodo y absorbe el Na que se produce en la reacción: NaCl → Na + ½ Cl 2
El cloro se produce en el ánodo que se puede ajustar en altura. La amalgama de Na que se obtiene se transfiere a un reactor donde se descompone, mediante hidrólisis con H2O, en Hg, NaOH (50%) e H 2. Na(Hg) + H2O → NaOH + H 2 + Hg
Durante la electrólisis se dan las siguientes reacciones: Reacción en el ánodo: Cl¯ → ½Cl 2 +1e¯.............................Eº = 1.24 V
Reacción en el cátodo: xHg + Na + + 1e¯ → NaHgx...........Eº = -1.66 V Reacciones colaterales: Cl2 + NaOH → NaOCl + NaCl + H 2O (ánodo) Cl2 +2e¯ → 2Cl¯ (cátodo) ClO¯ + 2H+ + 2e¯ → H2O + Cl¯ (cátodo) El rendimiento del proceso es del 94-97%. Una planta a gran escala produce de 50 a 300x103 ton del Cl2/año y de 56 a 340x10 3 ton de NaOH/año. Datos d e la Celda
Área del cátodo: 10 a 30 m 2
Espesor de la capa de Hg: 3 mm
[Na]Hg: 0.2 a 0.4% en peso
50-180 ánodos por celda
Separación cátodo-ánodo: 3 mm
Ánodo: grafito o Ti recubierto por metales del grupo del Pt. Sal procesada: 2 a 20 m 3/h
Proceso de Diafragma En este proceso se emplean disoluciones acuosas de NaCl. Las celdas industriales de diafragma consisten en un depósito en el cual los ánodos se montan verticalmente y paralelos unos a otros. Los cátodos se sitúan entre los ánodos, son planos y de acero, recubiertos por fibras de asbesto impregnados con resinas flúor-orgánicas.
Figura 5. Celda del proceso de diafragma.
La disolución salina entra en la celda, pasa a través del diafragma de asbesto y entra en la cámara catódica. El Cl 2 que se produce en el ánodo sale por la parte superior mientras que el H 2, NaOH y NaCl residual se producen en el cátodo y salen de la celda por el lateral. El diafragma de asbestos cumple dos funciones: a) Evitar la mezcla de H 2 y Cl2.La estructura tan fina del material permite el paso de líquidos a través del mismo, pero impide el paso de las burbujas de gas. Un 4% del cloro (disuelto en la disolución) sí pasa a través del diafragma y se pierde en reacciones colaterales, disminuyendo el rendimiento b) Impedir la difusión de los iones OH¯ formados del cátodo al ánodo. La disolución que sale de la celda contiene un 12% de NaOH y un 15% de NaCl (en peso). La capacidad de una planta puede ser de hasta 360x10 3 ton de Cl2/año,
y de hasta 410x10 3 ton de NaOH/año. Estas plantas consumen un 20% menos de energía que las plantas basadas en celdas de mercurio.
Proceso de Membrana En este proceso el cátodo y el ánodo se encuentran separados por una membrana conductora iónica que es impermeable al agua, pero es permeable al paso de iones. El desarrollo de membranas que son estables bajo las condiciones de electrólisis (altas concentraciones de sales, alto pH, presencia de oxidantes fuertes como el Cl 2 y el ClO¯ -) ha supuesto muchos problemas. Un gran número de compañías como Du Pont, Asahi Chemical, Asahi Glass, entre otras, han conseguido preparar membranas consistentes en un esqueleto de poli(perfluoroetano) con cadenas laterales que contienen grupos polares (sulfatos, carboxilatos).
Los procesos que se producen en el cátodo o en el ánodo son los mismos que los que se dan en el proceso de diafragma. Se emplean ánodos de Ti activado y cátodos de acero inoxidable o de Ni. En este proceso la sal debe ser más pura que en el proceso de diafragma.
Comparación de los tres métodos: Proceso del Mercurio
Proceso de Diafragma
Proceso de Membrana
Ventajas
-NaOH 50%-Cl 2 puro
-utiliza sales menos puras-Utiliza menos energía que el proceso de mercurio.
-NaOH puro (20-25 %)Consume sólo el 77% de la energía que se consume en el proceso de Hg-No utiliza Hg o asbestos
Desventajas
-Hg tóxico-Más energía consumida (más del 10-15% que el proceso de diafragma)
-NaOH de pureza media-El Cl2 contiene O2-Los asbestos son tóxicos
-el Cl2 contiene O2 -Se necesita sal de alta pureza.-Alto coste de las Membranas
Aplicaciones del Cl 2
Las tres aplicaciones más importantes del cloro son: a) Producción de compuestos orgánicos clorados como clorometano, cloroetano, etc, y sobre todo el cloruro de vinilo, monómero del PVC. El 70% de la producción del Cl2 se emplea con este fin. FeCl3
CH2=CH2 + Cl2
CH2ClCH 2Cl
450-500 ºC
CH2ClCH2Cl
CH2=CH2Cl + HCl
b) Como blanqueante en las industrias del papel y textil; para la desinfección sanitaria de aguas, piscinas y en el tratamiento de aguas residuales. El 20% de la producción del Cl2 se emplea para este uso. c) En la fabricación con compuestos inorgánicos como el HCl, Cl 2O, HClO, NaClO3, PCl3, PCl5, etc. El 10% de la producción del Cl 2 se emplea en esta síntesis de productos inorgánicos.
Proceso de fabricacion del Hidroxido de Sodio
Proceso de fabricacion del Hidroxido de Sodio Datos Técnicos Sobre El Producto Nombre Técnico: Hidroxido de Sodio (Soda Caústica) Fórmula molecular: NaOH Peso molecular: 40 gr./mol
Propiedades físicas: Color: blanco (en sólido como lenteja) Olor: inodoro (sin olor) Estado: Sólido o en solución. Propiedades Químicas: Función química: Hidróxido Tipo de reacción: Corrosiva, exotérmica.
Preparación usar: Disolvente: agua (H20) Neutralizante: Ácido (HCL preferiblemente) Estandarizar frente: FAP, ácido benzoico, o yodato ácido de potasio
Manejo y precauciones: Tener mucha precaución al manejar soluciones concentradas, ya que es muy corrosivo (tanto en solución como en sólido). Siempre que se preparen soluciones patrón de álcalis como NaOH o KOH se debe proteger la cara, así como usar guantes y ropa adecuada. Si el reactivo entra en contacto con la
piel, inmediatamentelave el área con abundantes cantidades de agua. En caso de ingestión acuda lo más pronto posible a un centro de salud. Se contamina fácilmente con CO2 de la atmósfera originando carbonato y disminuyendo su concentración efectiva. En solución guárdese en un recipiente preferiblemente plástico de sello hermético, lo cual garantiza una estabilidad por dos semanas máximo. 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
Aplicaciones
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.
Almacenaje Y Transporte 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 à 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.
MÉTODOS DE OBTENCIÓN Existen seis métodos para la obtención de Hidróxido de Sodio. A continuación los nombramos y posteriormente explicamos los tres más importantes. Ø MÉTODO SOLVAY Ø ELECTRÓLISIS CLORO-ÁLCALI Ø MÉTODO LE BLANC Ø ELECTRÓLISIS EN FASE FUNDIDA POR EL MÉTODO DE DOW Ø MÉTODO DEL DIAFRAGMA Ø MÉTODO DE LA AMALGAMA
Método Solvay 1. Haciendo pasar Amoníaco y Dióxido de Carbono (gaseosos) por una solución saturada de Cloruro 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 Carbono 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 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.