Producción industrial de hidróxido de sodio: Procesos y ecuaciones

Producción industrial

¿Qué tienen en común el papel, el jabón y (algunas) prendas de vestir? ¡Necesitamos usar hidróxido de sodio (NaOH) para hacerlos! Desde 2004, producimos 60 millones de toneladas métricas por año en todo el mundo. Como puede adivinar, los procesos industriales para el hidróxido de sodio se han vuelto muy eficientes.

Echemos un vistazo al primer método utilizado para crearlo, observemos las ecuaciones correspondientes y exploremos también algunos de los métodos más nuevos.

Célula Castner-Kellner

A mediados de 1800 se desarrolló la base para el proceso Castner-Kellner. Puede ver la celda utilizada para este proceso en la siguiente imagen:

Celda Castner-Kellner

Las secciones derecha e izquierda tienen una solución de cloruro de sodio, con un ánodo de grafito (A) y un cátodo de mercurio (M). La sección central tiene una solución de hidróxido de sodio, el mismo ánodo de mercurio (M) y un cátodo de hierro (D).

Esta celda tenía un electrodo positivo y un electrodo negativo dentro de un tanque. Las reacciones en el proceso Castner-Kellner procedieron de la siguiente manera:

1. Se coloca una salmuera de cloruro de sodio (agua salada) en el tanque.
2. El electrodo positivo (el ánodo) aleja el cloruro del sodio.
3. El cloruro se acumula y se combina para formar cloro gaseoso (un excelente desinfectante). Pero ahora tenemos iones de sodio libres deambulando.
4. El agua se descompone con el electrodo negativo (el cátodo) en iones de hidrógeno e iones de hidróxido (OH).
5. Luego se combinan hidróxido y sodio, formando hidróxido de sodio.

Al principio, este método no era muy eficaz porque el sodio (formado en el cátodo) seguía reaccionando con el cloro en el ánodo o con otros componentes. Pero a finales del siglo XIX, este problema se solucionó utilizando mercurio como cátodo, que se fusionó con el sodio.

El nombre Castner-Kellner surgió porque dos hombres, Hamilton Castner en Estados Unidos y Karl Kellner en Austria, desarrollaron el método del mercurio casi simultáneamente. En lugar de luchar por los derechos, decidieron trabajar juntos y poner sus nombres en él.

Cómo romper el agua

En realidad, las reacciones que ocurren son mucho más complicadas. En un entorno eléctrico, el cloruro de sodio se romperá fácilmente, ya que sus enlaces iónicos se separan fácilmente. Pero romper los enlaces covalentes del agua es mucho más difícil.

En el agua, un átomo de oxígeno está unido a dos átomos de hidrógeno. El oxígeno tiene dos pares solitarios (4 electrones), por lo que hay un total de 8 electrones en toda la molécula.

Tenga en cuenta los ocho electrones en una molécula de agua.

Para separarlo, necesitamos usar 2 moléculas de agua para formar 1 molécula de gas hidrógeno (H 2 ) y 2 moléculas de hidróxido (2OH).

El gas hidrógeno trae 2 electrones y el hidróxido trae 16 electrones (8 de cada uno), por lo que terminamos con un total de 18 electrones. ¿Cómo comenzamos con 16 electrones y terminamos con 18?

Esto no ocurre simplemente por arte de magia. Echemos un vistazo a la producción de cloro gaseoso. Cuando el cloro y el sodio se separan, el cloro sale con un electrón extra (un total de 8 electrones de valencia) ya que le quitó uno al sodio. La combinación de 2 átomos de cloro equivale a un total de 16 electrones cuando solo necesitamos 14. Los 2 electrones adicionales se extraen y se utilizan para romper el agua.

Por tanto, el ánodo facilita como oxidante para el cloro (pierde electrones) y el cátodo facilita como reductor para el agua (gana electrones). Pero, ¿por qué el sodio simplemente no pasa al cátodo y se reduce? Tiene una carga positiva, pensarías que querría reducirse. Pero el sodio es en realidad muy estable con una carga positiva, por lo que no sufre reducción.

Producción de hidróxido de sodio

Ahora que sabemos cómo ocurre esta reacción, veamos las ecuaciones un poco más de cerca:

Pero realmente esto ocurre como una serie de pasos. Primero, los 2 cloruros de sodio se descomponen en iones, como puede ver aquí:

El sodio es bastante estable como ión positivo, por lo que no se reduce ni se oxida más. Pero el cloro gaseoso se oxida aún más en el ánodo:

Y luego, usando estos electrones, el agua se puede reducir en el cátodo:

Y ahora el ion sodio y el hidróxido pueden combinarse para formar hidróxido de sodio:

Métodos modernos

Por lo general, desconfiamos bastante de usar mercurio, y ha habido problemas con este método. Un problema importante ocurrió en Canadá, donde los pueblos originarios sufrieron intoxicación por mercurio después de comer pescado de un río contaminado con mercurio. Pero el proceso Castner-Kellner que usa mercurio todavía se usa hoy en día, con cierto esfuerzo para abordar las preocupaciones ambientales y de seguridad.

Los métodos más nuevos incluyen la celda de diafragma de Nelson y la celda de membrana. El proceso en estos métodos es el mismo, es solo cómo se separan los productos lo que cambia.

En la celda Castner-Kellner hay una fina capa de mercurio en la parte inferior de la celda. El sodio puede combinarse con el mercurio, que luego lo lleva a los iones de hidróxido para formar hidróxido de sodio.

La celda de diafragma Nelson utiliza fibras de asbesto para separar los compartimentos del ánodo y del cátodo, evitando que los iones de cloruro y los iones de hidróxido se desplacen. Solo el ion sodio puede fluir a través de esta membrana para combinarse con el ion hidróxido y formar hidróxido de sodio.

El método de la celda de membrana se está popularizando rápidamente porque no genera residuos peligrosos y se hace un producto puro con poca energía. Aquí los iones de sodio fluyen a través de una membrana de iones selectiva.

Resumen de la lección

Dediquemos un par de minutos a revisar la información importante que aprendimos sobre la producción de hidróxido de sodio a través del proceso industrial. El hidróxido de sodio (NaOH) se usa en una variedad de productos y su elaboración se ha convertido en un proceso industrial altamente eficiente. El primer método utilizado fue el proceso Castner-Kellner (o mercurio), que originalmente se realizó de la siguiente manera:

1. Se coloca una salmuera de cloruro de sodio (agua salada) en el tanque.
2. El electrodo positivo (el ánodo) aleja el cloruro del sodio.
3. El cloruro se acumula y se combina para formar cloro gaseoso (un excelente desinfectante). Pero ahora tenemos iones de sodio libres deambulando.
4. El agua se descompone con el electrodo negativo (el cátodo) en iones de hidrógeno e iones de hidróxido (OH).
5. Luego se combinan hidróxido y sodio, formando hidróxido de sodio.

También supimos que posteriormente se añadió mercurio a este método, como cátodo, para evitar que el sodio reaccionara con los componentes de la solución. Sin embargo, debido a las preocupaciones sobre el envenenamiento por mercurio, esta celda se está eliminando gradualmente y ha habido desarrollos con cosas como el diafragma Nelson (que usa fibras de asbesto para separar los compartimentos del ánodo y el cátodo, evitando que los iones de cloruro y los iones de hidróxido viajen) y células de membrana (en las que los iones de sodio fluyen a través de una membrana selectiva).

Rodrigo Ricardo Editor y fundador