El proceso Solvay: proceso, productos y cuestiones medioambientales
¿Qué es el carbonato de sodio?
¡La fiesta de barbacoa de Sarah terminó y es hora de limpiar! Sarah usa un producto que contiene soda para lavar que elimina efectivamente toda la grasa y el aceite que estaba en la parrilla de la barbacoa y otros utensilios.
La sosa (o carbonato de sodio o carbonato de sodio ), Na 2 CO 3 , es un componente clave para jabones de lavandería y muchos otros productos domésticos. El carbonato de sodio también se utiliza en las industrias del papel y la lana, pero la mayor demanda proviene de la industria del vidrio.
De hecho, la demanda mundial de carbonato de sodio supera los 50 millones de toneladas al año. ¿Cómo nos mantenemos al día con esta enorme demanda? Bueno, se puede fabricar de diversas formas, pero por razones económicas, la mayor parte se fabrica ahora mediante un proceso industrial conocido como proceso Solvay.
El proceso de Solvay
El proceso Solvay , también conocido como proceso amoniaco-sosa, fue desarrollado en 1861 por el químico industrial belga Ernest Solvay.
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Los materiales utilizados en el proceso Solvay están fácilmente disponibles y son económicos. Incluyen:
- Salmuera o solución de cloruro de sodio. Proporciona iones de sodio en la fabricación del carbonato de sodio. La salmuera puede obtenerse fácilmente tanto del interior como del océano.
- Caliza o carbonato de calcio. Proporciona iones de carbonato en la producción de carbonato de sodio. La piedra caliza se obtiene fácilmente de la minería.
- El amoníaco se fabrica industrialmente mediante el proceso de Haber. El amoníaco es caro, pero como verá, se recicla en el proceso.
La fabricación de carbonato de sodio mediante el proceso de Solvay implica muchas reacciones, pero las partes principales del proceso incluyen la purificación de la salmuera, la formación del hidrogenocarbonato de sodio y el carbonato de sodio, seguida de la recuperación de amoníaco.
Veamos los detalles de estos pasos principales.
Etapa 1: Purificación de salmuera
Primero, la salmuera se somete a evaporación para aumentar la concentración de sal y eventualmente formar una solución saturada. La precipitación, por ejemplo con hidróxido de sodio, también se lleva a cabo para eliminar cualquier impureza como sales de magnesio, hierro y calcio que puedan estar presentes.
Después, la solución de salmuera saturada se filtra y se pasa a través de una torre de amoniaco. El gas amoniaco se absorbe en la salmuera concentrada para producir cloruro de sodio acuoso y amoniaco acuoso. Este proceso de amoníaco es exotérmico, por lo que la energía se libera en forma de calor. La torre de amoniaco eventualmente necesita ser enfriada.
Etapa 2: Formación de carbonato de hidrógeno y sodio
Luego, se burbujea dióxido de carbono a través de la solución de salmuera amoniacal en una torre conocida como torre de carbonatación o Solvay.
El dióxido de carbono se produce en un horno de cal donde la piedra caliza, CaCO 3 se calcina o se descompone térmicamente a 900 ° C según la ecuación:
CaCO 3 —> CO 2 (g) + CaO (s)
El dióxido de carbono se disuelve en agua para producir un ácido carbónico, H 2 CO 3 , que es un ácido débil que se disocia para producir iones H + .
CO 2 (g) + H 2 O (l) —> H 2 CO 3 <——> HCO 3 – (aq) + H + (aq)
Mientras que el amoníaco en la salmuera reacciona con H + para formar iones de amonio (ecuación 1), el Na + en la salmuera reacciona con el HCO 3 – para formar hidrogenocarbonato de sodio (ecuación 2), que precipita.
- Ecuación 1: NH 3 (aq) + H + (aq) —-> NH 4 + (aq)
- Ecuación 2: HCO 3 – (aq) + Na + (aq) —> NaHCO 3 (s)
La reacción general en la torre de carbonatación que conduce a la formación de hidrogenocarbonato de sodio viene dada por:
NH 3 (ac) + CO 2 (g) + NaCl (ac) + H 2 O (l) —> NaHCO 3 (s) + NH 4 Cl (ac)
Etapa 3: Formación de carbonato de sodio
A continuación, se retira el hidrogenocarbonato de sodio suspendido de la torre de carbonatación y se calienta a 300 ° C para producir carbonato de sodio.
2NaHCO 3 (s) —> Na 2 CO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O (g)
El dióxido de carbono así producido se recicla, se reutiliza y se pasa a la torre de carbonatación.
Etapa 4: recuperación de amoníaco
Recuerde que el óxido de calcio, CaO, se forma como un subproducto de la descomposición térmica de la piedra caliza en el horno de cal. Este óxido de calcio entra en un apagador de cal para reaccionar con el agua para formar cal apagada o hidróxido de calcio.
CaO (s) + H 2 O (l) —-> Ca (OH) 2 (aq)
En un destilador, el hidróxido de calcio se hace reaccionar con el cloruro de amonio que se separó de la torre de carbonatación por filtración.
Ca (OH) 2 (aq) + 2NH 4 Cl (aq) —–> CaCl 2 (s) + 2H 2 O (l) + 2NH 3 (g)
El amoníaco se recicla nuevamente en el proceso para formar salmuera amoniacal, mientras que el cloruro de calcio se forma como un subproducto del proceso Solvay.
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Cuestiones ambientales
Existen algunos problemas ambientales asociados con la fabricación de carbonato de sodio a través del proceso Solvay. Los dos gases principales que se producen (dióxido de carbono y amoníaco) pueden perderse en el medio ambiente y causar contaminación del aire .
Si bien una alta concentración de dióxido de carbono en la atmósfera puede contribuir al efecto invernadero, el amoníaco es un contaminante tóxico para todos los vertebrados. Por lo tanto, se debe implementar una gestión adecuada y un seguimiento continuo de los dos gases.
La contaminación térmica ocurre cuando una fábrica toma agua de una fuente natural y la enfría o la calienta. Muchas fábricas que utilizan el proceso Solvay están cerca de cuerpos de agua. Dado que el proceso Solvay consta de unas pocas reacciones que son exotérmicas, se utiliza agua para absorber el calor liberado.
Si esta agua caliente se devuelve al agua cercana, puede ser dañina para los organismos acuáticos. Seguramente adivinará que la mejor manera de evitar la contaminación térmica es dejar que el agua se enfríe antes de cualquier liberación.
El cloruro de calcio es un subproducto sólido blanco del proceso Solvay, y la eliminación de este exceso de desechos sólidos es una preocupación. Sin embargo, no se ha encontrado que el bombeo de cloruro de calcio a los océanos altere los organismos acuáticos.
Resumen de la lección
El proceso Solvay es un proceso industrial que utiliza piedra caliza (CaCO 3 ) para producir dióxido de carbono (CO 2 ) que reacciona con amoniaco (NH 3 ) disuelto en salmuera (NaCl concentrado (aq)) para producir carbonato de sodio.
El proceso Solvay está asociado con problemas ambientales que incluyen la contaminación del aire, la contaminación térmica y la eliminación del exceso de cloruro de calcio. Estos problemas ambientales pueden minimizarse si, a su debido tiempo, se toman las medidas adecuadas.