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Laboratorio de Química industrial. Práctica # 6. Producción de NaOH

Producción de hidróxido de sodio (NaOH) por el método de caustificación con cal apagada y carbonato de sodio Garcias, E; Uzcategui, E.; Gómez V. [email protected]. [email protected]. [email protected]

Laboratorio de Química Industrial Escuela de Ingeniería Química. Departamento de Química Industrial y Aplicada Mérida, estado Mérida, octubre de 2017 Resumen Los procesos industriales para la formación de soda caustica están basados en la electrolisis en celdas especiales de salmuera, para nuestro caso de estudio se produce hidróxido de sodio a partir del método de caustificación, tratando el carbonato de sodio con cal apagada, en donde se utilizan varias operaciones unitarias como la filtración y decantación cuando separamos el carbonato de calcio formado de la solución clarificada que contiene el hidróxido de sodio. La cal se debe apagar debido a que si se trabaja con cal viva la reacción al ser muy exotérmica podría saltar y causar quemaduras. Para este experimento se pesaron 12,0001 gr de Cal viva y se apagaron con 5ml de agua, aparte se prepararon 150 ml de una solución de Na2CO3 al 16,5 p/v la cual se llevó a ebullición, luego se agregó la cal apagada, agregando agua de reposición para mantener el volumen constante al cabo de cuarenta y cinco minutos se dejó enfriar la solución. Cuando sedimentó el carbonato de calcio se separó de la solución clarificada por decantación y luego filtración. La solución clarificada contiene el hidróxido de sodio deseado, así que se extrajo una alícuota de la solución y se tituló con ácido clorhídrico al 0,459886 N y anaranjado de metilo como indicador, dando una concentración de hidróxido de sodio del 2,99 N. Se obtuvieron 13,14 gr de Hidróxido de Sodio y un Rendimiento del 76,72 % lo que nos demuestra la eficiencia de este método para obtener NaOH.

Introducción El hidróxido de sodio es una base fuerte (pH de 14 en una solución al 5 %) conocida como sosa caustica, lejía que en solución se le llama lejía de sosa. A temperatura ambiente es sólido cristalino, blanco, sin olor y que reacciona rápidamente con dióxido de carbono para generar carbonato de sodio y con la humedad del aire (higroscópico). Es una sustancia muy corrosiva para muchos metales, reacciona con sales de amonio generando peligro de producción de fuego, ataca algunas formas de plástico,

caucho y recubrimientos.[ CITATION Elv89 \l 8202 ]. Se disuelve con facilidad en agua (solubilidad de 1,11 g/ml) generando gran cantidad de calor y disociándose por completo en sus iones, es también muy soluble en Etanol y Metanol. Reacciona con ácidos (también generando calor), compuestos orgánicos halogenados y con metales como el Aluminio, Estaño y Zinc generando hidrógeno, que es un gas combustible altamente explosivo. [ CITATION Fac10 \l 8202 ] La gran afinidad del Hidróxido de Sodio por el agua causa una reducción en la presión de

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vapor del agua y por tal razón es un muy buen agente secante. El hidróxido de sodio es uno de los principales compuestos químicos utilizados en la industria de forma solida o como solución, normalmente estas aplicaciones requieren de soluciones diluidas. Se usa en la manufactura de jabones ya que interviene en las reacciones de saponificación, producción de intermediarios nucleofílicos aniónicos, en reacciones de esterificación y eterificación en la catálisis básica, papel, explosivos pigmentos y productos del petróleo y en la industria química en general. [ CITATION Wik17 \l 8202 ]. Se presenta también en forma comercial en limpiadores para estufas y drenajes. En la industria de alimentos tiene importancia en los procesos de pelado químico. Todo el hidróxido de sodio consumido puede clasificarse en las siguientes aplicaciones: En la industria química inorgánica se usa en la manufactura de sales de sodio, para la digestión alcalina de minerales metálicos y en la regulación de pH.[ CITATION Elv89 \l 8202 ]. En la industria de papel se usa para el cocido de la madera en la operación de eliminación de lignina. En la industria textil se usa en la producción de fibras de viscosa. Además, se usa en el tratamiento de fibras de algodón para mejorar sus propiedades. La industria de los detergentes lo usa para la producción de fosfato de sodio y para procesos de sulfonación en medio básico. En la producción de aluminio se usa para el

tratamiento de la bauxita. En limpieza de metales, recubrimientos óxidos, extracción electrolítica y como agente de ajuste de pH. En tratamiento de aguas residuales y purificación de agua de proceso se emplea para regenerar resinas de intercambio iónico.[ CITATION Wik17 \l 8202 ] Además de las industrias anteriores, el hidróxido de sodio tiene aplicaciones en el electroplateado, en la industria del petróleo para en la elaboración de lodos de perforación a base de agua y del gas natural, en la manufactura de vidrio, y otros. De forma general, el hidróxido sodio se produce por electrólisis, cambios iónicos de soluciones acuosas cloruro de sodio, o por la reacción carbonato de sodio con hidróxido calcio llamada caustificación.

de o de de de

La forma más común de producción de hidróxido de sodio es como solución al 50% por electrólisis de cloruro de sodio. En esta reacción se genera hidróxido de sodio, cloro e hidrógeno de acuerdo con la siguiente ecuación: 2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2 + H2 Por lo común ingresa al proceso una solución de cloruro de sodio del 27%, esta sufre el proceso de electrólisis; la solución resultante se hace pasar por celdas de diafragma, de membrana o de mercurio, según la tecnología instalada. En la celda de diafragma resulta una solución de entre 9% y 12% de NaOH y 18% de NaCl; la solución pasa a concentración por evaporación, donde

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también se purifica por procedimientos de cristalización fraccionada. La celda de mercurio genera directamente la solución de 50% de concentración; el mercurio se retira por centrifugación y posterior cristalización o por paso a través de un sistema de filtración (cartuchos o platos). Finalmente, en la celda de membrana, en la que se evita la mezcla de electrolitos por la presencia de la membrana, se obtiene una solución de 28% a 35% de NaOH que se concentra luego hasta 50% por acción de evaporadores de película descendente. La solución final que se genera por este procedimiento es muy pura.

Por último, tenemos el proceso de caustización del carbonato de sodio con cal apagada, proceso que se va a utilizar en la práctica. Es un producto que compite con el que se obtiene por electrolisis de disoluciones acuosas de cloruro de sodio, bien como producto de la fabricación de cloro, o como sub-producto en dicha industria. De hecho, al ser la sosa caustica más difícil de transportar que el carbonato sódico (debido a que reacciona con el aire y la humedad) frecuentemente las fábricas importantes que la necesitan se surten del CO3Na2 y por caustificación de su disolución obtienen la lejía de sosa cáustica.

Para el proceso con cambio iónico lo estudia la Chemical Separation Corp. De Oak Ridge. En esencia consiste en hacer posible esta sencilla reacción, en medio acuoso:

La reacción consiste en mezclar una solución caliente de carbonato de sodio (CO3Na2) al 12% con lechada de cal (Ca(OH)2).

2NaCl + Ca(OH)2 => 2NaOH + Cl2Ca Se usa una resina de cambio aniónico. Si esta resina esta inicialmente de forma clorada, R-Cl, al ponerla en contacto con una corriente de agua de cal, la resina toma la forma de hidróxido y fluye una disolución de CL2Ca, residual. Una vez que todo el lecho de resina tiene forma hidróxido, se sustituye el flujo de Ca(OH)2 dilución por otro de salmuera. Con lo que la resina vuelve a la forma primitiva quedando dispuesta para seguir su trabajo, mientras el flujo que sale del contacto con la resina está constituido por disolución de hidróxido de sodio. [ CITATION Ort76 \l 8202 ]

CaO + H2O => Ca(OH)2 En este proceso precipita carbonato de calcio quedando en solución el hidróxido de sodio de acuerdo a la reacción siguiente: NaCO3 + Ca(OH)2 => 2NaOH + CaCO3 Se opera a unos 100 °C para facilitar la velocidad de la transformación y la filtrabilidad del precipitado. La suspensión resultante se filtra y se lava. El CaCO3 lavado retiene un 1,5 % de sosa; se utiliza como materia prima en vidriera y también para producir por calcinación el CaO necesario para la caustificación. Mientras que la lejía de álcali caustico se concentra por evaporación cuando es necesario hasta un 50 %.[ CITATION Ort76 \l 8202 ]

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cambio de viraje (anaranjado de metilo).

La práctica se llevó a cabo con el objeto de producir hidróxido de sodio a partir del método de caustificación con carbonato de sodio.

del

indicador

Materiales y Métodos Para la elaboración de la sosa caustica, se pesó en un vaso precipitado (marca Kimax clase A) 12,0010 g de cal viva (Científica Andina C.A.) en una balanza analítica (Denver Instrumental M220 de 0,0001g de apreciación), la cual se procedió a apagar con 5 ml de agua destilada, medidos en un cilindro graduado (seviver clase B ± 0,1 ml). Al mismo tiempo se preparó 150 ml de una solución de Na2CO3 al 16,5% p/v, pesando 24,7500 g del compuesto (Riedel-de Haen, USA, 99% de pureza) en la misma balanza analítica antes mencionada y en un vaso precipitado de 250 ml (marca Kimax clase A), llevándola a ebullición en una plancha térmica (marca Corning) y agregándole la cal apagada al momento de la ebullición. Después se procedió a agitar constantemente por un tiempo de 45 min, en la que se tuvo agua caliente de reposición para mantener el volumen de la solución constante en 150 ml. Pasado los 45 min se dejó reposar, se decantó y se filtró el sólido remanente, obteniendo así, un volumen de líquido clarificado de 110 ml. Por último, se tomó una alícuota de 5 ml de la solución (cilindro de 10 ml seviver clase B ± 0,1 ml) y titulándola con HCL 0,459886 N, usando para la titulación una probeta (50 ml, marca Kimax USA, apreciación de 0,1 ml), necesitando 34 ml de HCL para notar el

Resultados y Discusión En la Tabla 1 se presentan todos los valores utilizados para cada grupo en el desarrollo de la práctica, y en la tabla 2 se muestran los cálculos realizados.

Grupo

Vclaf.

VHCL.

(ml)

(ml)

MCaO (g)

MNa2CO3 (g)

6,0030

12,3750

64,0

25,30

1 2 3

12,0382

24,7500

99,0

37,00

12,0010

24,7500

110,0

32,50

4

12,0455

24,9360

137,1

33,30

5

11,9962

24,7629

136,9

35,40

6,0245

12,2800

69,4

24,25

10,0207

24,7780

65,0

49,50

6 7

Tabla 1 Datos obtenidos experimentalmente en el desarrollo de la practica

Tabla 2 Valores obtenidos para la producción de NaOH a partir del método de caustificación. Grupo

1 2 3 4 5 6 7

CNaOH (N)

nNaOH (mol)

nNaOH Teo.

%

(mol)

Rendimiento

2,33

0,149

0,2144

69,47

3,40 2,99 3,06 3,26 2,23 4,55

0,337 0,329 0,420 0,446 0,155 0,296

0,4299 0,4286 0,4302 0,4284 0,2152 0,3579

78,36 76,72 97,61 104,04 71,94 82,69

En la Tabla 2 se puede observar el alto rendimiento que le dio en los grupos 4

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y 5 esto se pudo deber a que se contaminó la muestra de HCl al momento de hacer la titulación. Por lo que no se toman para los cálculos estadísticos.

equipos ni tiempo, lo cual conlleva a gastos económicos bajos, por lo que su utilización a nivel industrial es recomendada.

Al momento de agregar el agua a la cal viva se puede apreciar, como esta reacción es altamente exotérmica, ya que el vaso se comenzó a calentarse, debido a la reacción del agua con el CaO, formándose una mezcla entre los compuestos (lo que se le llama cal apagada). Este paso (apagado de la cal) se hace por medidas de seguridad para que el carbonato de calcio no reaccione directamente con la solución de Na2CO3 y pueda salpicar hacia nosotros, causando quemaduras.

Conclusiones y Recomendaciones

En la reacción de formación del NaOH se realizó en caliente para promover la interacción entre los compuestos, y hacer que la misma sea más rápida, esto lo podemos atribuir a la constante de equilibrio de la reacción, ya que a mayor temperatura (por ser una reacción exotérmica), la misma será más alta y la conversón de reactivos a productos mayor. Además del calor introducido por la plancha, a la reacción se le agrego otra energía para poder mejorar el rendimiento. Esta energía viene dada por la agitación constante que se le dio a la solución, lo que ayudo a mantener las concentraciones iguales en toda la solución. En términos generales este método para producir NaOH es muy bueno, ya que todos los rendimientos estuvieron por encima de 70% con excepción del grupo 1. No se necesitan una gran cantidad de





Se produjo 13,2 g de hidróxido de sodio en solución a partir de 12,001 g de cal viva. Se obtuvo un rendimiento de 76,72% para nuestro grupo y un

promedio de 75,84% para el experimento, excluyendo los grupos contaminados. 

La caustificación del carbonato de sodio es un método eficiente para la producción de hidróxido de sodio.

Referencias

Laboratorio de Química industrial. Práctica # 6. Producción de NaOH Elvers B, H. S., & Quinta. (1989). Enciclopedia of Industrial Chemistry (Vol. QUINTO). New York, USA: VCH. Francisco, F. r. (2010). Industria de Procesos. Bogota: Universidad tecnologica nacional. Ortuño, A. V. (1976). Curso de introduccion a la quimica industrial. Madrid, España: ALHAMBRA, S.A. Wikipedia. (6 de octubre de 2017). hidroxido de sodio. Obtenido de Wikipedia : http://es.wikipedia.org/wiki/Hidróxido_de_sodio

Moles teoricosNaOH =

12,001 ∗2 56

Moles teoricosNaOH =0,4286 mol

Anexos: %Rendimiento NaOH =

Muestra de Calculo: Se muestra el cálculo para la concentración de la lejía obtenida, los moles experimentales y teóricos el rendimiento experimental del hidróxido de sodio con respecto al teórico. N 1∗V 1=N 2∗V 2 N 1=

N 2∗V 2 V1

mol ∗32,5 ml L 5 ml

0,459886 N 1= N 1=2,99

mol L

Moles NaOH =2,99

mol ∗0,11 L L

Moles NaOH =0,3288 mol Moles teoricos NaOH =

m CaO ∗2 nCaO

0,3288 mol ∗100 0,4286 mol

%Rendimiento NaOH =¿ 76,72 %

Para más información de los cálculos por favor revisar el hipervínculo Soda Caustica.xlsx...