Producción industrial del carbonato de sodio por método solvay

1. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE CARBONATO DE SODIO
QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
GENERALIZACIONES
El carbonato de sodio es una sal inorgánica entre el sodio y el ácido carbónico. También se le conoce mundialmente
como barrilla, natrón, sosa Solvay, soda Solvay, sosa Ash, ceniza de soda y carbonato sódico anhidro o simplemente
sosa (no confundir con la soda cáustica, NaOH).
Es la sustancia alcalina más común que se conoce y utiliza desde la antigüedad.
La fórmula química del carbonato de sodio es Na2
CO3
. ¿Cómo se interpreta? Significa que, en el sólido cristalino, por
cada ion CO3
–2
hay dos iones Na+
.
Na+
CO3
–2
En la imagen está representada la estructura del
Na2
CO3
anhídrido.
Los iones carbonatos tienen una estructura trigonal
plana, con los átomos de oxígeno en sus vértices.
Los iones Na+
están rodeados de seis átomos de
oxígeno, provenientes de los iones CO3
–2
. Es decir,
en el Na2
CO3
anhídrido el sodio se encuentra con
una geometría de coordinación octaédrica (está
encerrado en el centro de un octaedro).

2. QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
GENERALIZACIONES
Sin embargo, esta estructura también es capaz de alojar moléculas de agua, interaccionando por puentes de
hidrógeno con los vértices de los triángulos.
De hecho, los hidratos del Na2
CO3
(Na2
CO3
·10H2
O, Na2
CO3
·7H2
O, Na2
CO3
·H2
O, y otros) son de mayor abundancia
que la sal anhídrida.
La termonatrita (Na2
CO3
·H2
O), el natrón (Na2
CO3
·10H2
O) y la trona (Na3
(HCO3
)(CO3
)·2H2
O son las principales
fuentes naturales del carbonato de sodio, en especial el mineral trona.
El carbonato de sodio puede fabricarse utilizando salmuera de los mares y piedra caliza (CaCO3
) en un proceso
denominado Método Solvay (1863).
La ecuación global que indica sólo los reactivos y productos es:
2NaCl(ac) + CaCO3
(s) → Na2
CO3
(s) + CaCl2
(ac)
CÓMO SE PRODUCE ?
PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE CARBONATO DE SODIO

3. QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
MÉTODO SOLVAY
El proceso Solvay se lleva a cabo por disoluciones y ello hace que las condiciones de proceso sean más sencillas y el
costo sea menor.
La instalación Solvay se forma por cuatro pilares:
1. Columna de saturación (1)
2. Columna de carbonatación
3. Columna recuperadora de
amoníaco (5)
4. Hornos de calcinación
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4. Haciendo pasar amoníaco y dióxido de carbono (en estado gaseoso los dos) por una solución saturada de cloruro de
sodio se forma carbonato ácido de sodio (bicarbonato de sodio) y cloruro de amonio (ambos solubles en agua):
NaCl + NH3
+ CO2
+ H2
O --> NaHCO3
+ NH4
Cl
QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
MÉTODO SOLVAY
El carbonato ácido de sodio se separa de la solución por
filtración y se transforma en carbonato de sodio por
calcinación:
2 NaHCO3
--> Na2
CO3
+ H2
O + CO2
El cloruro de amonio obtenido se hace reaccionar con
hidróxido
de calcio y se recupera amoníaco:
2 NH4
Cl + Ca(OH)2
--> 2 NH3
+ 2 H2
O + CaCl2
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5. QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
MÉTODO SOLVAY
1. COLUMNA DE SATURACION
En esta columna el NH3
se adsorbe en la disolución saturada de NaCl. El NaCl entra por la parte de arriba y el NH3
por la parte inferior.
A la disolución de NH4
Cl y NaCl en agua se le llama Salmuera amoniacal. A ésta se le une el NH3
diluido en agua obtenido en la columna
de recuperación. Al ocurrir esto la disolución de NaCl se diluye por lo que la disolución debe pasar por un lecho de NaCl con el objetivo de
saturarse.
2. COLUMNA DE CARBONATACION
La columna de carbonatación es una columna de absorción con platos
agujereados donde se da esta primera reacción:
NH4
+
+ CO2
+ H2
O → NH4
HCO3
El carbonato ácido de amonio reacciona a continuación con el cloruro de sodio
para dar lugar el carbonato ácido de sodio:
NH4
HCO3
+ NaCl → NaHCO3
+ NH4
Cl
En este momento la disolución se sobresatura y el bicarbonato de sodio
empieza a precipitar, obteniéndolo por la parte de debajo de la columna.
En la disolución aparece NH4
Cl, el NaCl que no ha reaccionado y también
aparecen pequeñas cantidades de NH4
HCO3
.
Por la parte superior de la columna se retira el CO2
que no ha sido adsorbido
además de los gases de combustión.
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6. QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
MÉTODO SOLVAY
La suspensión obtenida por el fondo pasa por un filtro donde se separa el solido de la disolución. El sólido pasa a un horno
mientras la disolución entra a la columna de recuperación de NH
3
.
La disolución consta de cuatro iones diferentes: Cl
-
, HCO
3
-
, Na
+
, NH
4
+
.
Para analizar la composición de la disolución se utiliza el diagrama
de Jaenecke:
Observar que existen ejes donde predomina un ion:
el eje del Cl-
el eje del Na+
el eje del NH4
+
el eje del HCO3
-
Analizar la composición en los puntos P y E
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7. QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
MÉTODO SOLVAY
4. HORNOS DE CALCINACION
a - Horno para la descomposición de NaHCO3
El NaHCO3
se descompone térmicamente (a 150ºC) para dar carbonato sódico
siguiendo la siguiente reacción:
2 NaHCO3
↔ Na2
CO3
+ CO2
+ H2
O
b - Horno de descomposición de CaCO3
(a 1000ºC)
CaCO3
→ CaO + CO2
+ gases de combustión
3. COLUMNA RECUPERADORA DE AMONIACO
Esta columna es una columna de desorción para la recuperación del amoniaco (5). Con el objetivo de liberar el amoniaco del bicarbonato la columna se
calienta dando lugar a la siguiente reacción:
NH4
HCO3
↔ NH3
+ CO2
+ H2
O
Para desorber el amoniaco que está en forma de cloruro se utiliza una base que
en este caso es el Ca(OH)2
.
La corriente de H2
O + NH3
se introduce a la columna de saturación. Siempre hay
perdidas, por lo que se debe introducir amoniaco fresco.
Por la parte inferior se obtiene NaCl (que no ha precipitado) y CaCl2
como subproductos.
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8. Usos
● Tostar (calentar bajo una ráfaga de aire) el cromo y otros extractos y disminuye el contenido de azufre y
fósforo de la fundición y del acero.
● En la fabricación de detergentes, el carbonato de sodio es indispensable en las formulaciones al objeto de
asegurar el correcto funcionamiento del resto de sustancias que lo componen, enzimas, tensioactivos, etc.
● Procesos en los que hay que regular el pH de diferentes soluciones:
Tratamiento de aguas de la industria, procesos de flotación, cerámica, jabones, limpiadores, ablandador de
aguas duras, refinación de petróleos, producción de aluminio, textiles, pulpa y papel.
● Procesamiento metalúrgico
● Preparación de productos farmacéuticos
● Producción de soda cáustica mediante el proceso de la caustificación, bicarbonato de sodio.
● Bajar el punto de fusión del silicio y poder trabajarlo mejor, también aporta el sólido necesario para formar la
red.
QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE CARBONATO DE SODIO

9. Propiedades
El Na
2
CO
3
es un sólido blanco higroscópico, inodoro, con un peso molecular de 106 g/mol y una densidad de 2,54 kg/m
3
a
25 ºC.
Sus propiedades cambian a medida que incorpora una molécula de agua a su estructura cristalina. Como el agua puede
formar puentes de hidrógeno y los iones «abren espacio” entre estos, el volumen del cristal aumenta y la densidad del hidrato
disminuye. Por ejemplo, para el Na
2
CO
3
·10H
2
O, su densidad es 1,46 g/mL.
A pesar de que los iones CO
3
–2
y Na
+
difieren en tamaños, sus interacciones electrostáticas son muy eficientes y mantienen
una red cristalina estable.
Las moléculas de agua “entorpecen” estas interacciones y, como resultado de esto, los hidratos son más susceptibles a
descomponerse que el anhídrido.
Es una sal básica; es decir, disuelto en agua genera una solución con un pH mayor a 7. Esto se debe a la hidrólisis del CO
3
–2
,
cuya reacción libera OH
–
en el medio:
CO
3
–2
(ac) + H
2
O(l) => HCO
3
–
(ac) + OH
–
(ac)
Es muy soluble en agua y en solventes polares, tales como glicerol, glicerina, acetona, acetatos, y amoníaco líquido.
QUÍMICA APLICADA E INDUSTRIAL
PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE CARBONATO DE SODIO