Carbonato de sodio
El carbonato de sodio, Na 2 CO 3, (también conocido como sosa de lavado, ceniza de sosa y cristales de sosa) es el compuesto inorgánico con la fórmula Na 2 CO 3 y sus diversos hidratos. Todas las formas son sales solubles en agua, blancas e inodoras que producen soluciones moderadamente alcalinas en agua. Históricamente, se extraía de las cenizas de plantas que crecían en suelos ricos en sodio. Debido a que las cenizas de estas plantas ricas en sodio eran notablemente diferentes de las cenizas de madera (que alguna vez se usaron para producir potasa), el carbonato de sodio se conoció como "ceniza de soda". Se produce en grandes cantidades a partir de cloruro de sodio y piedra caliza mediante el proceso Solvay.
Hidratos
El carbonato de sodio se obtiene como tres hidratos y como sal anhidra:
- carbonato de sodio decahidratado (natrón), Na 2 CO 3 ·10H 2 O, que efloresce fácilmente para formar el monohidrato.
- carbonato de sodio heptahidratado (no conocido en forma mineral), Na 2 CO 3 ·7H 2 O.
- monohidrato de carbonato de sodio (termonatrito), Na 2 CO 3 ·H 2 O. También conocido como carbonato de cristal.
- El carbonato de sodio anhidro (natrita), también conocido como soda calcinada, se forma calentando los hidratos. También se forma cuando el hidrogenocarbonato de sodio se calienta (calcinado), por ejemplo, en el paso final del proceso Solvay.
El decahidrato se forma a partir de soluciones acuosas que cristalizan en el rango de temperatura de −2,1 a +32,0 °C, el heptahidrato en el estrecho rango de 32,0 a 35,4 °C y por encima de esta temperatura se forma el monohidrato. En aire seco, el decahidrato y el heptahidrato pierden agua para dar el monohidrato. Se han informado otros hidratos, por ejemplo, con 2,5 unidades de agua por unidad de carbonato de sodio ("pentahemihidrato").
Detergente
El carbonato de sodio decahidratado (Na 2 CO 3 ·10H 2 O), también conocido como soda de lavado, es el hidrato de carbonato de sodio más común que contiene 10 moléculas de agua de cristalización. La ceniza de soda se disuelve en agua y se cristaliza para obtener sosa para lavar.
- Es un sólido cristalino blanco;
- Es uno de los pocos carbonatos metálicos que son solubles en agua;
- es alcalino; convierte el tornasol rojo en azul;
- Tiene propiedades detergentes a través del proceso de saponificación que hace que las grasas y grasas sean miscibles en agua.
Aplicaciones
Algunas aplicaciones comunes del carbonato de sodio incluyen:
- Como agente de limpieza para fines domésticos como lavar la ropa. El carbonato de sodio es un componente de muchos polvos de jabón seco.
- Se utiliza para eliminar la dureza temporal y permanente del agua. (ver ablandamiento del agua).
- Se utiliza en la fabricación de vidrio, jabón y papel. (ver fabricación de vidrio)
- Se utiliza en la fabricación de compuestos de sodio como el bórax.
Fabricación de vidrio
El carbonato de sodio sirve como fundente para la sílice, lo que reduce el punto de fusión de la mezcla a algo que se puede lograr sin materiales especiales. Este "vaso de soda" es levemente soluble en agua, por lo que se agrega algo de carbonato de calcio a la mezcla fundida para que el vidrio sea insoluble. El vidrio de botellas y ventanas (vidrio de cal sodada) se fabrica fundiendo mezclas de carbonato de sodio, carbonato de calcio y arena de sílice (dióxido de silicio (SiO 2)). Cuando estos materiales se calientan, los carbonatos liberan dióxido de carbono. De esta manera, el carbonato de sodio es una fuente de óxido de sodio. El vidrio de cal sodada ha sido la forma más común de vidrio durante siglos. También es un insumo clave para la fabricación de vajillas de vidrio.
Ablandamiento del agua
El agua dura contiene compuestos disueltos, generalmente compuestos de calcio o magnesio. El carbonato de sodio se utiliza para eliminar la dureza temporal y permanente del agua.
Como el carbonato de sodio es soluble en agua y el carbonato de magnesio y el carbonato de calcio son insolubles, el primero se usa para ablandar el agua eliminando Mg y Ca. Estos iones forman precipitados sólidos insolubles tras el tratamiento con iones de carbonato:
Similarmente,
El agua se ablanda porque ya no contiene iones de calcio ni iones de magnesio disueltos.
Aditivo alimentario y cocción.
El carbonato de sodio tiene varios usos en la cocina, en gran parte porque es una base más fuerte que el bicarbonato de sodio, pero más débil que la lejía (que puede referirse al hidróxido de sodio o, con menos frecuencia, al hidróxido de potasio). La alcalinidad afecta la producción de gluten en las masas amasadas y también mejora el dorado al reducir la temperatura a la que ocurre la reacción de Maillard. Para aprovechar el efecto anterior, el carbonato de sodio es, por lo tanto, uno de los componentes de kansui (か ん 水), una solución de sales alcalinas que se utiliza para dar a los fideos ramen japoneses su característico sabor y textura masticable; una solución similar se usa en la cocina china para hacer lamian, por razones similares. Los panaderos cantoneses también usan carbonato de sodio como sustituto del agua de lejía para dar a los pasteles de luna su textura característica y mejorar el dorado. En la cocina alemana (y la cocina centroeuropea en general), los panes como los pretzels y los panecillos de lejía tradicionalmente tratados con lejía para mejorar el dorado se pueden tratar en su lugar con carbonato de sodio; El carbonato de sodio no produce un dorado tan fuerte como la lejía, pero es mucho más seguro y fácil de trabajar.
El carbonato de sodio se utiliza en la producción de sorbete en polvo. La sensación refrescante y burbujeante resulta de la reacción endotérmica entre el carbonato de sodio y un ácido débil, comúnmente ácido cítrico, que libera gas de dióxido de carbono, que ocurre cuando el sorbete se humedece con saliva.
El carbonato de sodio también encuentra uso en la industria alimentaria como aditivo alimentario (E500) como regulador de la acidez, agente antiaglomerante, gasificante y estabilizador. También se utiliza en la elaboración de snus para estabilizar el pH del producto final.
Si bien es menos probable que cause quemaduras químicas que la lejía, se debe tener cuidado al trabajar con carbonato de sodio en la cocina, ya que es corrosivo para los utensilios de cocina, los utensilios y el papel de aluminio.
Otras aplicaciones
El carbonato de sodio también se usa como una base relativamente fuerte en varios campos. Como álcali común, se prefiere en muchos procesos químicos porque es más económico que el hidróxido de sodio y mucho más seguro de manejar. Su suavidad recomienda especialmente su uso en aplicaciones domésticas.
Por ejemplo, se utiliza como regulador de pH para mantener las condiciones alcalinas estables necesarias para la acción de la mayoría de los agentes de revelado de películas fotográficas. También es un aditivo común en piscinas y agua de acuario para mantener el pH y la dureza de carbonato (KH) deseados. En el teñido con tintes reactivos con fibra, se usa carbonato de sodio (a menudo bajo un nombre como fijador de ceniza de soda o activador de ceniza de soda) para garantizar la unión química adecuada del tinte con fibras de celulosa (vegetales), generalmente antes del teñido (para tintes anudados), mezclado con el tinte (para pintar con tinte), o después de teñir (para teñir por inmersión). También se utiliza en el proceso de flotación por espuma para mantener un pH favorable como acondicionador de flotación además de CaO y otros compuestos levemente básicos.
Precursor de otros compuestos
El bicarbonato de sodio (NaHCO 3) o bicarbonato de sodio, también un componente de los extintores de incendios, a menudo se genera a partir del carbonato de sodio. Aunque el NaHCO 3 es en sí mismo un producto intermedio del proceso Solvay, el calentamiento necesario para eliminar el amoníaco que lo contamina descompone parte del NaHCO 3, lo que hace que sea más económico reaccionar con el CO 2 del Na 2 CO 3 acabado:Na2CO3 + CO2 + H2O → 2NaHCO3 _ _ _
En una reacción relacionada, el carbonato de sodio se usa para producir bisulfito de sodio (NaHSO 3), que se usa para el método de "sulfito" para separar la lignina de la celulosa. Esta reacción se aprovecha para eliminar el dióxido de azufre de los gases de combustión en las centrales eléctricas:Na2CO3 + SO2 + H2O → NaHCO3 + NaHSO3 _ _ _
Esta aplicación se ha vuelto más común, especialmente donde las estaciones deben cumplir estrictos controles de emisión.
La industria algodonera utiliza carbonato de sodio para neutralizar el ácido sulfúrico necesario para el deslintado ácido de la semilla de algodón peluda.
También se utiliza para formar carbonatos de otros metales por intercambio iónico, a menudo con los sulfatos de otros metales.
Misceláneas
La industria del ladrillo utiliza el carbonato de sodio como agente humectante para reducir la cantidad de agua necesaria para extruir la arcilla. En fundición, se le conoce como "agente de unión" y se utiliza para permitir que el alginato húmedo se adhiera al alginato gelificado. El carbonato de sodio se usa en pastas dentales, donde actúa como agente espumante y abrasivo, y para aumentar temporalmente el pH de la boca.
El carbonato de sodio también se usa en el procesamiento y curtido de pieles de animales.
Propiedades físicas
La entalpía integral de la solución de carbonato de sodio es −28,1 kJ/mol para una solución acuosa al 10 % p/p. La dureza de Mohs del monohidrato de carbonato de sodio es 1,3.
Ocurrencia como mineral natural
El carbonato de sodio es soluble en agua y puede ocurrir naturalmente en regiones áridas, especialmente en depósitos minerales (evaporitas) formados cuando los lagos estacionales se evaporan. Los depósitos del mineral natrón se han extraído de fondos de lagos secos en Egipto desde la antigüedad, cuando el natrón se usaba en la preparación de momias y en la fabricación temprana de vidrio.
La forma mineral anhidra de carbonato de sodio es bastante rara y se llama natrita. El carbonato de sodio también hace erupción en Ol Doinyo Lengai, el volcán único de Tanzania, y se presume que ha hecho erupción en otros volcanes en el pasado, pero debido a la inestabilidad de estos minerales en la superficie de la tierra, es probable que se erosionen. Las tres formas mineralógicas de carbonato de sodio, así como la trona, dihidrato de hidrogenodicarbonato trisódico, también se conocen a partir de rocas pegmatíticas ultraalcalinas, que se encuentran, por ejemplo, en la península de Kola en Rusia.
Extraterrestres, el carbonato de sodio conocido es raro. Se han identificado depósitos como la fuente de puntos brillantes en Ceres, material interior que ha sido llevado a la superficie. Si bien hay carbonatos en Marte, y se espera que estos incluyan carbonato de sodio, los depósitos aún no se han confirmado, algunos explican que esta ausencia se debe a un dominio global de bajo pH en el suelo marciano previamente acuoso.
Producción
Minería
La trona, también conocida como bicarbonato de sodio trisódico dihidrato (Na 3 HCO 3 CO 3 ·2H 2 O), se extrae en varias áreas de los EE. UU. y proporciona casi todo el consumo nacional de carbonato de sodio. Grandes depósitos naturales encontrados en 1938, como el que se encuentra cerca de Green River, Wyoming, han hecho que la minería sea más económica que la producción industrial en América del Norte. Hay importantes reservas de trona en Turquía; Se han extraído dos millones de toneladas de carbonato de sodio de las reservas cercanas a Ankara. También se extrae de algunos lagos alcalinos como el lago Magadi en Kenia mediante dragado. Los manantiales de agua caliente salina reponen continuamente la sal en el lago de modo que, siempre que la tasa de dragado no supere la tasa de reposición, la fuente es totalmente sostenible.
Barilla y algas
Varias especies de plantas "halófitas" (tolerantes a la sal) y especies de algas marinas pueden procesarse para producir una forma impura de carbonato de sodio, y estas fuentes predominaron en Europa y otros lugares hasta principios del siglo XIX. Las plantas terrestres (típicamente glassworts o saltworts) o las algas marinas (típicamente especies de Fucus) se cosecharon, secaron y quemaron. Luego, las cenizas se "lixivaron" (lavaron con agua) para formar una solución alcalina. Esta solución se hirvió en seco para crear el producto final, que se denominó "ceniza de soda"; este nombre muy antiguo deriva de la palabra árabe soda, a su vez aplicada a la salsola soda, una de las muchas especies de plantas de la costa que se recolectan para la producción. "Barrilla"
La concentración de carbonato de sodio en el carbonato de sodio varió mucho, del 2 al 3 por ciento para la forma derivada de algas ("kelp"), al 30 por ciento para la mejor barilla producida a partir de plantas de salina en España. Las fuentes de plantas y algas marinas para la ceniza de sosa, y también para la "potasa" alcalina relacionada, se volvieron cada vez más inadecuadas a fines del siglo XVIII, y se intensificó la búsqueda de rutas comercialmente viables para sintetizar ceniza de sosa a partir de sal y otros productos químicos.
Proceso leblanc
En 1792, el químico francés Nicolas Leblanc patentó un proceso para producir carbonato de sodio a partir de sal, ácido sulfúrico, piedra caliza y carbón. En el primer paso, el cloruro de sodio se trata con ácido sulfúrico en el proceso de Mannheim. Esta reacción produce sulfato de sodio (torta de sal) y cloruro de hidrógeno:2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl _ _
La torta de sal y la piedra caliza triturada (carbonato de calcio) se redujeron calentándolas con carbón. Esta conversión implica dos partes. Primero está la reacción carbotérmica por la cual el carbón, una fuente de carbono, reduce el sulfato a sulfuro:Na 2 SO 4 + 2C → Na 2 S + 2CO 2
La segunda etapa es la reacción para producir carbonato de sodio y sulfuro de calcio:Na2S + CaCO3 → Na2CO3 + CaS _ _
Esta mezcla se llama ceniza negra. La ceniza de soda se extrae de la ceniza negra con agua. La evaporación de este extracto produce carbonato de sodio sólido. Este proceso de extracción se denominó lixiviación.
El ácido clorhídrico producido por el proceso Leblanc era una fuente importante de contaminación del aire, y el subproducto de sulfuro de calcio también presentaba problemas de eliminación de desechos. Sin embargo, siguió siendo el principal método de producción de carbonato de sodio hasta finales de la década de 1880.
Proceso Solvay
En 1861, el químico industrial belga Ernest Solvay desarrolló un método para producir carbonato de sodio haciendo reaccionar primero cloruro de sodio, amoníaco, agua y dióxido de carbono para generar bicarbonato de sodio y cloruro de amonio:NaCl + NH 3 + CO 2 + H 2 O → NaHCO 3 + NH 4 Cl
El bicarbonato de sodio resultante se convirtió luego en carbonato de sodio calentándolo, liberando agua y dióxido de carbono:2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2 _ _ _
Mientras tanto, el amoníaco se regeneró a partir del subproducto de cloruro de amonio tratándolo con la cal (óxido de calcio) sobrante de la generación de dióxido de carbono:2NH 4 Cl + CaO → 2NH 3 + CaCl 2 + H 2 O
El proceso Solvay recicla su amoníaco. Solo consume salmuera y piedra caliza, y el cloruro de calcio es su único producto de desecho. El proceso es sustancialmente más económico que el proceso Leblanc, que genera dos productos de desecho, sulfuro de calcio y cloruro de hidrógeno. El proceso Solvay rápidamente llegó a dominar la producción de carbonato de sodio en todo el mundo. Para 1900, el 90% del carbonato de sodio se producía mediante el proceso Solvay y la última planta del proceso Leblanc cerró a principios de la década de 1920.
El segundo paso del proceso Solvay, calentar bicarbonato de sodio, lo utilizan en pequeña escala los cocineros caseros y los restaurantes para hacer carbonato de sodio con fines culinarios (incluidos los pretzels y los fideos alcalinos). El método es atractivo para estos usuarios porque el bicarbonato de sodio se vende ampliamente como bicarbonato de sodio, y las temperaturas requeridas (250 °F (121 °C) a 300 °F (149 °C)) para convertir el bicarbonato de sodio en carbonato de sodio se alcanzan fácilmente. en hornos de cocina convencionales.
Proceso de hou
Este proceso fue desarrollado por el químico chino Hou Debang en la década de 1930. El anterior dióxido de carbono, subproducto del reformado con vapor, se bombeó a través de una solución saturada de cloruro de sodio y amoníaco para producir bicarbonato de sodio mediante estas reacciones:CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 23H 2 + N 2 → 2NH 3NH 3 + CO 2 + H 2 O → NH 4 HCO 3NH 4 HCO 3 + NaCl → NH 4 Cl + NaHCO 3
El bicarbonato de sodio se recogió como un precipitado debido a su baja solubilidad y luego se calentó hasta aproximadamente 80 °C (176 °F) o 95 °C (203 °F) para producir carbonato de sodio puro similar al último paso del proceso Solvay. Se agrega más cloruro de sodio a la solución restante de cloruros de amonio y sodio; además, se bombea más amoníaco a 30-40 °C a esta solución. A continuación, la temperatura de la solución se reduce por debajo de 10 °C. La solubilidad del cloruro de amonio es mayor que la del cloruro de sodio a 30 °C y menor a 10 °C. Debido a esta diferencia de solubilidad dependiente de la temperatura y al efecto del ion común, el cloruro de amonio se precipita en una solución de cloruro de sodio.
El nombre chino del proceso de Hou, lianhe zhijian fa (联合制碱法), significa "método alcalino de fabricación acoplado": el proceso de Hou está acoplado al proceso de Haber y ofrece una mejor economía atómica al eliminar la producción de cloruro de calcio, ya que el amoníaco ya no necesita para ser regenerado. El subproducto cloruro de amonio se puede vender como fertilizante.
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