Sulfato de sodio

Sulfato de sodio (también conocido como sulfato de sodio o sulfato de soda) es el compuesto inorgánico con fórmula Na₂Así que...₄ así como varios hidratantes relacionados. Todas las formas son sólidos blancos que son altamente solubles en agua. Con una producción anual de 6 millones de toneladas, el decahidrato es un producto químico importante. Se utiliza principalmente como relleno en la fabricación de detergentes de lavado casero en polvo y en el proceso Kraft de pulpado de papel para hacer sulfuros altamente alcalinos.

Formas

• Sulfato de sodio anhydrous, conocido como la rara termardita mineral, utilizado como agente de secado en síntesis orgánica.
• Sulfato de sodio de heptahidratos, una forma muy rara.
• Sulfato de sodio de decahidrato, conocido como el mineral mirabilite, ampliamente utilizado por la industria química. También se conoce como sal de Glauber.

Historia

El decahidrato de sulfato de sodio se conoce como sal de Glauber en honor al químico y boticario holandés-alemán Johann Rudolf Glauber (1604-1670), quien la descubrió en agua de manantial austríaca en 1625. La llamó sal mirabilis (sal milagrosa), por sus propiedades medicinales: los cristales se utilizaban como laxante de uso general, hasta hace poco tiempo. En el siglo XX surgieron alternativas sofisticadas. Sin embargo, J. Kunckel afirmó más tarde que ya a mediados del siglo XVI se conocía en Sajonia como una medicina secreta.

En el siglo XVIII, la sal de Glauber comenzó a utilizarse como materia prima para la producción industrial de carbonato de sodio (carbonato de sodio), mediante reacción con potasa (carbonato de potasio). La demanda de carbonato de sodio aumentó y la oferta de sulfato de sodio tuvo que aumentar en consecuencia. Por lo tanto, en el siglo XIX, el proceso Leblanc a gran escala, que producía sulfato de sodio sintético como intermediario clave, se convirtió en el principal método de producción de ceniza de sosa.

Propiedades químicas

El sulfato de sodio es un típico sulfato iónico unido electrostáticamente. La existencia de iones sulfato libres en solución está indicada por la fácil formación de sulfatos insolubles cuando estas soluciones se tratan con sales de Ba2+ o Pb2+:

Na₂Así que...₄ + BaCl₂ → 2 NaCl + BaSO₄

El sulfato de sodio no reacciona con la mayoría de los agentes oxidantes o reductores. A altas temperaturas, se puede convertir en sulfuro de sodio mediante reducción carbotérmica (también conocida como reducción termoquímica de sulfato (TSR), calentamiento a alta temperatura con carbón vegetal, etc.):

Na₂Así que...₄ + 2 C → Na₂S + 2 CO₂

Esta reacción se empleó en el proceso Leblanc, una ruta industrial extinta para obtener carbonato de sodio.

El sulfato de sodio reacciona con el ácido sulfúrico para dar la sal ácida bisulfato de sodio:

Na₂Así que...₄ + H₂Así que...₄ ⇌ 2 NaHSO₄

El sulfato de sodio muestra una tendencia moderada a formar sales dobles. Los únicos alumbres formados con metales trivalentes comunes son NaAl(SO4)2 (inestable por encima de 39 °C) y NaCr(SO₄)₂, a diferencia del sulfato de potasio y amonio. sulfato que forman muchos alumbre estables. Se conocen sales dobles con algunos otros sulfatos de metales alcalinos, incluido Na₂SO₄·3K₂SO₄, que Se produce naturalmente como el mineral aftitalita. La formación de glaserita mediante la reacción de sulfato de sodio con cloruro de potasio se ha utilizado como base de un método para producir sulfato de potasio, un fertilizante. Otras sales dobles incluyen 3Na₂SO₄·CaSO₄, 3Na₂SO₄·MgSO₄ (vanthoffita) y NaF·Na₂SO₄.

Propiedades físicas

El sulfato de sodio tiene características inusuales de solubilidad en agua. Su solubilidad en agua aumenta más de diez veces entre 0 °C y 32.384 °C, donde alcanza un máximo de 49,7 g/100 ml. En este punto la curva de solubilidad cambia de pendiente y la solubilidad se vuelve casi independiente de la temperatura. Esta temperatura de 32,384 °C, correspondiente a la liberación del agua cristalina y la fusión de la sal hidratada, sirve como referencia de temperatura precisa para la calibración del termómetro.

Estructura

Los cristales del decahidrato consisten en iones [Na(OH₂)₆]⁺ con geometría molecular octaédrica. Estos octaedros comparten bordes de modo que 8 de las 10 moléculas de agua están unidas al sodio y otras 2 son intersticiales, estando unidas por puentes de hidrógeno al sulfato. Estos cationes están unidos a los aniones sulfato mediante enlaces de hidrógeno. Las distancias Na-O son de aproximadamente 240 pm. El sulfato de sodio cristalino decahidratado también es inusual entre las sales hidratadas porque tiene una entropía residual mensurable (entropía en el cero absoluto) de 6,32 J/(K·mol). Esto se atribuye a su capacidad para distribuir agua mucho más rápidamente en comparación con la mayoría de los hidratos.

Producción

La producción mundial de sulfato de sodio, casi exclusivamente en forma de decahidrato, asciende aproximadamente a 5,5 a 6 millones de toneladas anuales (Mt/a). En 1985, la producción fue de 4,5 Mt/a, la mitad de fuentes naturales y la otra mitad de producción química. Después de 2000, a un nivel estable hasta 2006, la producción natural había aumentado a 4 Mt/a, y la producción química disminuyó a 1,5 a 2 Mt/a, con un total de 5,5 a 6 Mt/a. Para todas las aplicaciones, el sulfato de sodio producido naturalmente y el producido químicamente son prácticamente intercambiables.

Fuentes naturales

Dos tercios de la producción mundial del decahidrato (sal de Glauber) es de la forma mineral natural mirabilite, por ejemplo, como se encuentra en las camas del lago en el sur de Saskatchewan. En 1990, México y España fueron los principales productores mundiales de sulfato de sodio natural (cada unas 500.000 toneladas), con Rusia, Estados Unidos y Canadá alrededor de 350.000 toneladas cada una. Los recursos naturales se estiman en más de 1.000 millones de toneladas.

China Principales productores de 200,000 a 1,500,000 toneladas/año en 2006 incluyeron Searles Valley Minerals (California, Estados Unidos), Airborne Industrial Minerals (Saskatchewan, Canadá), Química del Rey (Coahuila, México), Minera de Santa Marta y Criaderos Minerales Y Derivados, también conocido como Grupo Crimidesa (Burgos, España), Minera de Santa Marta (Tolequisdo, España), Sudu [zh] (Shanxi, China), Provincia de Sichuan Chuanmei Mirabilite [zh], Distrito de Dongpo, Meishan, Sichuan, China), y Kuchuksulphat JSC (Altai Krai, Siberia, Rusia).

El sulfato de sodio anhidro se encuentra en ambientes áridos como el mineral tenardita. Lentamente se vuelve mirabilite en el aire húmedo. El sulfato de sodio también se encuentra como glauberita, un mineral de sulfato de calcio y sodio. Ambos minerales son menos comunes que la mirabilita.

Industria química

Aproximadamente un tercio del sulfato de sodio del mundo se produce como subproducto de otros procesos en la industria química. La mayor parte de esta producción es químicamente inherente al proceso primario y sólo marginalmente económica. Por lo tanto, gracias al esfuerzo de la industria, la producción de sulfato de sodio como subproducto está disminuyendo.

La producción química de sulfato de sodio más importante se produce durante la producción de ácido clorhídrico, ya sea a partir de cloruro de sodio (sal) y ácido sulfúrico, en el proceso de Mannheim, o a partir de dióxido de azufre en el proceso de Hargreaves. El sulfato de sodio resultante de estos procesos se conoce como torta de sal.

Mannheim: 2 NaCl + H₂Así que...₄ → 2 HCl + Na₂Así que...₄

Hargreaves: 4 NaCl + 2 SO₂ + O₂ + 2 H₂O → 4 HCl + 2 Na₂Así que...₄

La segunda producción importante de sulfato de sodio son los procesos donde el excedente de hidróxido de sodio se neutraliza con ácido sulfúrico para obtener sulfato (SO2−4) mediante el uso de sulfato de cobre (CuSO₄) (como se aplicó históricamente a gran escala en la producción de rayón utilizando hidróxido de cobre (II). Este método también es una preparación de laboratorio cómoda y que se aplica regularmente.

2 NaOH(aq) + H₂Así que...₄(aq) → Na₂Así que...₄(aq) + 2 H₂O(l) ΔH = -112,5 kJ (muy exotérmico)

En el laboratorio también se puede sintetizar a partir de la reacción entre bicarbonato de sodio y sulfato de magnesio, precipitando carbonato de magnesio.

2 NaHCO₃ + MgSO₄ → Na₂Así que...₄ + MgCO₃ + CO₂ + H₂O

Sin embargo, como las fuentes comerciales están fácilmente disponibles, la síntesis de laboratorio no se practica con frecuencia. Anteriormente, el sulfato de sodio también era un subproducto de la fabricación de dicromato de sodio, donde se agrega ácido sulfúrico a una solución de cromato de sodio formando dicromato de sodio, o posteriormente ácido crómico. Alternativamente, el sulfato de sodio se forma o se formó en la producción de carbonato de litio, agentes quelantes, resorcinol, ácido ascórbico, pigmentos de sílice, ácido nítrico y fenol.

El sulfato de sodio a granel generalmente se purifica mediante la forma decahidrato, ya que la forma anhidra tiende a atraer compuestos de hierro y compuestos orgánicos. La forma anhidra se produce fácilmente a partir de la forma hidratada mediante un calentamiento suave.

Los principales productores de subproductos de sulfato de sodio de 50 a 80 Mt/a en 2006 incluyen Elementis Chromium (industria del cromo, Castle Hayne, Carolina del Norte, EE. UU.), Lenzing AG (200 Mt/a, industria del rayón, Lenzing, Austria), Addiseo (anteriormente Rhodia, industria de la metionina, Les Roches-Roussillon, Francia), Elementis (industria del cromo, Stockton-on-Tees, Reino Unido), Shikoku Chemicals (Tokushima, Japón) y Visko-R (industria del rayón, Rusia).

Aplicaciones

Industrias de productos básicos

Con un precio en Estados Unidos de 30 dólares por tonelada en 1970, hasta 90 dólares por tonelada para la calidad de la torta de sal y 130 dólares para las mejores calidades, el sulfato de sodio es un material muy barato. El uso más importante es como relleno en detergentes en polvo para ropa domésticos, y consume aproximadamente el 50% de la producción mundial. Este uso está disminuyendo a medida que los consumidores domésticos cambian cada vez más a detergentes compactos o líquidos que no incluyen sulfato de sodio.

Fabricación de papel

Otro uso anteriormente importante del sulfato de sodio, especialmente en EE. UU. y Canadá, es el proceso Kraft para la fabricación de pulpa de madera. Los compuestos orgánicos presentes en el "licor negro" de este proceso se queman para producir calor, necesario para impulsar la reducción del sulfato de sodio a sulfuro de sodio. Sin embargo, debido a los avances en la eficiencia térmica del proceso de recuperación de Kraft a principios de la década de 1960, se logró una recuperación de azufre más eficiente y se redujo drásticamente la necesidad de reposición de sulfato de sodio. Por lo tanto, el uso de sulfato de sodio en la industria de la pulpa de Estados Unidos y Canadá disminuyó de 1.400.000 toneladas por año en 1970 a sólo aprox. 150.000 toneladas en 2006.

Fabricación de vidrio

La industria del vidrio ofrece otra aplicación importante para el sulfato de sodio, siendo la segunda aplicación más grande en Europa. El sulfato de sodio se utiliza como agente clarificante para ayudar a eliminar pequeñas burbujas de aire del vidrio fundido. Funde el vidrio y previene la formación de espuma en el vidrio fundido durante el refinado. La industria del vidrio en Europa ha consumido desde 1970 hasta 2006 unas 110.000 toneladas anuales.

Textiles

El sulfato de sodio es importante en la fabricación de textiles, particularmente en Japón, donde es la aplicación más importante. Se añade sulfato de sodio para aumentar la fuerza iónica de la solución y así ayuda a "nivelar", es decir, reducir las cargas eléctricas negativas en las fibras textiles, de modo que los tintes puedan penetrar uniformemente (consulte la teoría de la doble capa difusa ( DDL) elaborado por Gouy y Chapman). A diferencia del cloruro de sodio alternativo, no corroe los recipientes de acero inoxidable utilizados para teñir. Esta aplicación en Japón y EE.UU. consumió en 2006 aproximadamente 100.000 toneladas.

Industria alimentaria

El sulfato de sodio se utiliza como diluyente de colorantes alimentarios. Se conoce como aditivo de número E E514.

Almacenamiento de calor

La alta capacidad de almacenamiento de calor en el cambio de fase de sólido a líquido y la ventajosa temperatura de cambio de fase de 32 °C (90 °F) hacen que este material sea especialmente apropiado para almacenar calor solar de baja calidad para su posterior liberación en el espacio. Aplicaciones de calefacción. En algunas aplicaciones, el material se incorpora a baldosas térmicas que se colocan en un ático, mientras que en otras aplicaciones, la sal se incorpora a celdas rodeadas de agua calentada por energía solar. El cambio de fase permite una reducción sustancial de la masa del material necesaria para un almacenamiento eficaz de calor (el calor de fusión del sulfato de sodio decahidratado es 82 kJ/mol o 252 kJ/kg), con la ventaja adicional de una consistencia de temperatura tan larga. ya que se dispone de material suficiente en la fase adecuada.

Para aplicaciones de refrigeración, una mezcla con sal de cloruro de sodio común (NaCl) reduce el punto de fusión a 18 °C (64 °F). El calor de fusión del NaCl·Na₂SO₄·10H₂O, en realidad aumenta ligeramente hasta 286 kJ/kg.

Aplicaciones a pequeña escala

En el laboratorio, el sulfato de sodio anhidro se usa ampliamente como agente secante inerte, para eliminar trazas de agua de soluciones orgánicas. Es más eficaz, pero de acción más lenta, que el agente similar sulfato de magnesio. Sólo es eficaz por debajo de unos 30 °C, pero se puede utilizar con una variedad de materiales ya que es químicamente bastante inerte. Se agrega sulfato de sodio a la solución hasta que los cristales ya no se agrupan; Los dos videoclips (ver arriba) demuestran cómo los cristales se agrupan cuando aún están húmedos, pero algunos cristales fluyen libremente una vez que la muestra está seca.

La sal de Glauber, el decahidrato, se utiliza como laxante. Es eficaz para la eliminación de ciertos fármacos, como el paracetamol (acetaminofeno) del cuerpo; por lo tanto se puede utilizar después de una sobredosis.

En 1953, se propuso el sulfato de sodio para almacenar calor en sistemas de calefacción solar pasiva. Esto aprovecha sus inusuales propiedades de solubilidad y el alto calor de cristalización (78,2 kJ/mol).

Otros usos del sulfato de sodio incluyen descongelar ventanas, fabricar almidón, como aditivo en ambientadores de alfombras y como aditivo en la alimentación del ganado.

Al menos una empresa, Thermaltake, fabrica una alfombrilla para enfriar computadoras portátiles (iXoft Notebook Cooler) utilizando sulfato de sodio decahidratado dentro de una almohadilla de plástico acolchada. El material se vuelve líquido lentamente y recircula, igualando la temperatura del portátil y actuando como aislante.

Seguridad

Aunque el sulfato de sodio generalmente se considera no tóxico, debe manipularse con cuidado. El polvo puede provocar asma temporal o irritación ocular; Este riesgo se puede prevenir utilizando protección para los ojos y una máscara de papel. El transporte no está limitado y no se aplica ninguna Frase de Riesgo o Frase de Seguridad.