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1-SÍNTESIS DE NaHCO3 y Na2CO3 POR EL PROCESO SOLVAY

INTRODUCCIÓN

El bicarbonato y el carbonato sódico son dos productos químicos comerciales muy

importantes. El bicarbonato sódico, es el ingrediente principal de las sodas o polvos sustitutivos

de la levadura, en los que actúa como fuente de dióxido de carbono que hace que suba la masa.

También se utiliza en medicina como antiácido. Algunos extintores contienen bicarbonato sódico

pulverizado. La mayor parte del bicarbonato sódico obtenido industrialmente se utiliza para su

conversión en carbonato sódico mediante calentamiento suave, según la siguiente reacción:

2 NaHCO3(s) Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)

El carbonato sódico anhidro se conoce comúnmente como sosa Solvay, sosa de lavar, sal

de sosa o ceniza de sosa y se utiliza en grandes cantidades para la fabricación de vidrios,

jabones, papel, esmaltes y otros productos químicos, así como para ablandar las aguas duras.

En la actualidad, tanto el bicarbonato como el carbonato sódico se preparan

industrialmente por el proceso Solvay, descubierto en 1880 por Ernest Solvay, químico e

industrial belga. En el proceso Solvay (amoníaco-carbónico) el bicarbonato sódico precipita en

una disolución saturada de NaCl por acción combinada del amoníaco y el CO2, a continuación,

se calienta para dar el carbonato regenerándose parte del CO2. Las materias primas de partida

son sal común y caliza (compuesta fundamentalmente por CaCO3), los cuales son abundantes y

baratos. El amoníaco, el otro producto de partida es mucho más caro, pero puede regenerarse a

partir del NH4Cl obtenido en el transcurso del proceso. El procedimiento es considerado como

un buen ejemplo de economía industrial, condición necesaria para su utilización.

El proceso puede considerarse como una serie de reacciones químicas que describiremos a

continuación.

La caliza, compuesta fundamentalmente por CaCO3, se calienta para producir CO2:

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

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El CO2 se pasa a través de una disolución saturada de sal común con NH3(ac) a 0 °C. En

estas condiciones precipita bicarbonato sódico en forma de cristales finamente divididos que se

pueden filtrar de la disolución de NH4Cl. La reacción neta es la siguiente:

NaCl(ac) + NH3(ac) + CO2(g) + H2O(l) NaHCO3(s) + NH4Cl(ac)

Que se puede considerar como el resultado de las tres reacciones siguientes:

a) reacción de CO2 con el amoníaco disuelto, formándose carbonato amónico:

2 NH3(ac) + CO2(g) + H2O(l) (NH4)2CO3(ac)

b) con exceso de CO2 se origina bicarbonato amónico:

(NH4)2CO3(ac) + CO2(g) + H2O(l) 2 (NH4)HCO3(ac)

c) finalmente, en la disolución saturada de NaCl precipita el bicarbonato sódico (la sal

menos soluble), dejando NH4Cl en disolución:

(NH4)HCO3(ac) + NaCl(ac) NaHCO3(s) + NH4Cl(ac)

El bicarbonato sódico se separa por filtración y se purifica por recristalización.

El NH3 puede recuperarse de la disolución de NH4Cl, por reacción con el CaO obtenido

por descomposición térmica de la caliza:

2NH4Cl(ac) + CaO(s) 2NH3(g) + CaCl2(ac) + H2O(l)

El CaCl2 es el único subproducto.

En esta práctica, dadas las dificultades experimentales para reproducir el proceso industrial

completo en nuestro laboratorio, se realizarán únicamente los pasos (b) y (c).

CUESTIONES PREVIAS

1. Haz un diagrama de flujo o esquema de lo que vas a hacer en el procedimiento experimental.

2. Dibuja las estructuras de Lewis y la geometría de los iones HCO3- y CO3

2-.

3. ¿Cómo puede generarse fácilmente CO2 en el laboratorio a partir de roca caliza (CaCO3)?

Escribe y ajusta la reacción correspondiente.

4. De entre las reacciones del proceso Solvay para la obtención del NaHCO3, elige y destaca

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aquellas que intervienen en el procedimiento que se va a seguir en el laboratorio.

5. Escribe y ajusta la reacción correspondiente a la síntesis del Na2CO3 anhidro.

6. ¿Qué disolución debe ser más básica, la de Na2CO3 o la de NaHCO3? ¿Por qué? Justifica la

respuesta a partir de las constantes de acidez del H2CO3: Ka1 = 4,4 x10–7; Ka2 = 5,6 x10–11.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Material Reactivos

Frasco lavador de 200 mL Disolución 1M (NH4)2CO3 y saturada en NaCl

Kitasatos y buchner pequeños Disolución acuosa de AgNO3

Erlenmeyer de 250 mL HCl 6 M

Vasos de 100 mL y 200 mL Dihidrógenofosfato de calcio

Cápsula de porcelana Etanol

Probeta de 100 mL

Vidrio de reloj

Soporte y pinzas

Caudalímetro

Bala de CO2

Papel de pH

A) Síntesis de NaHCO3.

Montad el sistema de reacción que se describe en la figura adjunta (la llave de la bala de

CO2 debe de estar cerrada) con cuatro frascos lavadores en serie conteniendo cada uno 50 mL de

la disolución (NH4)2CO3 (1M)/ NaCl. Previamente se debe lubrificar con grasa de silicona todas

las juntas esmeriladas. Sujetad los frascos lavadores mediante los correspondientes soportes y

pinzas.

Abrid la llave de la botella de CO2 y con la ayuda del manorreductor fijar la presión a 0.5-1

atmósferas. Finalmente, abrir lentamente la válvula del regulador de caudal hasta que el

caudalímetro digital indique un flujo de 0,8 u.a. Se observa turbidez por precipitación de

NaHCO3 en los frascos lavadores. La reacción se completa en unos 30 minutos. El NaHCO3 así

obtenido se filtra en un embudo Buchner y se lava con 10 mL de agua muy fría en pequeñas

porciones. Se repite la operación lavando el precipitado con tres porciones de 2mL H2O:EtOH

(1:1) muy frías y dejando que se seque en la trompa de vacío. Se recoge en papel de filtro, se

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seca y se guarda, hasta la siguiente sesión de prácticas en la que se pesa. Es muy difícil eliminar

completamente los cloruros sin perder una cantidad importante de producto.

B) Ensayos con el NaHCO3 1. Disolved una pequeña porción del producto en 2 mL de agua y medid el pH con papel

indicador. Escribid los equilibrios que tienen lugar en la disolución.

2. Colocad una pequeña muestra del producto en un vidrio de reloj y añadid 2 o 3 gotas de

HCl 6M. Se observa desprendimiento de gas.

C) Usos del NaHCO3

La utilización de agentes fermentadores como la levadura que se utiliza para hacer los

productos de panadería más esponjosos data del tiempo de los egipcios. Durante las reacciones

de fermentación con levaduras, los azúcares sencillos generan alcohol y CO2 (g) que permite que

se hinche el producto haciéndolo más esponjoso.

Los agentes fermentadores son mezclas de NaHCO3 y sustancias ácidas como Ca(H2PO4)2

o KHC4H4O4, que generan CO2 cuando se añade agua. Se suele añadir un tercer componente

inerte como el almidón para evitar el contacto íntimo entre los ingredientes durante el

almacenado y mantener la mezcla seca.

Manorreductor botón regulador de presión

válvula de paso de gas

C O 2 2

botón regulador de caudal caudalímetr

o 8888

salida atmosférica d e CO2

4 disoluciones saturadas de (NH4)2CO3

/ NaCl

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Las mezclas NaHCO3-Ca(H2PO4)2 son también ingredientes de las tabletas efervescentes,

muy comunes en productos farmacéuticos. Estas tabletas se disgregan en agua formando

burbujas de CO2 y facilitan la disolución de los medicamentos.

Mezclad 0,75 g de Ca(H2PO4)2 con 0,25 g de NaHCO3 seco en un vaso de 50 mL. Añadid

3 mL de agua a la mezcla. Observad el resultado.

D) Síntesis de Na2CO3 anhidro.

Pesad 1g del NaHCO3 obtenido en la experiencia anterior y colocadlo en una cápsula de

porcelana. Después de cubrirla con un vidrio de reloj, se calienta cuidadosamente hasta que se

haya desprendido todo el CO2 correspondiente a la transformación en carbonato. No fijad la

llama en un punto, ni calentad intensamente para evitar que funda el Na2CO3 obtenido.

Comprobad la transformación del NaHCO3 en Na2CO3 pesando la cápsula antes y después del

tratamiento térmico una vez enfriada a temperatura ambiente.

Tomad una pequeña muestra del Na2CO3 obtenido y disolverla en 2 mL de H2O. Medid el

pH y comparad con el de la disolución de NaHCO3.

CUESTIONES ADICIONALES

1. ¿Qué gas se desprende en la adición de HCl a NaHCO3?

2. Escribid y ajustad la reacción que tiene lugar entre el Ca(H2PO4) 2 y el NaHCO3

3. Escribid y ajustad la reacción que ocurre en la síntesis del Na2CO3 anhidro.

4. Justificad los valores de pH obtenidos en las disoluciones acuosas de Na2CO3 y

NaHCO3.