PRÁCTICA 1: SÍNTESIS DE NaHCO3 y Na2CO3 POR EL PROCESO SOLVAY _____________________________________________________________________________ Práctica 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, pero ha recibido otros nombres como sosa de lavar, sal de sosa o ceniza de sosa. 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 1861 por Ernest Solvay, químico e industrial belga. En el proceso Solvay (amoníaco-sosa) 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), que son abundantes y baratas. 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. 1 PRÁCTICA 1: SÍNTESIS DE NaHCO3 y Na2CO3 POR EL PROCESO SOLVAY _____________________________________________________________________________ La caliza, compuesta fundamentalmente por CaCO3, se calienta para producir CO2: CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) 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 es posible purificarlo por recristalización, si bien su relativamente alta solubilidad en agua es un inconveniente. 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). 2 PRÁCTICA 1: SÍNTESIS DE NaHCO3 y Na2CO3 POR EL PROCESO SOLVAY _____________________________________________________________________________ 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 e indica la geometría de los iones HCO3- y CO32-. 3. ¿Cómo puede generarse fácilmente CO2 en el laboratorio, sin tener que calentar, 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 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 HCl 6 M Erlenmeyer de 250 mL Dihidrógenofosfato de calcio Vasos de 100 mL y 200 mL Etanol Cápsula de porcelana Probeta de 100 mL Vidrio de reloj Soporte y pinzas Caudalímetro Bala de CO2 Papel de pH 3 PRÁCTICA 1: SÍNTESIS DE NaHCO3 y Na2CO3 POR EL PROCESO SOLVAY _____________________________________________________________________________ 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 los 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. Abrir 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. (unidades arbitrarias). Pasados unos minutos, 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 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 de NaHCO3 en 2 mL de agua y medid el pH con papel indicador. Escribid los equilibrios que tienen lugar en la disolución. 4 PRÁCTICA 1: SÍNTESIS DE NaHCO3 y Na2CO3 POR EL PROCESO SOLVAY _____________________________________________________________________________ 2. Colocad una pequeña muestra de NaHCO3 en un vidrio de reloj y añadid 2 o 3 gotas de HCl 6M. Se observa desprendimiento de gas. Escribid la reacción. 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 KHC4H4O6, 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. 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 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. Comprobad dicha transformación 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. 5 PRÁCTICA 1: SÍNTESIS DE NaHCO3 y Na2CO3 POR EL PROCESO SOLVAY _____________________________________________________________________________ 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. Comparad los valores de pH obtenidos en las disoluciones acuosas de Na2CO3 y NaHCO3 con los esperados teniendo en cuenta las constantes de acidez. Nota: En una de las vitrinas, se encuentra el montaje de generación de CO2 utilizando mármol y HCl conc. También se puede encontrar un envase de levadura química comercial, para comprobar su composición. 6
