Vorrei sapere con quale processo industriale viene prodotta la soda caustica (NaOH). Si produce per elettrolisi oppure tramite una reazione chimica? quali sono i composti di partenza? grazie.

L’idrossido di sodio è tra i composti chimici più prodotti
al mondo, la produzione annuale supera le 30 milioni di tonnellate. La
maggior parte viene preparato per elettrolisi di soluzioni acquose di
cloruro di sodio, minori quantità si ottengono dalla 
reazione, detta di “caustificazione” , tra carbonato di sodio e
idrossido di calcio.

Metodi elettrochimici (industria cloro-soda)

Questi sono i metodi preferiti per la produzione di NaOH
poichè sono anche gli unici metodi economici che permettono la sintesi
di cloro (Cl2), un composto che negli ultimi 50 anni è stato
sempre più utilizzato, nei campi più svariati, dall’industria chimica
(p.e. nella sintesi di materie plastiche, PVC).

Le celle elettrochimiche che vengono utilizzate sono
di due tipi: celle a diaframma e celle ad amalgama. Le seconde stanno
per essere totalmente soppiantate dalle prime.

Celle a diaframma

In queste celle si ha un catodo di ferro e un anodo di
grafite immersi in una soluzione concentrata di cloruro di sodio.

Applicando una differenza di potenziale di circa 4V avvengono
le seguenti semi-reazioni:

Catodo:                               2H2O   +   2e  
->   H2(g)   +   2OH(aq)                                     

Anodo:                                2Cl(aq)   ->  Cl2(g)  
+   2e                                                       

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Reazione globale:                2H2O   +   2Cl(aq)  ->  
H2(g)   +   2OH(aq)  
+   Cl2(g)

 

Osservando i potenziali standard di riduzione delle specie
presenti in soluzione, non sorprende che al catodo si abbia la riduzione
dell’acqua (E° (pH=14) = -0.82V) piuttosto che quella del sodio ( Na+(aq)
+  e → Na(s)  E° = -2.7V). All’anodo, invece, i potenziali
standard di riduzione danno una previsione che non concorda con quanto
avviene realmente nella cella :

 

2H2O   -> 
O2(g)   +   4e  
+  4H+               E° (pH=0) = 1.23V

 

2Cl(aq)  ->   Cl2(g)   +   2e                       
E° = 1.37V

 

Bisogna sottolineare che non siamo in condizioni standard
e quindi gli E° possono offrire solo una stima delle specie che si scaricheranno
agli elettrodi. Inoltre, e questo è il motivo per cui nel presente caso
i potenziali falliscono nel prevedere cosa accadrà all’anodo, gli E° sono
grandezze in grado di descrivere solo la termodinamica di equilibrio del
sistema, e in questo caso gioca un ruolo determinate un effetto cinetico
noto con il nome di sovratensione.

Questo effetto è presente per tutte le specie che reagiscono
all’elettrodo ma è particolarmente marcato per piccole molecole biatomiche
quali O2 e H2 e comporta un aumento del potenziale
necessario affinchè si possano scaricare agli elettrodi. Quanto succede
all’anodo è dunque da attribuire alla sovratensione di O2 sulla
grafite che è superiore in maniera considerevole a quella di Cl2
.

Lo scomparto anodico e catodico vengono mantenuti divisi
da un diaframma (una membrana semi-permeabile costituita di solito da
cemento poroso), il quale, pur permettendo il passaggio degli ioni e quindi
la chiusura del circuito impedisce la reazione tra gli ioni idrossido
e il cloro:

OH(aq)  
+   Cl2(aq)   ->   ClO(aq)  
+   H+(aq)   +   Cl(aq)

L’inconveniente principale del metodo a diaframma è la
bassa resa, infatti l’idrossido raggiunge una concentrazione di circa
10-12%. Nella successiva concentrazione sotto vuoto della soluzione, il
cloruro presente si separa quasi completamente man mano che l’idrossido
si concentra. La soluzione finale, a circa il 50% di NaOH e 1% di NaCl,
viene usata come tale, oppure evaporata a fuoco diretto in recipienti
di ferro fino a ottenere la soda fusa.

Celle ad amalgama

L’elettrolisi di una soluzione di cloruro
di sodio con un catodo di mercurio dà luogo ad amalgama di sodio che,
per successiva ossidazione con acqua forma una soluzione di idrossido
di sodio allo stato puro:

Na+(aq)  
+   nHg(l)   +   e   ->   NaHgn 

NaHgn   +   H2O  
->   nHg(l)   +   NaOH  
+   H2(g)

La scarica del sodio sul mercurio viene favorita
dalla formazione dell’amalgama e dalla notevole sovratensione che l’idrogeno
presenta su elettrodi di mercurio (circa 1V). È comunque necessario che
la concentrazione di sodio nell’amalgama rimanga sotto lo 0.2% onde evitare
che si scarichi l’acqua al posto del sodio. Per questo motivo l’amalgama
viene fatta fluire in modo continuo tra la cella e un recipiente esterno
dove si ha la reazione con l’acqua.

L’anodo è del tutto analogo a quello delle celle a diaframma.

Il vantaggio di questo metodo è di poter ottenere direttamente
idrossido di sodio concentrato esente da cloruri e da altre impurezze.
Lo svantaggio principale è la tossicità del mercurio, è per questo motivo
che impianti che utilizzano questo metodo non vengono più costruiti.

Caustificazione

Questo
fu il primo metodo con cui venne preparata la soda caustica e tuttora
viene talvolta usato, anche se fornisce quantità di NaOH incomparabilmente
minori rispetto ai metodi elettrochimici.

Si sfrutta la reazione di scambio tra l’idrossido di
calcio (calce spenta) e il carbonato di sodio (soda Solvay):

Na2CO3(aq)   +   Ca(OH)2(aq)   ->   NaOH(aq)  
+   CaCO3(s)

Questa reazione è spostata verso destra per
via della scarsa solubilità del carbonato di calcio.

L’idrossido di sodio ottenuto è poco concentrato (8-10%)
e impuro.

L’idrossido di calcio, è la base forte più economica
disponibile sul mercato poiché viene prodotta per decomposizione termica
di una materia prima abbondantissima sulla crosta terrestre e facile da
estrarre, il carbonato di calcio:

CaCO3(s)  ->  
CaO(s)   +   CO2(g)                 
T = 900 ÷ 1000°C

CaO(s)   +   H2O   ->   Ca(OH)2(aq)

Il carbonato di sodio viene prodotto con il
metodo Solvay (la produzione mondiale annuale è di circa 25 milioni di
tonnellate) basato sulle seguenti reazioni:

NH3(aq)  
+   H2O   +   CO2(aq)  
->   (NH4)HCO3(aq)

(NH4)HCO3(aq)   +   NaCl(aq)  
->  NaHCO3(s)   +   NH4Cl(aq)

2NaHCO3(s)  
->  Na2CO3(s)   +   H2O(g)  
+   CO2(g)                           T = 200°C

Bibliografia:

Compendio di chimica inorganica, Lamberto Malatesta, Casa Editrice Ambrosiana,
4° edizione, 1999.