5.13: Reacciones Químicas Industriales - El Proceso Solvay
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Literalmente miles de reacciones químicas se utilizan para elaborar productos industriales importantes. La mayoría de estos involucran productos químicos orgánicos, los cuales se abordan en el Capítulo 9 y capítulos posteriores de este libro. Algunos se utilizan para elaborar productos químicos inorgánicos en grandes cantidades. Una de esas operaciones de síntesis es el proceso Solvay, utilizado durante mucho tiempo para hacer bicarbonato de sodio y carbonato de sodio, productos químicos industriales necesarios para la fabricación de vidrio, formulaciones de limpieza y muchas otras aplicaciones. El proceso Solvay se examina con cierto detalle en esta sección porque ilustra algunas reacciones químicas inorgánicas importantes y puede ser utilizado para la discusión de la química verde en la industria.
La reacción clave en la síntesis de Solvay es,
\[\ce{NaCl + NH3 + Co2 + H2O \rightarrow NaHCO3(s) + NH4Cl}\]
en el que una solución de cloruro de sodio (salmuera) se satura con gas amoniaco (NH 3), luego con dióxido de carbono, y finalmente se enfría. Esta es una reacción de precipitación en la que el bicarbonato de sodio sólido, NaHCO 3, sale de la solución. Cuando se calienta, el NaHCO 3 sólido produce carbonato de sodio sólido, Na 2 CO 3, vapor de agua y gas de dióxido de carbono:
\[\ce{2NaHCO3 + heat \rightarrow Na2CO3 + H2O(g) + CO2(g)}\]
De acuerdo con la práctica de la química verde (aunque Solvay desarrolló el proceso mucho antes de que alguien pensara en la química verde), el CO 2 de la Reacción 5.13.2 se recicla de nuevo a la Reacción 5.13.1
Las materias primas para el proceso Solvay son baratas. La solución de NaCl se puede bombear desde el suelo desde depósitos de salmuera en algunos lugares, o se puede bombear agua dulce a una formación de sal para disolver el NaCl y la salmuera resultante bombeada a la superficie. La materia prima más cara es el amoníaco, que se elabora mediante la reacción de hidrógeno elemental y nitrógeno sobre un catalizador a base de hierro,
\[\ce{3H2 + N2 \rightarrow 2NH3}\]
un medio para hacer amoníaco desarrollado por Haber y Bosch en Alemania en 1913. Sin embargo, como se muestra a continuación, el amoníaco se recicla, por lo que solo se requieren cantidades relativamente pequeñas de maquillaje adicional NH 3.
Además del NaCl, la principal materia prima consumible en el proceso Solvay es el carbonato de calcio, CaCo 3, que está disponible abundantemente a partir de depósitos de piedra caliza. Se calienta (calcinado)
\[\ce{CaCO3 + heat \rightarrow CaO + CO2}\]
para producir gas óxido de calcio y dióxido de carbono. El gas dióxido de carbono se utiliza en la Reacción 5.13.1, otro aspecto químico verde del proceso. El óxido de calcio se hace reaccionar con agua (se dice que está apagado),
\[\ce{CaO + H2O \rightarrow Ca(OH)_{2}}\]
para producir hidróxido de calcio básico. Esta base se hace reaccionar entonces con la solución a partir de la cual se ha precipitado NaHCO 3 sólido (Reacción 5.13.1) y que contiene cloruro de amonio disuelto,
\[\ce{Ca(OH)2(s) + 2NH4Cl(aq) \rightarrow 2NH3(g) + CaCl2(aq) + 2H2O(l)}\]
liberando gas amoniaco que se recicla de nuevo a la Reacción 5.13.1 para la síntesis de NaHCO 3. Esto tiene la ventaja de reciclar amoníaco, lo cual es esencial para que el proceso sea económico. Tiene la desventaja de generar una solución de cloruro de calcio, CaCl 2. La demanda comercial de esta sal es limitada, aunque se utilizan soluciones concentradas de la misma para deshielo de carreteras cubiertas de hielo. Tiene un apetito tan voraz por el agua que no se puede secar económicamente para su almacenamiento en forma seca.
¿El proceso Solvay cumple con los criterios para una síntesis química verde? No hay una respuesta simple a esa pregunta. Hay dos aspectos en los que sí cumple con los criterios químicos verdes:
1. Utiliza materias primas económicas y abundantemente disponibles en forma de salmuera de NaCl y piedra caliza (CaCo 3). Se requiere una cantidad significativa de NH 3 para iniciar el proceso con cantidades relativamente pequeñas para mantenerlo en marcha.
2. Maximiza el reciclaje de dos reactivos principales, amoníaco y dióxido de carbono. La calcinación de piedra caliza (Reacción 5.13.4) proporciona un amplio dióxido de carbono para compensar las pérdidas inevitables del proceso, pero se tiene que agregar algo de amoníaco adicional para compensar cualquier fuga.
¿Qué pasa con el rendimiento porcentual y la economía atómica del proceso Solvay? Se puede esperar que el rendimiento porcentual de la reacción que genera el producto, Reacción 5.13.1, sea significativamente menor al 100% en gran parte debido a que no se puede esperar que la cantidad estequiométrica de NaHCO 3 precipite de la mezcla de reacción. Para calcular la economía máxima de átomos para la producción de Na 2 CO 3, se debe suponer que todas las reacciones van hasta su finalización sin pérdidas. En tal caso ideal, la reacción general para el proceso es
\[\ce{CaCO3 + 2NaCl \rightarrow Na2CO3 + CaCl2}\]
Usando las masas atómicas Ca 40.0, C 12.0, O 16.0 y Cl 35.5 da las masas molares de CaCo 3, 100 g/mol; NaCl, 58.5 g/mol; Na 2 CO 3, 106 g/mol; y CaCl 2, 111 g/mol. Si el número mínimo total de moles de reactivos reaccionara, 100 g de CaCO 3 reaccionarían con 2×58.5 = 117 g de NaCl para producir 106 g de Na 2 CO 3 y 111 g de CaCl 2. Obsérvese que la masa de NaCl reaccionando es 2 veces la masa molar debido a que 2 moles de NaCl están reaccionando. Entonces, para estas cantidades de materiales en la reacción, una masa total de 100 + 117 = 217 g de reactivos produce 106 g del producto Na 2 CO 3. Por lo tanto, la economía porcentual atómica es
\[\textrm{Percent atom economy} = \frac{\textrm{Mass of desired product}}{\textrm{Total mass of reactants}} \times 100 = \frac{106 g}{217g} \times 100 = 48.8 \% \]
Este es el valor máximo posible asumiendo reacciones completas y sin pérdidas. Si se considera que el CACL2subproducto es un producto útil, la economía atómica puede considerarse como mayor.
¿El proceso Solvay es verde con respecto al impacto ambiental? Nuevamente, la respuesta a esta pregunta es mixta. La extracción de las dos materias primas principales, la piedra caliza y el NaCl, normalmente se puede lograr con mínimos efectos adversos sobre el medio ambiente. La extracción de piedra caliza en pozos abiertos da como resultado la producción de polvo y la voladura de la roca, lo que generalmente se lleva a cabo con una mezcla explosiva de fuel oil mezclado con nitrato de amonio, NH 4 NO 3, causa cierta perturbación. Las canteras de piedra de cal a cielo abierto pueden ser antiestéticas, pero también pueden servir como lagos artificiales. En algunos lugares los espacios subterráneos que quedan de la extracción subterránea de piedra caliza han encontrado un excelente uso comercial como almacenes de bajo costo que en gran medida proporcionan su propio control climático. El transporte en camión de cal cantera definitivamente tiene impactos ambientales negativos. La extracción de salmuera líquida de NaCl generalmente tiene un impacto ambiental mínimo. El proceso Solvay, en sí mismo, libera cantidades significativas de gases de efecto invernadero CO 2 y algo de amoníaco gaseoso a la atmósfera. La producción de Solvay de carbonato de sodio requiere cantidades significativas de energía.
Existen numerosos depósitos naturales de bicarbonato de sodio y carbonato de sodio. La fuente más común de estas sales es un mineral llamado trona, para lo cual la fórmula química es Na 2 CO 3 •NaHCO 3 •2H 2 O. (Esta fórmula muestra que una unidad de fórmula de mineral de trona consiste en 1 unidad de fórmula de Na iónico 2 CO 3 , 1 unidad de fórmula de NaHCO iónico 3 y 2 moléculas de H 2 O). El desarrollo de enormes yacimientos de trona en el estado de Wyoming y en otras partes del mundo ha disminuido la dependencia del proceso Solvay para fuentes de bicarbonato de sodio y carbonato de sodio y el proceso ya no se usa en Estados Unidos.