8.13.4.1: La Fabricación de Cloro
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Esta página describe la fabricación de cloro mediante la electrólisis de solución de cloruro de sodio utilizando una celda de diafragma y una celda de membrana. Ambas células se basan en la misma química subyacente, pero difieren en detalle.
Química de fondo
El cloro se fabrica electrolizando la solución de cloruro de sodio. Este proceso genera tres sustancias útiles: cloro, hidróxido de sodio e hidrógeno.
La química del proceso de electrólisis
La solución de cloruro de sodio contiene lo siguiente:
- iones de sodio
- iones cloruro
- protones (del agua)
- iones hidróxido (del agua)
Los protones e iones hidróxido provienen del equilibrio:
\[ H_2O (l) \rightleftharpoons H^+(aq) + OH^- (aq) \label{1}\]
En cualquier momento, la concentración de protones o iones hidróxido es muy pequeña; la posición de equilibrio se encuentra bien a la izquierda.
En el ánodo
Los iones negativos, cloruro e hidróxido, son atraídos hacia el ánodo cargado positivamente. Es más fácil oxidar los iones hidróxido a oxígeno que oxidar los iones cloruro a cloro, pero hay muchos más iones cloruro que llegan al ánodo que iones hidróxido.
Por lo tanto, la reacción principal en el ánodo es:
\[ 2Cl^-_{(aq)}\rightarrow Cl_{2(g)}+2e^- \label{2}\]
Dos iones cloruro ceden cada uno un electrón al ánodo, y los átomos producidos se combinan en gas cloro. El cloro está, sin embargo, contaminado con pequeñas cantidades de oxígeno debido a una reacción que involucra iones hidróxido, que también abandonan electrones:
\[ 4OH^-_{(aq)} \rightarrow 2H_2O_{(l)} + O_{2(g)} + 4e^- \label{3}\]
El cloro debe ser purificado eliminando este oxígeno.
En el cátodo
Los iones y protones de sodio (del agua) son atraídos hacia el cátodo negativo. Es mucho más fácil para un protón captar un electrón que para un ion sodio hacerlo. Por lo tanto, se produce la siguiente reacción:
\[ 2H^+_{(aq)} + 2e^- \rightarrow H_{2(g)} \label{4}\]
A medida que los protones se convierten en gas hidrógeno, el equilibrio a continuación se desplaza hacia la derecha para reemplazarlos:
El efecto neto de este proceso es una acumulación de iones de sodio e iones de hidróxido recién producidos en el cátodo. En otras palabras, se forma solución de hidróxido de sodio.
La necesidad de mantener todos los productos separados
Si el cloro entra en contacto con el hidrógeno, produce una mezcla que explota violentamente al exponerse a la luz solar o al calor, produciendo gas cloruro de hidrógeno. Claramente estos gases deben permanecer separados. Sin embargo, el cloro también reacciona con la solución de hidróxido de sodio para producir una mezcla de cloruro de sodio y clorato de sodio (I), también conocido como hipoclorito de sodio; esta mezcla se vende comúnmente como lejía. Además, cuando los productos deseados son cloro e hidróxido de sodio en lugar de lejía, el cloro y el hidróxido de sodio también deben mantenerse separados. Las celdas de diafragma y membrana están diseñadas para mantener todos los productos separados.
El diafragma
El diafragma está hecho de una mezcla porosa de amianto y polímeros. La solución puede filtrarse a través de él desde el compartimiento del ánodo al compartimiento del cátodo. Observe que hay un mayor nivel de líquido en el lado del ánodo. Esto asegura que el líquido fluya siempre de izquierda a derecha, evitando que cualquiera de la solución de hidróxido de sodio entre en contacto con productos de cloro.
Producción de cloro en el ánodo
El cloro se produce en el ánodo de titanio de acuerdo con la siguiente ecuación:
\[2Cl^- (aq) - 2e^- \rightarrow Cl_2(g)\]
El producto está contaminado con algo de oxígeno debido a la siguiente reacción:
\[ 4OH^-(aq) - 4e^- \rightarrow 2H_2O(l) + O_2(g)\]
El cloro se purifica por licuefacción bajo presión. El oxígeno sigue siendo un gas cuando se comprime a temperaturas ordinarias.
Producción de hidrógeno en el cátodo
El hidrógeno se produce en el cátodo de acero mediante el siguiente proceso:
\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \rightarrow H_2 (g)\]
Producción del hidróxido de sodio
También se produce una solución diluida de solución de hidróxido de sodio en el cátodo (ver arriba para la explicación de lo que sucede en el cátodo). Está altamente contaminado con cloruro de sodio sin reaccionar.
La solución de hidróxido de sodio que sale de la celda se concentra por evaporación. Durante este proceso, la mayor parte del cloruro de sodio cristaliza como sal sólida. La sal se puede separar, disolver en agua y volver a pasar a través de la celda. Incluso después de la concentración, el hidróxido de sodio todavía contiene un pequeño porcentaje de cloruro de sodio.
La membrana
La membrana está hecha de un polímero que solo permite la difusión de iones positivos. Eso significa que los únicos iones de sodio pueden pasar a través de la membrana; los iones cloruro están bloqueados. La ventaja de esto es que el hidróxido de sodio formado en el compartimento derecho nunca se contamina con cloruro de sodio. La solución de cloruro de sodio debe ser pura. Si contiene otros iones metálicos, estos también pueden pasar a través de la membrana y así contaminar la solución de hidróxido de sodio.
Producción de cloro
El cloro se produce en el ánodo de titanio de acuerdo con la siguiente ecuación:
\[2Cl^- (aq) + 2e^- \rightarrow Cl_2(g)\]
Está contaminado con algo de oxígeno debido a la reacción paralela a continuación:
\[4OH^-(aq) + 4e^- \rightarrow 2H_2O(l) + O_2\]
El cloro se purifica por licuefacción bajo presión. El oxígeno permanece en la fase gaseosa cuando se comprime a temperaturas normales.
Producción de hidrógeno
El hidrógeno se produce en el cátodo de níquel de la siguiente manera:
\[ 2H^+ (aq) +2e^- \rightarrow H_@ (g)\]
Producción de hidróxido de sodio
También se produce una solución aproximadamente al 30% de solución de hidróxido de sodio en el cátodo (consulte la sección de química de fondo para una explicación de lo que sucede en el cátodo).
Colaboradores y Atribuciones
Jim Clark (Chemguide.co.uk)