Producción Industrial de Hidróxido de Sodio (Soda Cáustica) y Ácido Clorhídrico
1. Obtención de Soda Cáustica (Hidróxido de Sodio, NaOH)
El Hidróxido de Sodio (NaOH), conocido comúnmente como soda cáustica, se disuelve en agua con un fuerte desprendimiento de calor. La disolución acuosa resultante se denomina lejía de soda.
En su mayor parte, la soda cáustica y la lejía de soda se obtienen mediante el proceso de electrólisis cloro-álcali.
La electrólisis de soluciones acuosas de cloruros de metales alcalinos (o a partir de cloruros fundidos) produce:
- Cloro (Cl₂) en el ánodo.
- Hidrógeno (H₂) y el hidróxido alcalino (NaOH) en el cátodo.
Tipos de Celdas Empleadas Industrialmente
Industrialmente, se emplean tres tipos principales de celdas electrolíticas:
- La celda de diafragma.
- La celda de membrana.
- La celda de mercurio (o de amalgama).
1.1. Celdas de Diafragma
Las celdas de diafragma contienen un diafragma, generalmente hecho de fibras de asbesto (amianto), cuya función es separar físicamente el ánodo del cátodo. Esto permite que los iones pasen a través de él por migración eléctrica, pero reduce la difusión de los productos.
Los ánodos, por lo general, se han fabricado de grafito y los cátodos de hierro fundido.
La disolución salina (salmuera) entra en la celda, pasa a través del diafragma de asbesto y accede a la cámara catódica. El Cl₂ que se produce en el ánodo sale por la parte superior, mientras que el H₂, el NaOH y el NaCl residual se producen en el cátodo y salen de la celda por el lateral.
El diafragma de asbesto cumple dos funciones esenciales:
- Evitar la mezcla de H₂ y Cl₂: La estructura fina del material permite el paso de líquidos, pero impide el paso de las burbujas de gas. Un 4% del cloro (disuelto en la disolución) sí pasa a través del diafragma y se pierde en reacciones colaterales, disminuyendo el rendimiento.
- Impedir la difusión de los iones OH⁻: Evita que los iones hidróxido formados en el cátodo migren hacia el ánodo.
La disolución que sale de la celda contiene típicamente un 12% de NaOH y un 15% de NaCl (en peso).
En la celda horizontal, el diafragma (formado frecuentemente por varias capas de asbesto) separa el espacio anódico (b) del espacio catódico (c). Se emplean electrodos de grafito como ánodos y parrillas de hierro como cátodos. El electrólito es una disolución purificada y saturada de cloruro sódico que entra continuamente.
Mediante la aplicación de una corriente continua de unos 4 voltios, los iones cloruro (Cl⁻) van al ánodo, se descargan, forman moléculas y abandonan el espacio anódico en forma de gas (Cl₂).
De los iones Na⁺ e H⁺ presentes en el cátodo, se descargan solamente los últimos (reducción del agua).
El hidrógeno se recoge por debajo del diafragma y se extrae. En el espacio catódico queda una disolución de lejía de soda que contiene cloruro sódico, la cual es extraída.
1.2. Celdas de Amalgama (Mercurio)
En este proceso, la electrólisis produce una aleación de mercurio y sodio, conocida como amalgama, que no es descompuesta por la salmuera presente. Este método utiliza disoluciones concentradas de NaCl (salmuera).
La celda de amalgama está constituida por ánodos de grafito o de titanio modificado. El cátodo es una pileta fluida de mercurio (Hg), que absorbe el sodio (Na) producido en la reacción:
NaCl → Na + ½ Cl₂
Reacciones durante la electrólisis:
- Ánodo:
Cl⁻ → ½ Cl₂ + 1e⁻ - Cátodo:
xHg + Na⁺ + 1e⁻ → NaHgₓ(Formación de amalgama)
El cloro se produce en el ánodo. La amalgama de sodio (NaHgₓ) obtenida se transfiere a un reactor donde se descompone mediante hidrólisis con agua (H₂O), produciendo mercurio, hidróxido de sodio concentrado (50%) e hidrógeno:
2Na·Hg + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Hg
En la celda inclinada, el ánodo consta de varios electrodos de grafito, mientras que el cátodo lo constituye el mercurio que cubre el suelo y que fluye lentamente. El electrólito es una disolución purificada y saturada de cloruro sódico que entra continuamente. Se trabaja con corriente continua de 4,6 voltios y el cloro formado en el ánodo sale en forma gaseosa.
Los iones sodio se descargan en el cátodo de mercurio y rápidamente forman la amalgama de sodio que fluye fuera de la celda.
Por medio de una bomba se hace pasar la amalgama a un depósito (una torre rellena con grafito) en la que se produce la descomposición de la amalgama con agua, con producción de mercurio, lejía de soda e hidrógeno.
El mercurio puro se recoge en el fondo de la torre y se bombea de nuevo a la celda de electrólisis para su reutilización.
1.3. Celdas de Membrana
En este proceso, el cátodo y el ánodo se encuentran separados por una membrana conductora iónica. Esta membrana es impermeable al agua, pero es permeable al paso de iones (específicamente Na⁺).
Los procesos que se producen en el cátodo y en el ánodo son similares a los que se dan en el proceso de diafragma. Se emplean ánodos de titanio activado y cátodos de acero inoxidable o de níquel (Ni). Una característica importante de este proceso es que la salmuera debe ser más pura que en el proceso de diafragma.
2. Obtención de Ácido Clorhídrico (HCl)
El ácido clorhídrico (HCl) es una disolución acuosa del cloruro de hidrógeno gaseoso.
La mayor parte de la producción de ácido clorhídrico representa realmente su obtención como producto secundario de otros procesos químicos.
2.1. Obtención como Subproducto en la Fabricación de Sulfato Sódico
Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno gaseoso se forma en la fabricación de sulfato sódico (Na₂SO₄) a partir de sal común (NaCl) y ácido sulfúrico concentrado (H₂SO₄), en los llamados hornos de sulfato. Esta reacción se realiza en dos fases:
Fase 1: A temperatura ordinaria, se obtiene sulfato ácido de sodio y cloruro de hidrógeno:
NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl
Fase 2: El sulfato ácido de sodio se calienta a 300 °C con la cantidad equivalente de cloruro sódico, formándose sulfato de sodio y cloruro de hidrógeno:
NaCl + NaHSO₄ → Na₂SO₄ + HCl
2.2. Obtención como Subproducto en la Cloración Orgánica
En la cloración de numerosos compuestos orgánicos, los átomos de hidrógeno son sustituidos por cloro, y los hidrógenos desplazados quedan ligados al cloro, generando HCl como subproducto. Por ejemplo, la cloración del benceno:
C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl