Procesos Industriales del Cloruro de Sodio: Sosa, HCl y Electrólisis

Procesos Industriales Derivados del Cloruro de Sodio

Cloruro Sódico (NaCl): Usos Principales

El cloruro de sodio, comúnmente conocido como sal, es una materia prima fundamental en la industria química. Sus aplicaciones son vastas y variadas, incluyendo:

• Fabricación de detergentes.
• Producción de fibras y plásticos.
• Industria del vidrio.
• Elaboración de productos petroquímicos.
• Fabricación de pulpa y papel.
• Producción de fertilizantes y explosivos.
• Uso como disolvente y en la síntesis de otros productos químicos.

Obtención de Carbonato de Sodio (Na₂CO₃ o Sosa)

Método Leblanc

Este fue uno de los primeros procesos industriales para producir carbonato de sodio. La reacción global es:

2NaCl + H₂SO₄ + 4C + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaS + 2HCl + 4CO

El método Leblanc se consolidó industrialmente gracias a dos innovaciones clave:

1. La recuperación del sulfuro de calcio (CaS) para obtener azufre (S), que a su vez se convertía en ácido sulfúrico (H₂SO₄) para reintroducirlo en el ciclo.
2. El aprovechamiento del cloruro de hidrógeno (HCl) subproducto, oxidándolo para obtener cloro gaseoso (Cl₂).

Método Solvay

Este proceso, más eficiente y menos contaminante que el Leblanc, lo reemplazó y sigue siendo el principal método de producción de sosa. Consta de los siguientes pasos:

1. Carbonatación de la salmuera amoniacal: Se hace pasar amoníaco (NH₃) y dióxido de carbono (CO₂) a través de una disolución saturada de cloruro de sodio (salmuera). Esto provoca la precipitación del bicarbonato de sodio (NaHCO₃), que es poco soluble en estas condiciones, junto con la formación de cloruro de amonio (NH₄Cl).
   NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O → NaHCO₃(s) + NH₄Cl(ac)
2. Calcinación del bicarbonato de sodio: El bicarbonato de sodio se separa por filtración y se calcina (se calienta a alta temperatura) para obtener el carbonato de sodio (Na₂CO₃).
   2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂
   El CO₂ liberado en este paso se recicla para su uso en el primer paso.
3. Recuperación del amoníaco: El cloruro de amonio de la primera etapa se hace reaccionar con hidróxido de calcio (Ca(OH)₂) para recuperar el amoníaco, que se reutiliza en el proceso.
   2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃ + 2H₂O + CaCl₂
4. Producción de cal viva y CO₂: El hidróxido de calcio y el dióxido de carbono necesarios se producen en la misma planta mediante la calcinación de carbonato de calcio (piedra caliza).
   CaCO₃ → CaO + CO₂
   Luego, la cal viva (CaO) reacciona con agua para formar el hidróxido de calcio usado en el paso 3: CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Aplicaciones del Carbonato de Sodio

El Na₂CO₃ es un producto químico versátil con múltiples aplicaciones:

• Industria del jabón y detergentes.
• Procesos de blanqueo.
• Industria papelera.
• Industria textil.
• Recuperación de compuestos inorgánicos.
• Producción de vidrios y esmaltes por fusión con dióxido de silicio (SiO₂) u óxido de aluminio (Al₂O₃) para obtener silicatos o aluminatos sódicos.
• Separación de otros carbonatos.
• Agente neutralizador de ácidos.

Obtención de Ácido Clorhídrico (HCl)

Usos del Ácido Clorhídrico

El HCl es un ácido fuerte de gran importancia industrial, distribuido porcentualmente en los siguientes sectores:

• Procesamiento de metales: 47%
• Industria petroquímica y farmacéutica: 33%
• Industria alimentaria: 7%
• Activación de pozos de petróleo: 6%
• Varios: 6%

Procedimientos de Obtención

Existen cuatro métodos principales para su producción:

1. Síntesis directa: A partir de la combustión de hidrógeno (H₂) y cloro (Cl₂) a 200°C sin catalizador. Es una reacción muy violenta y exotérmica (desprende gran cantidad de calor). Se realiza en un soplete de cuarzo para resistir la alta corrosividad del cloro y del HCl formado.
2. A partir del proceso Leblanc: Como subproducto de la primera etapa del método Leblanc para la obtención de sosa.
   2NaCl + H₂SO₄ → 2HCl + Na₂SO₄
3. Como subproducto de cloraciones orgánicas: Se genera durante la cloración de hidrocarburos aromáticos y alifáticos.
   R-H + Cl₂ → R-Cl + HCl
4. Como subproducto de incineración: Se obtiene en procesos de incineración o pirólisis de compuestos orgánicos clorados.

Descomposición Electrolítica de NaCl en Disolución Acuosa (Proceso Cloro-Álcali)

La electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de sodio (salmuera) es un proceso industrial fundamental para obtener cloro gaseoso (Cl₂), hidrógeno (H₂) e hidróxido de sodio (NaOH), también conocido como sosa cáustica.

Células de Diafragma

En este tipo de celda electrolítica, se emplean ánodos de grafito o titanio recubierto y cátodos de hierro o acero. El compartimento anódico y catódico están separados por un diafragma poroso, generalmente de asbesto o materiales poliméricos.

• Proceso: La salmuera saturada entra en el compartimento del ánodo. En el ánodo, los iones cloruro (Cl⁻) se oxidan para formar cloro gaseoso: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
• La disolución fluye a través del diafragma hacia el compartimento del cátodo. En el cátodo, las moléculas de agua se reducen, liberando hidrógeno gaseoso y produciendo iones hidróxido (OH⁻): 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻.
• Los iones sodio (Na⁺) que han migrado al cátodo se combinan con los iones hidróxido para formar una disolución de hidróxido de sodio (NaOH).
• Por la parte inferior de la celda sale una disolución que contiene NaOH, agua y NaCl que no ha reaccionado. Se puede llegar a obtener NaOH con una concentración de hasta el 40% tras un proceso de evaporación.

Ventajas: Utiliza materiales relativamente económicos y no tóxicos (en comparación con el mercurio).

Desafíos:

• El diafragma debe ser de alta eficacia para evitar que el cloro gaseoso migre al cátodo y reaccione, o que los iones OH⁻ migren al ánodo y se oxiden a O₂, contaminando el cloro.
• El cloro puede disolverse en el agua y formar ácidos (hipocloroso y clorhídrico), reduciendo la eficiencia.

Células de Cátodo de Mercurio

Este método utiliza un ánodo de grafito y un cátodo de mercurio (Hg) líquido que fluye por el fondo de la celda.

• En la celda electrolítica: La salmuera entra en la celda. En el ánodo, se produce cloro gaseoso (Cl₂). En el cátodo de mercurio, los iones de sodio (Na⁺) se reducen y se disuelven en el mercurio, formando una amalgama de sodio-mercurio (Na-Hg).
• En el descomponedor: La amalgama líquida sale de la celda y se introduce en una columna (descomponedor) con piezas de grafito. Allí, reacciona con agua pura. La amalgama se descompone, el mercurio se regenera y cae al fondo para ser reciclado, mientras que el sodio reacciona con el agua para formar hidróxido de sodio de muy alta pureza e hidrógeno gaseoso: 2Na(Hg) + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Hg(l).

Condiciones del proceso:

• La concentración de sodio en la amalgama no debe ser superior al 0.2%.
• La corriente de mercurio debe mantenerse en buena agitación.
• La salmuera debe ser de alta pureza, sin iones de calcio, magnesio o hierro. A menudo se precisa de hidróxido de bario (Ba(OH)₂) para eliminar los sulfatos.

Problemáticas Generales en la Electrólisis

• Contaminación por sulfatos: Si la salmuera contiene iones sulfato (SO₄²⁻), estos pueden oxidarse en el ánodo, produciendo oxígeno (O₂). Esto no solo consume energía de forma ineficiente, sino que también reduce la pureza del cloro gaseoso obtenido.
• Inconvenientes del proceso de mercurio: A pesar de producir NaOH de alta pureza, el método de cátodo de mercurio presenta graves problemas medioambientales y de seguridad. Se estima que se emiten hasta 7.5 gramos de mercurio por cada tonelada de Cl₂ producida. Además, implica un alto coste de mantenimiento y el riesgo de generar subproductos orgánicos no deseados. Por estas razones, este proceso ha sido mayoritariamente reemplazado por tecnologías de membrana más modernas y seguras.