Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”

Núcleo- El Sabino

Programa Académico: ingeniería Química

Unidad Curricular: Química Industrial

Profesora: Dilia Barreno. Sección: 53

Integrantes:

Laguna Raúl

Primera Stephany

Tremont, Luxainne

C.I: 19.944.144

Sánchez, Yanivys

C.I: 20.253.790

Abril 2013

PROSUCCIÓN DE CLORO Y SOSA

CAUSTICA

PRODUCCION DE CLORO Y SOSA CAUSTICA

Materia Prima:

Cloruro de Sodio (NaCl)

El cloruro de sodio, más conocido como sal de mesa, o en su forma mineral halita, es un compuesto químico con la fórmula Na Cl . El cloruro de sodio es una de las sales responsable de la salinidad del océano y del fluido extracelular de muchos organismos. También es el mayor componente de la sal comestible, es comúnmente usada como condimento y conservante de comida.

El cloruro de sodio es un compuesto iónico formado por un catión sodio (Na+) y un anión cloruro (Cl-), y como tal, puede reaccionar para obtener cualquiera de estos dos iones. Como cualquier otro cloruro iónico soluble, precipita cloruros insolubles cuando es agregado a una solución de una sal metálica apropiada como nitrato de plata:

NaCl(ac) + AgNO3(ac) → AgCl(s) + NaNO3(ac).

Otro método para separar ambos componentes es mediante la electrólisis.

El cloruro de sodio es producido en masa por la evaporación de agua de mar o salmuera de otros recursos, como lagos salados y minando la roca de sal, llamada halita. La extracción de la sal bruta se obtiene mediante evaporación de las salinas por el sol. Esta evaporación tiene lugar en varios pasos: concentración del agua salada del mar en estanques; transporte del concentrado a otro estanque de evaporación donde se precipita el CaSO4, y finalmente en otro estanque de evaporación se realiza la cristalización del NaCl. Esta sal todavía tiene un alto contenido en magnesio y potasio, por lo que se debe llevar a cabo el lavado de la sal en unidades especiales donde se alcanza un contenido de NaCl en la sal de > 99%. De 1m3 de agua salada se obtienen 23 kg de NaCl. Dependiendo del tipo de proceso electrolítico utilizado se realizan posteriores purificaciones.

Propiedades:

GeneralOtros nombres

Cloruro sódicoSal comúnSal de cocinaSal de mesa

Fórmula molecular

Na Cl

Propiedades físicasEstado de agregación

Sólido

Apariencia Incoloro; aunque parece blanco si son cristales finos o pulverizados.

Densidad 2165 kg/m3; 2,165 g/cm3

Masa molar 58,4 g/molPunto de fusión

1 074 K (801 °C)

Punto de ebullición

1 738 K (1 465 °C)

Estructura cristalina

f.c.c.

Propiedades químicasSolubilidad en agua

35,9 g por 100 mL de agua

Celdas Electrolíticas:

Son aquellas en las cuales la energía eléctrica que procede de una fuente externa provoca

reacciones químicas no espontáneas generando un proceso denominado electrólisis; el cual consta de separar los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. Las celdas electrolíticas constan de un recipiente para el material de reacción, dos electrodos sumergidos dentro de dicho material y conectados a una fuente de corriente directa. Estos electrodos se conocen por:

El Cátodo, se define como el electrodo en el cual se produce la reducción porque algunas especies ganan electrones. Este posee carga negativa y a él migran los iones o cargas positivas.

El Ánodo, se define como el electrodo en el cual se produce la oxidación porque algunas especies pierden electrones. Este posee carga positiva y a él migran los iones o cargas negativas.

En todas las reacciones electrolíticas hay transferencia de electrones y por tanto, son reacciones de óxido reducción (redox).

Producto Principal y Subproductos:

El Producto principal de la electrolisis del Cloruro de Sodio (NaCl) es el cloro pero durante su obtención debido a las reacciones que se producen surge como un subproducto la sosa caustica conocida como Hidróxido de Sodio (NaOH) y se libera durante el proceso Hidrogeno gaseoso (H2).

Cloro (Cl2):

El cloro elemental fue aislado por vez primera en 1774 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele, quien creía que el gas era un compuesto; no fue hasta 1810 cuando el químico británico sir Humphry Davy demostró que el cloro era un elemento y le dio su nombre actual.

A temperatura ordinaria, es un gas amarillo verdoso que puede licuarse fácilmente bajo una presión de 6,8 atmósferas a 20 ºC. El gas tiene un olor irritante, y muy concentrado es peligroso; Es extremadamente reactivo, por lo que en la naturaleza no lo encontramos en estado puro sino combinado con otros elementos , formando mayoritariamente sales metálicas principalmente en forma de cloruro de sodio, NaCl, y también otros minerales como la silvina, KCl, o la carnalita, KMgCl3·6H2O. En la corteza terrestre está presente a unos 130 ppm pero que representa el 0, 045 %, ya que la corteza terrestre está compuesta por combinaciones de cloro. Es el halógeno más abundante en el agua marina con una concentración de unos 18000 ppm ya que representa el 2,9 % de los océanos. Ocupa el lugar 20 en abundancia en la corteza terrestre. El cloro tiene un punto de fusión de -101 ºC, un punto de ebullición de -34,05 ºC a una atmósfera de presión, y una densidad relativa de 1,41 a -35 ºC; la masa atómica del elemento es 35,453.

Es conocido por ser el segundo en reactividad entre los halógenos después del flúor es por eso que se encuentra libre en la naturaleza solo a temperaturas elevadas de gases volcánicos. Se combina con metales, no metales y materiales orgánicos para formar cientos de compuestos.

 Precisamente, dicha reactividad, juntamente con sus características particulares (elevado poder oxidante, abundante, económico), lo convierten en una sustancia de un interés técnico y económico extraordinario, que en numerosos casos es insustituible o bien de muy difícil sustitución.

Se obtiene por la electrolisis mediante las siguientes reacciones:

Electrólisis del NaCl

NaCl--------> Na+ + Cl-

2NaCl + 2H2O-----------------------> Cl2 + H2 + 2NaOH

Propiedades:

Nombre CloroNúmero atómico 17Valencia +1,-1,3,5,7Electronegatividad 3.0Radio covalente (Å) 0,99Radio iónico (Å)(estado de oxidación)

1,81 (-1)

Radio atómico (Å) -Configuración electrónica [Ne]3s23p5

Primer potencial de ionización (eV) 13,01Masa atómica (g/mol) 35,453Densidad (g/ml) 1,56Punto de ebullición (ºC) -34,7Punto de fusión (ºC) -101,0

Sosa Caustica (NaOH):

El hidróxido de sodio (Na OH ) o hidróxido sódico, también conocido como soda cáustica o sosa caustica es un hidróxido cáustico usado en la industria (principalmente como una base química).A temperatura ambiente, el hidróxido de sodio es un sólido blanco cristalino sin olor que absorbe humedad del aire (higroscópico). Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles. El hidróxido de sodio es muy corrosivo. Generalmente se usa en forma sólida o como una solución de 50%.

El hidróxido de sodio, en su mayoría, se fabrica por el método de caustificación, es decir, juntando otro hidróxido con un compuesto de sodio:

Ca(OH)2 (aq) + Na2CO3 (aq) → 2 NaOH (aq) + CaCO3 (s)

Aunque modernamente se fabrica por electrólisis de una solución acuosa de cloruro sódico o salmuera. Es un subproducto que resulta del proceso que se utiliza para producir cloro.

Ánodo: 2Cl- → Cl2 (gas) + 2e-

Cátodo: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

Al ir progresando la electrólisis se van perdiendo los cloruros siendo sustituidos por iones hidróxido, que combinados con los cationes sodio presentes en la disolución forman el hidróxido sódico.

Propiedades:

GeneralOtros nombres Hidróxido sódico,

Soda cáustica,Sosa cáustica,Sosa lejía,Jabón de piedra,E-524,Hidrato de sodio.

Fórmula molecular Na OH Propiedades físicasEstado de agregación SólidoApariencia BlancoDensidad 2100 kg/m3; 2,1 g/cm3

Masa molar 39,99713 g/molPunto de fusión 591 K (318 °C)Punto de ebullición 1 663 K (1 390 °C)Propiedades químicasSolubilidad en agua 111 g/100 ml (20 °C)

Proceso de Manufactura:

El cloro se prepara raramente en el laboratorio debido a que se comercializa en botellas de presión de distintas capacidades. Se puede preparar, sin embargo, a pequeña escala mediante la adición lenta de HCl concentrado y desoxigenado sobre dióxido de manganeso hidratado. El Cl2 así generado se puede purificar pasándolo a través de agua, eliminándose el HCl, y de H2SO4, para eliminar el H2O. Por último se puede purificar más pasándolo por un tubo que contiene CaO o P2O5.

MnO2 (s) + 4HCl(conc.) → Cl2(g) + MnCl2(ac) + H2O(l)

La producción industrial de Cl2 se lleva a cabo mediante la electrólisis de disoluciones de NaCl: Las sales de NaCl empleadas suelen llevar impurezas que deben ser eliminadas antes de efectuar la electrolisis, en particular los iones Ca2+, Mg2+ y SO4

2-.

Mg2+ + Ca(OH)2 → Mg(OH)2¯ + Ca2+

Ca2+ + Na2CO3 → CaCO3¯ + 2 Na+

SO42- → Na2SO4 (tras concentrar)

La extracción de la sal bruta se obtiene mediante evaporación de las salinas por el sol. Esta evaporación tiene lugar en varios pasos: concentración del agua salada del mar en estanques; transporte del concentrado a otro estanque de evaporación donde se precipita el CaSO4, y finalmente en otro estanque de evaporación se realiza la cristalización del NaCl. Esta sal todavía tiene un alto contenido en magnesio y potasio, por lo que se debe llevar a cabo el lavado de la sal en unidades especiales donde se alcanza un contenido de NaCl en la sal de > 99%. De 1m3 de agua salada se obtienen 23 kg de NaCl. Dependiendo del tipo de proceso electrolítico utilizado se realizan posteriores purificaciones.

Existen tres tipos de procesos para producir Cl2: el del mercurio, el de membrana y el de diafragma.

Proceso del Mercurio

Este proceso utiliza disoluciones concentradas del NaCl (salmuera). La celda de amalgama está constituida por un contenedor de acero alargado e inclinado por debajo del cual fluye una capa de mercurio que actúa de cátodo y absorbe el Na que se produce en la reacción:

NaCl → Na + ½ Cl2

Figura 3. El proceso del mercurio

El cloro se produce en el ánodo que se puede ajustar en altura. La amalgama de Na que se obtiene se transfiere a un reactor donde se descompone, mediante hidrólisis con H2O, en Hg, NaOH (50%) e H2.

Na(Hg) + H2O → NaOH + H2 + Hg

Durante la electrólisis se dan las siguientes reacciones:

Reacción en el ánodo: Cl¯ → ½Cl2 +1e¯.............................Eº = 1.24 V

Reacción en el cátodo: xHg + Na+ + 1e¯ → NaHgx...........Eº = -1.66 V

Reacciones colaterales:

Cl2 + NaOH → NaOCl + NaCl + H2O (ánodo)

Cl2 +2e¯ → 2Cl¯ (cátodo)

ClO¯ + 2H+ + 2e¯ → H2O + Cl¯ (cátodo)

El rendimiento del proceso es del 94-97%. Una planta a gran escala produce de 50 a 300x103 ton del Cl2/año y de 56 a 340x103 ton de NaOH/año.

Datos de la Celda

Área del cátodo: 10 a 30 m2

Espesor de la capa de Hg: 3 mm

[Na]Hg: 0.2 a 0.4% en peso

50-180 ánodos por celda

Separación cátodo-ánodo: 3 mm

Ánodo: grafito o Ti recubierto por metales del grupo del Pt.

Sal procesada: 2 a 20 m3/h

Figura 4. Diagrama de flujo del proceso de mercurio.

Proceso de Diafragma

En este proceso se emplean disoluciones acuosas de NaCl. Las celdas industriales de diafragma consisten en un depósito en el cual los ánodos se montan verticalmente y paralelos unos a otros. Los cátodos se sitúan entre los ánodos, son planos y de acero, recubiertos por fibras de asbesto impregnados con resinas flúor-orgánicas.

Figura 5. Celda del proceso de diafragma.

La disolución salina entra en la celda, pasa a través del diafragma de asbesto y entra en la cámara catódica. El Cl2 que se produce en el ánodo sale por la parte superior mientras que el H2, NaOH y NaCl residual se producen en el cátodo y salen de la celda por el lateral. El diafragma de asbestos cumple dos funciones:

a) Evitar la mezcla de H2 y Cl2.La estructura tan fina del material permite el paso de líquidos a través del mismo, 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

b) Impedir la difusión de los iones OH¯ formados del cátodo al ánodo.

La disolución que sale de la celda contiene un 12% de NaOH y un 15% de NaCl (en peso). La capacidad de una planta puede ser de hasta 360x103 ton de Cl2/año, y de hasta 410x103 ton de NaOH/año. Estas plantas consumen un 20% menos de energía que las plantas basadas en celdas de mercurio.

Proceso de Membrana

En este proceso el cátodo y el ánodo se encuentran separados por una membrana conductora iónica que es impermeable al agua, pero es permeable al paso de iones. El desarrollo de membranas que son estables bajo las condiciones de electrólisis (altas concentraciones de sales, alto pH, presencia de oxidantes fuertes como el Cl2 y el ClO¯-) ha supuesto muchos problemas.

Los procesos que se producen en el cátodo o en el ánodo son los mismos que los que se dan en el proceso de diafragma. Se emplean ánodos de Ti activado y cátodos de acero inoxidable o de Ni. En este proceso la sal debe ser más pura que en el proceso de diafragma.

Comparación de los tres métodos:

Proceso del Mercurio Proceso de Diafragma Proceso de Membrana

Ventajas -NaOH 50%-Cl2 puro -utiliza sales menos puras-Utiliza menos energía que el proceso de mercurio.

-NaOH puro (20-25 %)-Consume sólo el 77% de la energía que se consume en el proceso de Hg-No utiliza Hg o asbestos

Desventajas -Hg tóxico-Más energía -NaOH de pureza media- -el Cl2 contiene O2 -Se

consumida (más del 10-15% que el proceso de diafragma)

El Cl2 contiene O2-Los asbestos son tóxicos

necesita sal de alta pureza.-Alto coste de las Membranas

Aplicaciones y usos:

Cloro

El cloro es el undécimo elemento más abundante en la litosfera, es incluso más abundante que el carbono. Junto con el sodio forma un compuesto esencial para la vida: la sal (cloruro sódico. La sal es vital para nuestro organismo (sin sal no podemos vivir), por lo que ha sido desde la antigüedad una sustancia muy apreciada.

El cloro interviene, directamente o como intermediario, en más del 50% de la producción química industrial mundial y es parte integrante de la vida misma de la industria (aeroespacial, mecánica, telecomunicaciones, transportes, informática, química, petroquímica, farmacia, cosmética, construcción, nuclear, tratamiento de aguas, metalurgia, confección, deportes, etc).

Usos del cloro:

El uso del cloro como agente purificador para desinfectar el agua para beber y nadar es bien conocido. Sin embargo, el cloro es un componente básico en la industria de productos químicos, que conduce a una variedad de materiales que se usan para hacer los productos que usamos diariamente para nuestra salud, seguridad, nutrición, protección, transporte, estilo de vida e innovaciones de alta tecnología. En realidad, los productos de cloro de todo tipo y los productos derivados del cloro, constituyen el 45% del Producto Doméstico Bruto del país.

La lista de usos del cloro incluye:

Producción de compuestos orgánicos clorados como clorometano, cloroetano, etc, y sobre todo el cloruro de vinilo, monómero del PVC. El 70% de la producción del Cl2 se emplea con este fin.

Como blanqueante en las industrias del papel y textil; para la desinfección sanitaria de aguas, piscinas y en el tratamiento de aguas residuales. El 20% de la producción del Cl2 se emplea para este uso.

En la fabricación con compuestos inorgánicos como el HCl, Cl2O, HClO, NaClO3, PCl3, PCl5, etc. El 10% de la producción del Cl2 se emplea en esta síntesis de productos inorgánicos.

En las Industrias de:

Automotriz, e.g. tableros de instrumentos, asientos de espuma, pinturas para automóviles, telas

Construcción, e.g. caños, pisos, pintura para interiores y exteriores, revestimientos exteriores

Transporte, e.g. motores de reacción, misiles, paracaídas, aeronaves de titanio

Electrónica, e.g. semiconductores, discos para computadoras, aislamiento para cables

Elaboración de alimentos, e.g. vitaminas, productos de limpieza, desinfectantes, embalaje estéril

Atención de la salud, e.g. equipos de cirugía, reactivos para laboratorio, instrumentos electrónicos, embalaje estéril

Medicamentos, antibióticos, tratamiento de cáncer, analgésicos, descongestivos, antihistaminas

Producción de metales, e.g. magnesio, níquel, titanio, zinc, circonio

Actividades recreativas al aire libre, e.g. Carpas, abrigos, mochilas, ropa impermeable, tablas de surfing, empuñaduras para palos de golf

Soda Caustica

El hidróxido de sodio suele suministrarse en forma de solución acuosa al 50% y puede almacenarse durante largos períodos y transportarse fácilmente (por ferrocarril, carretera o barco). La sosa cáustica es uno de los productos químicos con mayor presencia en la actividad industrial. Su empleo se extiende a los siguientes mercados:

Química Orgánica e Inorgánica: Fabricación de compuestos de sodio que pueden, a su vez, ser intermedios (como el Fenolato Sódico) en la preparación de aspirina o producto final como el hipoclorito de sodio, importante blanqueador y desinfectante base de lejías.

Industria Textil: Operaciones de acabado y apresto como el mercerizado, en el que mejore el brillo y la absorción de tintes, la limpieza removiendo ceras y pectinas, y el blanqueado con un agente oxidante.

Detergentes y Tensioactivos: La sosa interviene en la hidrólisis de grasas y aceites vegetales y animales, para producir los detergentes. En la fabricación de los polvos, intervienen además otros compuestos de sodio en el que también está presente la sosa.

Producción de Gas y Petróleo: La sosa se emplea en perforación para controlar el PH de los barros y lodos, y también como bactericida. En el refino del petróleo, se emplea para extraer azufre, compuestos de azufre y ácidos.

Producción de Aluminio: Extracción de la alúmina de la bauxita, mineral base.

Industria de la Celulosa y el Papel: La sosa actúa sobre la pulpa para producir celulosa. En la industria papelera, blanquea la materia prima reciclada.

Industria del Rayón: Disolución de la lignina de la pulpa.

Industria Alimenticia: Refino de aceites animales y vegetales, limpieza de botellas y equipos de fabricación de cervezas y pelado de papas, frutas y vegetales.

Tratamiento de Agua: Control del PH y regeneración de resinas iónicas.

Industria Agrícola: Tratamiento de la paja para mejorar su valor nutritivo y digestibilidad. Limpieza de equipos lácteos.

Otros Usos: Decapado de pinturas, agente extractor en secado, en el esmaltado e incluso en desengrase y limpieza de metales.

- Impacto Ambiental:

La industria del cloro está sometida a estrictas reglamentaciones y rigurosos controles de sus emisiones con objeto de garantizar actividades compatibles con la conservación del medio ambiente. La aplicación de estas disposiciones reglamentarias se verifica permanentemente. En muchos casos, los objetivos medioambientales que emanan de la aplicación de las políticas medioambientales de las empresas productoras de cloro, son mucho más estrictos que los límites que exige la propia administración.

Actualmente, el impacto sobre el medio ambiente de las unidades de producción de cloro es mínimo, cualquiera que sea el procedimiento de fabricación utilizado (células de mercurio, diafragma o membrana).Sin embargo también conlleva ciertos riesgos; que son parte de las propiedades de este compuesto químico, tales como.

El cloro se disuelve cuando se mezcla con el agua. También puede escaparse del agua e incorporarse al aire bajo ciertas condiciones. La mayoría de las emisiones de cloro al medio ambiente son al aire y a las aguas superficiales.

Una vez en el aire o en el agua, el cloro reacciona con otros compuestos químicos. Se combina con material inorgánico en el agua para formar sales de cloro, y con materia orgánica para formar compuestos orgánicos clorinados, que son los que más afectan a este medio.

Las plantas y los animales no suelen almacenar cloro. Sin embargo, estudios de laboratorio muestran que la exposición repetida a cloro en el aire puede afectar al sistema inmunitario, la sangre, el corazón, y el sistema respiratorio de los animales. Mayormente el cloro es especialmente dañino para organismos que viven en el agua y el suelo.

Aun con los riesgos que conlleva, la correcta utilización del cloro y de sus derivados, no sólo no es alarmantemente perjudicial para el medio ambiente, sino que existen productos elaborados con cloro que están destinados a su mejora y conservación, tal es el caso del cloruro férrico, utilizado en el tratamiento de depuración de aguas.

Los subproductos generados son recuperados como materia prima en otros procesos, y los residuos finales, minimizados mediante el uso de nuevas tecnologías, son adecuadamente gestionados, lo que disminuye el consumo energético y liberación de desechos al ambiente.

Respecto a los productos organoclorados que son los más preocupantes para el ambiente, se están desarrollando, conjuntamente con las autoridades medioambientales y de industria, especificaciones técnicas que regulen las clases, tipos y aplicaciones posibles para diversos productos recuperados, por ejemplo disolventes procedentes de las tintorerías.

A pesar de los riesgos y consecuencias que puede tener al medio ambiente la producción de cloro, este también proporciona beneficios, es más si se hiciera un balance riesgos/beneficios de la industria del cloro se podría notar el impacto mayormente positivo que esta genera ya que:

- Protege nuestra salud

- Protege los alimentos

- Proporciona bienestar y calidad de vida

- El impacto sobre el medio ambiente es mínimo

- Es una de las industrias que más se preocupa en seguridad

- Es necesario e insustituible en muchos casos

- Genera riqueza y empleo

Por su parte la sosa caustica no presenta un mayor impacto ambiental que el cloro, siempre y cuando su manipulación sea controlada. Por ejemplo, no hay evidencia que asegure contaminación de la sosa en la atmósfera. El CO2 atmosférico tiende a carbonatarla. En el agua forma hidróxidos con las sales del agua, aunque muchos de ellos precipitables, Incrementa la conductividad eléctrica del agua. Con respecto a la capa terrestre la sosa reacciona con los componentes químicos del suelo formando hidróxidos que dependiendo de su solubilidad, son fácilmente lavados con agua. Un derrame de sosa cáustica pudiera quemar temporalmente la zona de suelo afectado. Sin embargo es algo reversible. Principalmente su mayor impacto se observa es en la vida acuática ya que a concentraciones altas generadas por un derramen es eco tóxico y dañino para peces y microorganismos. La química del cloro es uno de los pilares para el "desarrollo sostenible" y, por lo tanto, es útil y beneficiosa para la humanidad.

- Empresas Productoras en Venezuela:

La mayor producción de estos productos se dan el Complejo Petroquímico de Morón (Pequiven).Sin embargo a menor escala se tienen ciertas empresas pequeñas como LM QUIMICA, c.a, también ubicada en Valencia-Carabobo