Processo cloro-soda
Il processo cloro-soda è strettamente correlato all'elettrolisi del comune sale da cucina, il cloruro di sodio. A seconda del metodo con cui viene esplicato il processo si ottengono diversi prodotti, oltre che l'idrogeno gassoso. Se i prodotti vengono isolati separatamente si ottengono cloro molecolare e idrossido di sodio (soda caustica); se fuoriescono dal processo miscelati, a seconda della temperatura si ottengono ipoclorito di sodio o clorato di sodio: a temperature elevate il processo dà clorato di sodio, a temperature più basse si ottiene ipoclorito di sodio. La produzione cloro-soda su scala industriale ebbe inizio nel 1892.
Per analogia, usando cloruro di calcio o cloruro di potassio, i prodotti contengono calcio o potassio invece che sodio.
Il processo richiede un alto consumo energetico e produce soda caustica e cloro in uguale ammontare di moli. Ciò ho reso necessaria la ricerca di nuovi impieghi per prodotti che, come appunto il cloro, hanno minore domanda.
Processo
Attualmente la produzione di soda e cloro gassoso viene effettuata attraverso due differenti metodi: il sistema a membrana semipermeabile e il metodo della cella a diaframma. In realtà esiste un terzo metodo, quello della cella a mercurio, che risulta tuttavia gravemente dannoso per l'ambiente. Infatti basta pensare che il normale ciclo produttivo genera ogni anno centinaia di chilogrammi di mercurio che viene accumulato nella biosfera. Per di più il coloro e la soda prodotti col metodo a cella di mercurio sono contaminati da tracce di mercurio stesso. Per contro, il sistema a membrana semipermeabile e a diaframma non implicano l'utilizzo di mercurio, anche se l'idrossido di sodio che risulta contiene tracce di cloro, il quale viene rimosso alla fine del processo.
Cella a membrana
Il metodo più comune per la produzione di cloro e soda caustica è quello dell'elettrolisi di cloruro di sodio acquoso all'interno di una cella a membrana, costituita da due camere tenute separate da una membrana permeabile solo agli ioni sodio. La soluzione satura di cloruro di sodio viene introdotta nella prima camera della cella, dove gli ioni cloruro si ossidano a cloro molecolare sull'anodo.
- Cl- → Cl2 + e-
In realtà si dovrebbe considerare anche l'ossidazione dell'ossigeno acquoso a ossigeno gassoso ma tale coppia ha un potenziale standard maggiore di quello della coppia riducente Cl-/Cl2, dunque questa scarica anodica non avviene. Al catodo l'idrogeno dell'acqua si riduce ad idrogeno gassoso rilasciando in soluzione ioni ossidrili:
- H2O + e- → ½ H2 + OH-
Analogamente all'ossidazione, si dovrebbe considerare anche la riduzione dello ione sodio a sodio elementare, ma avendo questa coppia un potenziale standard minore di quello della coppia acqua/idrogeno gassoso a causa della sovratensione dell'idrogeno, tale scarica non avviene.
La membrana al centro della cella permette agli ioni sodio di passare nella seconda camera, dove reagendo con gli ossidrili permettono la produzione di soda caustica (NaOH). La reazione globale dell'elettrolisi del cloruro di sodio è:
- 2 NaCl + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH
La principale funzione della membrana semipermeabile è quella di tenere separati il cloruro e gli ioni ossidrili. Infatti se avviene la loro reazione, il cloro disproporziona a ione cloruro e ione ipoclorito
- Cl2 + 2 OH- → Cl- + ClO- + H2O
se la reazione avviene a freddo, mentre ad alte temperature (333K) si forma ione clorato
- 3 Cl2 + 6 OH- → 5 Cl- + ClO3- + 3 H2O
A causa della natura corrosiva del cloro molecolare, l'anodo deve essere costituito da un metallo poco reattivo come il titanio, mentre il catodo può essere di Nichel. Riassumendo, durante il processo i due elettrodi sono separati dalla membrana semipermeabile. La soluzione satura di cloruro di sodio viene introdotta nel compartimento con l'anodo. Quindi grazie alla corrente continua che viene fatta passare attraverso il circuito, il sale si scinde nelle sue componenti Na+ e Cl-. La membrana permette solo agli ioni di sodio di raggiungere il compartimento con l'anodo ed entrare in reazione con gli ossidrili prodotti dalla riduzione, formando idrossido di sodio, mentre gli ioni cloruro sono ostacolati nel dare reazione con la soda. Dunque mentre all'anodo si formano idrogeno gassoso e ioni ossidrili, al catodo gli ioni cloruro si ossidano a cloro molecolare, il quale viene isolato, raffinato e immagazzinato.
Cella a diaframma
Nel processo cloro-soda mediante la cella a diaframma, i due compartimenti sono separati da un diaframma permeabile, spesso fatto di fibre di asbesto (amianto). La soluzione viene introdotta nel compartimento con l'anodo e fluisce nel secondo compartimento. Come nella cella a membrana, gli ioni cloruro vengono ossidati all'anodo a produrre cloro gassoso, mentre al catodo l'acqua si scinde a formare idrossido di sodio e idrogeno. Il ruolo del diaframma è quello di impedire la reazione tra soda e cloro. A questo punto la soluzione di soda lascia la cella. Normalmente la soda caustica deve essere concentrata al 50% e deve essere depurata dal sale. Questo risultato può essere ottenuto mediante processi di evaporazione che coinvolgono tre tonnellate di vapore per ogni tonnellata di soda. Il sale separato può quindi essere riutilizzato per saturare la soluzione di cloruro di sodio che viene reintrodotta nel ciclo. Per quanto riguarda il cloro gassoso prodotto, questo contiene tracce di ossigeno che vengono spesso eliminate tramite liquefazione ed evaporazione.
Cella a mercurio
Nel processo mediante cella a mercurio, conosciuto anche come processo Castner-Kellner, la soluzione satura di cloruro di sodio galleggia sul catodo, costituito questa volta da una sottile lamina di mercurio. Il cloro viene prodotto all'anodo, mentre il sodio al catodo dove forma una amalgama col mercurio.
- Na+ + nHg + e- → Na(Hg)n
L'amalgama viene costantemente espulsa all'esterno della cella dove entra in reazione con l'acqua a formare idrossido di sodio e mercurio:
- Na(Hg)n + H20 → NaOH + ½ H2 + n Hg
Il mercurio viene quindi riutilizzato all'interno della cella elettrolitica. Le celle a mercurio sono state gradualmente eliminate a causa del loro alto impatto ambientale. Infatti non sono stati radi i casi di avvelenamento da mercurio prodotto proprio dall'inquinamento di questo tipo di cella, come appunto avvenne in Canada e Giappone.
In laboratorio
L'elettrolisi del cloruro di sodio può essere effettuata in laboratorio utilizzando due becher, uno contenente la soluzione e l'altro contenente acqua pura, collegati mediante un ponte salino che può essere ottenuto piegando un tubo (non metallico), e le cui estremità devono essere chiuse da lembi di tessuto o fazzoletti. Si posiziona un elettrodo nella soluzione che produrrà idrossido di sodio e idrogeno, e l'altro elettrodo (che può essere una bacchetta di carbonio, o la mina di una matita) nella soluzione che produrrà cloro. Infine si collegano gli elettrodi ad una differenza di potenziale di 12 volt.
