Processo cloro-soda
Il processo cloro-soda è il processo chimico-industriale tramite il quale dal cloruro di sodio in soluzione (salamoia) si ottengono per elettrolisi cloro gassoso, soda caustica e idrogeno. I prodotti possono essere utilizzati all'interno dello stesso ciclo per produrre derivati quali acido cloridrico (per reazione di combustione dell'idrogeno con il cloro) e ipoclorito di sodio (per reazione fra il cloro gassoso e la soda caustica soluzione).
In luogo del cloruro di sodio può essere utilizzato il cloruro di potassio, nel qual caso si ottiene la potassa caustica soluzione in luogo della soda caustica soluzione.
La produzione cloro-soda su scala industriale ebbe inizio nel 1892. Il processo richiede un alto consumo energetico e produce soda caustica e cloro in uguale ammontare di moli. Ciò ha reso necessaria la ricerca di nuovi impieghi il cloro che ha una minore domanda. In origine esso veniva liberato nell'atmosfera, successivamente come acido cloridrico nelle acque, con effetti inquinanti.
=MERDA >O → Cl2 + H2 + 2 NaOH
- Cl2 + 2 OH- → Cl- + ClO- + H2O
Varianti del processo descritto possono produrre il clorato.
- 3 Cl2 + 6 OH- → 5 Cl- + ClO3- + 3 H2O
A causa della natura corrosiva del cloro molecolare in ambiente umido, l'anodo deve essere costituito da titanio, mentre il catodo può essere di Nichel. Su questi materiali viene depositato un coating di diversa tipologia a seconda del fornitore della tecnologia che consente una notevole riduzione delle sovratensioni. Riassumendo, nella cella elementare i due elettrodi sono separati dalla membrana semipermeabile. La soluzione satura di cloruro di sodio viene introdotta nel comparto anodico. Quindi grazie alla corrente continua che viene fatta passare attraverso il circuito, il cloro si sviluppa all'anodo e l'idrogeno al catodo. La membrana permette solo agli ioni di sodio di raggiungere il comparto anodico e reagire con gli ossidrili prodotti dalla riduzione, formando idrossido di sodio, mentre gli ioni cloruro sono ostacolati nel dare reazione con la soda. All'anodo si sviluppa cloro molecolare mentre al catodo si sviluppa idrogeno e si formano ioni ossidrili.
Cella a diaframma
Nel processo cloro-soda mediante la cella a diaframma, i due compartimenti sono separati da un diaframma permeabile,[1] in passato realizzato con 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 comportano un consumo di circa 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,[2] la soluzione satura di cloruro di sodio galleggia sul catodo, costituito da una film liquido di mercurio. Il cloro viene sviluppato all'anodo, mentre il sodio si scioglie nel mercurio nella cosiddetta amalgama.[2]
- Na+ + nHg + e- → Na(Hg)n
L'amalgama fluisce nella cosiddetta cella secondaria (disamalgamatore) dove entra in reazione con l'acqua a formare idrossido di sodio e libera il mercurio metallico, nella reazione si forma anche idrogeno gassoso. [2]
- Na(Hg)n + H2O → NaOH + ½ H2 + n Hg
Il mercurio viene quindi riciclato all'ingresso cella elettrolitica. Le celle a mercurio sono gradualmente eliminate a causa del loro alto impatto ambientale e dei loro alti consumi energetici. 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 nella baia di Minimata.
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.
Note
Bibliografia
- (EN) Hartmut Wendt, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Electrochemistry", 7ª ed., Wiley-VCH, 2004, DOI:10.1002/14356007.a09_183.
- (EN) Diagram Group, The Facts on File chemistry handbook, 2ª ed., Infobase Publishing, 2006, 0816058784.
- (EN) Academic Press Dictionary of Science and Technology - "Diaphragm cell", Oxford, Elsevier Science & Technology, 1992.
