5.13: Промислові хімічні реакції - процес Solvay

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18714

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Буквально тисячі хімічних реакцій використовуються для виготовлення важливих промислових продуктів. Більшість з них стосуються органічних хімічних речовин, про які йдеться у главі 9 та пізніших розділах цієї книги. Деякі використовуються для виготовлення неорганічних хімічних речовин у великих кількостях. Однією з таких операцій синтезу є процес Solvay, який давно використовується для виготовлення бікарбонату натрію та карбонату натрію, промислових хімічних речовин, необхідних для виготовлення скла, очищення складів та багатьох інших застосувань. Процес Solvay детально розглядається в цьому розділі, оскільки він ілюструє деякі важливі неорганічні хімічні реакції і може бути використаний для обговорення зеленої хімії в промисловості.

Ключова реакція в синтезі Солвея полягає в тому,

\[\ce{NaCl + NH3 + Co2 + H2O \rightarrow NaHCO3(s) + NH4Cl}\]

в якому розчин хлориду натрію (розсіл) насичується газом аміаку (NH ₃), потім вуглекислим газом і остаточно охолоджується. Це реакція осадження, при якій з розчину виходить твердий бікарбонат натрію, NaHCO ₃. При нагріванні твердий NaHCO _{3 виходить} твердий карбонат натрію, Na ₂ CO ₃, водяна пара і вуглекислий газ:

\[\ce{2NaHCO3 + heat \rightarrow Na2CO3 + H2O(g) + CO2(g)}\]

Відповідно до практики зеленої хімії (хоча Solvay розробив процес задовго до того, як хтось коли-небудь думав про зелену хімію), СО ₂ з реакції 5.13.2 переробляється назад в реакцію 5.13.1

Сировина для процесу Solvay дешева. Розчин NaCl можна перекачувати з землі з ропових відкладень в деяких місцях, або прісну воду можна закачувати в сольовий пласт для розчинення NaCl і отриманий розсіл викачувати на поверхню. Найдорожчою сировиною є аміак, який виробляється реакцією елементарного водню і азоту над каталізатором на основі заліза,

\[\ce{3H2 + N2 \rightarrow 2NH3}\]

засіб виготовлення аміаку, розроблений компанією Haber і Bosch в Німеччині в 1913 році. Однак, як показано нижче, аміак переробляється, тому потрібні лише відносно невеликі кількості додаткового підживлення NH ₃.

Крім NaCl, основною витратною сировиною в процесі Solvay є карбонат кальцію, CaCo ₃, який в достатку доступний з родовищ вапняку. Його нагрівають (прожарюють)

\[\ce{CaCO3 + heat \rightarrow CaO + CO2}\]

для отримання оксиду кальцію і вуглекислого газу. Газ вуглекислого газу використовується в Реакція 5.13.1, ще один зелений хімічний аспект процесу. Оксид кальцію вступає в реакцію з водою (кажуть, гашене),

\[\ce{CaO + H2O \rightarrow Ca(OH)_{2}}\]

для отримання основного гідроксиду кальцію. Потім ця основа вступає в реакцію з розчином, з якого був осаджений твердий NaHCO ₃ (Реакція 5.13.1) і який містить розчинений хлорид амонію,

\[\ce{Ca(OH)2(s) + 2NH4Cl(aq) \rightarrow 2NH3(g) + CaCl2(aq) + 2H2O(l)}\]

виділення аміачного газу, який переробляється назад в реакцію 5.13.1 для синтезу NaHCO ₃. Це має перевагу переробки аміаку, що має важливе значення для економічності процесу. Він має недолік генерації розчину хлориду кальцію, CaCl ₂. Комерційний попит на цю сіль обмежений, хоча концентровані її розчини використовуються для протиобледеніння покритих льодом доріг. Вона володіє настільки ненажерливим апетитом до води, що її не можна економно висушити для зберігання в сухому вигляді.

Чи відповідає процес Солвея критеріям зеленого хімічного синтезу? На це питання немає простої відповіді. Є два аспекти, в яких він відповідає зеленим хімічним критеріям:

1. Тут використовується недороге, рясно доступне сировину у вигляді розсолу NaCl і вапняку (CaCo ₃). Значна кількість NH ₃ потрібна для початку процесу з відносно невеликими кількостями, щоб продовжувати його роботу.

2. Він максимізує переробку двох основних реагентів, аміаку та вуглекислого газу. Прожарювання вапняку (Реакція 5.13.4) забезпечує достатню кількість вуглекислого газу, щоб компенсувати неминучі втрати від процесу, але для компенсації будь-яких витоків потрібно додати додатковий аміак.

А як щодо відсоткового виходу та атомної економіки процесу Solvay? Можна очікувати, що відсоток виходу реакції, що генерує продукт, Реакція 5.13.1, значною мірою менше 100%, оскільки стехіометрична кількість NaHCO ₃ не можна очікувати осаду з реакційної суміші. Щоб розрахувати максимальну економію атомів для виробництва Na ₂ CO ₃, необхідно припустити, що всі реакції йдуть до завершення без будь-яких втрат. У такому ідеальному випадку загальна реакція на процес

\[\ce{CaCO3 + 2NaCl \rightarrow Na2CO3 + CaCl2}\]

Використання атомних мас Ca 40.0, C 12.0, O 16,0 і Cl 35,5 дає молярні маси CaCo ₃, 100 г/моль; NaCl - 58,5 г/моль; Na ₂ CO ₃, 106 г/моль; і CaCl ₂ 111 г/моль. Якби мінімальна ціла кількість молів реагентів реагувала, 100 г CaCo ₃ вступали б у реакцію з 2×58,5 = 117 г NaCl, утворюючи 106 г Na ₂ CO ₃ і 111 г CaCl ₂. Зверніть увагу, що маса NaCl, що реагує, в 2 рази перевищує молярну масу, оскільки реагують 2 молі NaCl. Так, для цих кількостей матеріалів вреакції загальною масою 100 + 117 = 217 г реагентів виходить 106 г продукту Na ₂ CO ₃. Тому відсоток атомної економіки

\[\textrm{Percent atom economy} = \frac{\textrm{Mass of desired product}}{\textrm{Total mass of reactants}} \times 100 = \frac{106 g}{217g} \times 100 = 48.8 \% \]

Це максимально можливе значення, припускаючи повні реакції і відсутність втрат. Якщо CaCl2byProduct вважається корисним продуктом, атомна економіка може розглядатися як вища.

Чи є процес Solvay зеленим щодо впливу на навколишнє середовище? Знову ж таки, відповідь на це питання неоднозначний. Видобуток двох основних сировини, вапняку та NaCl, як правило, може здійснюватися з мінімальним несприятливим впливом на навколишнє середовище. Видобуток вапняку у відкритих кар'єрах призводить до утворення пилу і вибухових робіт гірської породи, яка зазвичай здійснюється вибухонебезпечною сумішшю мазуту, змішаної з аміачною селітрою, NH ₄ NO ₃, викликає деякі порушення. Відкриті кар'єри вапняного каменю можуть бути непривабливими, але можуть служити і штучними озерами. У деяких місцях підземні простори, що залишилися від підземного видобутку вапняку, знайшли відмінне комерційне використання як недорогі склади, які значною мірою забезпечують власний кліматичний контроль. Автоперевезення вапна, безумовно, має негативний вплив на навколишнє середовище. Екстракція рідкого розсолу NaCl зазвичай має мінімальний вплив на навколишнє середовище. Сам процес Solvay виділяє в атмосферу значну кількість парникових газів СО ₂ та деякої кількості газоподібного аміаку. Сольвай виробництва карбонату натрію вимагає значної кількості енергії.

Є численні природні поклади бікарбонату натрію і карбонату натрію. Найбільш поширеним джерелом цих солей є мінерал під назвою трона, для якого хімічною формулою є Na ₂ CO ₃ • NaHCO ₃ • 2H ₂ O. (Ця формула показує, що формульна одиниця мінералу трона складається з 1 формули одиниці іонного Na ₂ CO _3., 1 формульна одиниця іонного NaHCO ₃ і 2 молекули H ₂ O). Розробка величезних родовищ трони в штаті Вайомінг і в інших країнах світу знизила залежність від процесу Солвея для джерел бікарбонату натрію і карбонату натрію і цей процес більше не використовується в США.