El carbonato de sodio (también conocido como bicarbonato de sodio , carbonato de sodio y cristales de soda ) es el compuesto inorgánico de fórmula Na 2 CO 3 y sus diversos hidratos . Todas las formas son sales blancas, inodoras y solubles en agua que producen soluciones alcalinas en agua. Históricamente, se extraía de las cenizas de plantas cultivadas en suelos ricos en sodio, y debido a que las cenizas de estas plantas ricas en sodio eran notablemente diferentes de las cenizas de madera (que alguna vez se usaron para producir potasa ), el carbonato de sodio pasó a ser conocido como "ceniza de soda". ". [12] [ cita completa necesaria ] Se produce en grandes cantidades a partir de cloruro de sodio y piedra caliza mediante el proceso Solvay , así como mediante carbonatación de hidróxido de sodio que se elabora mediante el proceso cloro-álcali .
El carbonato de sodio se obtiene como tres hidratos y como sal anhidra:
El decahidrato se forma a partir de soluciones acuosas que cristalizan en el rango de temperatura de -2,1 a +32,0 °C, el heptahidrato en el rango estrecho de 32,0 a 35,4 °C y por encima de esta temperatura se forma el monohidrato. [13] En el aire seco, el decahidrato y el heptahidrato pierden agua para dar el monohidrato. Se han descrito otros hidratos, por ejemplo con 2,5 unidades de agua por unidad de carbonato de sodio ("Penta hemihidrato"). [14]
El carbonato de sodio decahidratado (Na 2 CO 3 ·10H 2 O), también conocido como bicarbonato de sodio, es el hidrato más común de carbonato de sodio que contiene 10 moléculas de agua de cristalización . La carbonato de sodio se disuelve en agua y se cristaliza para obtener bicarbonato de sodio.
Es uno de los pocos carbonatos metálicos solubles en agua.
Algunas aplicaciones comunes del carbonato de sodio incluyen:
El carbonato de sodio sirve como fundente para la sílice (SiO 2 , punto de fusión 1.713 °C), reduciendo el punto de fusión de la mezcla a algo que se puede lograr sin materiales especiales. Este "vidrio de soda" es levemente soluble en agua, por lo que se agrega un poco de carbonato de calcio a la mezcla fundida para hacer que el vidrio sea insoluble. El vidrio para botellas y ventanas (" vidrio sodocálcico " con una temperatura de transición de ~570 °C) se fabrica fundiendo mezclas de carbonato de sodio, carbonato de calcio y arena de sílice ( dióxido de silicio (SiO 2 )). Cuando estos materiales se calientan, los carbonatos liberan dióxido de carbono. De esta forma, el carbonato de sodio es una fuente de óxido de sodio. El vidrio sodocálcico ha sido la forma más común de vidrio durante siglos. También es un insumo clave para la fabricación de vidrio para vajillas. [15]
El agua dura suele contener iones de calcio o magnesio. El carbonato de sodio se utiliza para eliminar estos iones y reemplazarlos con iones de sodio. [dieciséis]
El carbonato de sodio es una fuente de carbonato soluble en agua. Los iones calcio y magnesio forman precipitados sólidos insolubles tras el tratamiento con iones carbonato :
El agua se ablanda porque ya no contiene iones de calcio ni iones de magnesio disueltos. [dieciséis]
El carbonato de sodio tiene varios usos en la cocina, en gran parte porque es una base más fuerte que el bicarbonato de sodio ( bicarbonato de sodio ) pero más débil que la lejía (que puede referirse al hidróxido de sodio o, menos comúnmente, al hidróxido de potasio ). La alcalinidad afecta la producción de gluten en masas amasadas y también mejora el dorado al reducir la temperatura a la que se produce la reacción de Maillard . Para aprovechar el primer efecto, el carbonato de sodio es uno de los componentes del kansui (かん水) , una solución de sales alcalinas que se utiliza para dar a los fideos ramen japoneses su sabor característico y su textura masticable; En la cocina china se utiliza una solución similar para hacer lamian , por razones similares. Los panaderos cantoneses también utilizan carbonato de sodio como sustituto del agua de lejía para dar a los pasteles de luna su textura característica y mejorar el dorado. En la cocina alemana (y en la cocina centroeuropea en general), los panes como los pretzels y los panecillos con lejía, tradicionalmente tratados con lejía para mejorar el dorado, se pueden tratar con carbonato de sodio; El carbonato de sodio no produce un color marrón tan fuerte como la lejía, pero es mucho más seguro y fácil de trabajar. [17]
El carbonato de sodio se utiliza en la producción de sorbete en polvo . La sensación refrescante y burbujeante resulta de la reacción endotérmica entre el carbonato de sodio y un ácido débil, comúnmente ácido cítrico , que libera dióxido de carbono, que ocurre cuando el sorbete se humedece con la saliva.
El carbonato de sodio también se utiliza en la industria alimentaria como aditivo alimentario (E500) como regulador de la acidez, antiaglomerante , gasificante y estabilizante. También se utiliza en la elaboración de snus para estabilizar el pH del producto final.
Si bien es menos probable que cause quemaduras químicas que la lejía, se debe tener cuidado al trabajar con carbonato de sodio en la cocina, ya que es corrosivo para los utensilios de cocina, los utensilios y el papel de aluminio. [18]
El carbonato de sodio también se utiliza como base relativamente fuerte en diversos campos. Como álcali común, se prefiere en muchos procesos químicos porque es más barato que el hidróxido de sodio y mucho más seguro de manipular. Su suavidad recomienda especialmente su uso en aplicaciones domésticas.
Por ejemplo, se utiliza como regulador del pH para mantener las condiciones alcalinas estables necesarias para la acción de la mayoría de los agentes reveladores de películas fotográficas . También es un aditivo común en piscinas y agua de acuarios para mantener el pH y la dureza de carbonatos (KH) deseados. Al teñir con tintes reactivos con fibras, se utiliza carbonato de sodio (a menudo con el nombre de fijador de carbonato de sodio o activador de carbonato de sodio) para garantizar la unión química adecuada del tinte con las fibras de celulosa (vegetales), generalmente antes de teñir (para teñidos anudados). , mezclado con el tinte (para pintar con tinte) o después de teñir (para teñir por inmersión). También se utiliza en el proceso de flotación de espuma para mantener un pH favorable como acondicionador de flotación además del CaO y otros compuestos ligeramente básicos.
El bicarbonato de sodio (NaHCO 3 ) o bicarbonato de sodio, también un componente de los extintores de incendios, a menudo se genera a partir del carbonato de sodio. Aunque el NaHCO 3 es en sí mismo un producto intermedio del proceso Solvay, el calentamiento necesario para eliminar el amoníaco que lo contamina descompone parte del NaHCO 3 , lo que hace que sea más económico hacer reaccionar el Na 2 CO 3 terminado con CO 2 :
En una reacción relacionada, el carbonato de sodio se utiliza para producir bisulfito de sodio (NaHSO 3 ), que se utiliza para el método de "sulfito" para separar la lignina de la celulosa. Esta reacción se aprovecha para eliminar el dióxido de azufre de los gases de combustión en las centrales eléctricas:
Esta aplicación se ha vuelto más común, especialmente donde las estaciones deben cumplir estrictos controles de emisiones.
La industria algodonera utiliza carbonato de sodio para neutralizar el ácido sulfúrico necesario para la deslintización ácida de las semillas de algodón peludas.
También se utiliza para formar carbonatos de otros metales mediante intercambio iónico, a menudo con los sulfatos de otros metales.
La industria del ladrillo utiliza carbonato de sodio como agente humectante para reducir la cantidad de agua necesaria para extruir la arcilla. En fundición, se le conoce como "agente adhesivo" y se utiliza para permitir que el alginato húmedo se adhiera al alginato gelificado. El carbonato de sodio se utiliza en pastas dentales, donde actúa como agente espumante y abrasivo, y para aumentar temporalmente el pH de la boca.
El carbonato de sodio también se utiliza en el procesamiento y curtido de pieles de animales. [ cita necesaria ]
La entalpía integral de una solución de carbonato de sodio es −28,1 kJ/mol para una solución acuosa al 10% p/p. [19] La dureza de Mohs del carbonato de sodio monohidrato es 1,3. [6]
El carbonato de sodio es soluble en agua y puede ocurrir naturalmente en regiones áridas, especialmente en depósitos minerales ( evaporitas ) formados cuando los lagos estacionales se evaporan. Los depósitos del mineral natrón se han extraído de los fondos secos de los lagos en Egipto desde la antigüedad, cuando el natrón se utilizaba en la preparación de momias y en la fabricación temprana de vidrio.
La forma mineral anhidra del carbonato de sodio es bastante rara y se llama nitrito. El carbonato de sodio también brota de Ol Doinyo Lengai , el volcán único de Tanzania, y se presume que también hizo erupción de otros volcanes en el pasado, pero debido a la inestabilidad de estos minerales en la superficie de la tierra, es probable que se erosionen. Las tres formas mineralógicas del carbonato de sodio, así como la trona , el hidrogenodicarbonato trisódico dihidrato, también se conocen en rocas pegmatíticas ultraalcalinas que se encuentran, por ejemplo, en la península de Kola en Rusia.
Extraterrestre, el carbonato de sodio conocido es raro. Los depósitos han sido identificados como la fuente de puntos brillantes en Ceres , material interior que ha sido sacado a la superficie. [20] Si bien hay carbonatos en Marte , y se espera que incluyan carbonato de sodio, [21] los depósitos aún no se han confirmado; algunos explican esta ausencia como debida a un predominio global del bajo pH en el suelo marciano previamente acuoso. . [22]
La trona , también conocida como hidrogenodicarbonato trisódico dihidrato (Na 3 HCO 3 CO 3 ·2H 2 O), se extrae en varias zonas de EE. UU. y proporciona casi todo el consumo estadounidense de carbonato de sodio. Grandes depósitos naturales descubiertos en 1938, como el que se encuentra cerca de Green River, Wyoming , han hecho que la minería sea más económica que la producción industrial en América del Norte. En Turquía existen importantes reservas de trona; [23] De las reservas cercanas a Ankara se han extraído dos millones de toneladas de carbonato de sodio.
Varias especies de plantas " halófitas " (tolerantes a la sal) y de algas marinas pueden procesarse para producir una forma impura de carbonato de sodio, y estas fuentes predominaron en Europa y otros lugares hasta principios del siglo XIX. Las plantas terrestres (típicamente vidrieras o salinas ) o las algas marinas (típicamente especies de Fucus ) se recolectaban, secaban y quemaban. Luego las cenizas fueron " lixivadas " (lavadas con agua) para formar una solución alcalina. Esta solución se hirvió hasta secarla para crear el producto final, que se denominó "ceniza de soda"; Este nombre muy antiguo deriva de la palabra árabe soda , aplicada a su vez a la salsola soda , una de las muchas especies de plantas costeras recolectadas para su producción. "Barilla" es un término comercial que se aplica a una forma impura de potasa obtenida de plantas costeras o algas marinas . [24]
La concentración de carbonato de sodio en la carbonato de sodio variaba mucho, desde el 2 al 3 por ciento para la forma derivada de las algas (" kelp "), hasta el 30 por ciento para la mejor barilla producida a partir de plantas de saltwort en España. Las fuentes vegetales y de algas marinas para la carbonato de sodio, y también para el álcali relacionado " potasa ", se volvieron cada vez más inadecuadas a finales del siglo XVIII, y se intensificó la búsqueda de rutas comercialmente viables para sintetizar carbonato de sodio a partir de sal y otras sustancias químicas. [25]
En 1792, el químico francés Nicolas Leblanc patentó un proceso para producir carbonato de sodio a partir de sal, ácido sulfúrico , piedra caliza y carbón. En el primer paso, el cloruro de sodio se trata con ácido sulfúrico en el proceso de Mannheim . Esta reacción produce sulfato de sodio ( torta de sal ) y cloruro de hidrógeno :
La torta de sal y la piedra caliza triturada ( carbonato cálcico ) se redujeron calentándola con carbón . [15] Esta conversión consta de dos partes. La primera es la reacción carbotérmica mediante la cual el carbón, una fuente de carbono , reduce el sulfato a sulfuro :
La segunda etapa es la reacción para producir carbonato de sodio y sulfuro de calcio :
Esta mezcla se llama ceniza negra . La carbonato de sodio se extrae de la ceniza negra con agua. La evaporación de este extracto produce carbonato de sodio sólido. Este proceso de extracción se denominó lixiviante .
El ácido clorhídrico producido por el proceso Leblanc fue una fuente importante de contaminación del aire y el subproducto sulfuro de calcio también presentó problemas de eliminación de desechos. Sin embargo, siguió siendo el principal método de producción de carbonato de sodio hasta finales de la década de 1880. [25] [26]
En 1861, el químico industrial belga Ernest Solvay desarrolló un método para producir carbonato de sodio haciendo reaccionar primero cloruro de sodio , amoníaco , agua y dióxido de carbono para generar bicarbonato de sodio y cloruro de amonio : [15]
Luego, el bicarbonato de sodio resultante se convirtió en carbonato de sodio calentándolo, liberando agua y dióxido de carbono:
Mientras tanto, el amoníaco se regeneró a partir del subproducto cloruro de amonio tratándolo con la cal ( óxido de calcio ) sobrante de la generación de dióxido de carbono:
El proceso Solvay recicla su amoníaco. Sólo consume salmuera y piedra caliza, y el cloruro de calcio es su único producto de desecho. El proceso es sustancialmente más económico que el proceso Leblanc, que genera dos productos de desecho, sulfuro de calcio y cloruro de hidrógeno . El proceso Solvay rápidamente llegó a dominar la producción de carbonato de sodio en todo el mundo. En 1900, el 90% del carbonato de sodio se producía mediante el proceso Solvay y la última planta de proceso Leblanc cerró a principios de la década de 1920. [15]
El segundo paso del proceso Solvay, calentar bicarbonato de sodio, lo utilizan en pequeña escala los cocineros domésticos y en los restaurantes para producir carbonato de sodio con fines culinarios (incluidos pretzels y fideos alcalinos ). El método resulta atractivo para estos usuarios porque el bicarbonato de sodio se vende ampliamente como bicarbonato de sodio y las temperaturas necesarias (de 250 °F (121 °C) a 300 °F (149 °C)) para convertir el bicarbonato de sodio en carbonato de sodio se alcanzan fácilmente. en hornos de cocina convencionales . [17]
Este proceso fue desarrollado por el químico chino Hou Debang en la década de 1930. El dióxido de carbono, subproducto del reformado con vapor anterior, se bombeó a través de una solución saturada de cloruro de sodio y amoníaco para producir bicarbonato de sodio mediante estas reacciones:
El bicarbonato de sodio se recogió como un precipitado debido a su baja solubilidad y luego se calentó hasta aproximadamente 80 °C (176 °F) o 95 °C (203 °F) para producir carbonato de sodio puro similar al último paso del proceso Solvay. Se añade más cloruro de sodio a la solución restante de cloruros de amonio y sodio; Además, se bombea más amoníaco a 30-40 °C a esta solución. Luego se reduce la temperatura de la solución por debajo de 10 °C. La solubilidad del cloruro de amonio es mayor que la del cloruro de sodio a 30 °C y menor a 10 °C. Debido a esta diferencia de solubilidad dependiente de la temperatura y al efecto del ion común , el cloruro de amonio precipita en una solución de cloruro de sodio.
El nombre chino del proceso de Hou, lianhe zhijian fa (联合制碱法), significa "método de fabricación acoplada de álcali": el proceso de Hou está acoplado al proceso de Haber y ofrece una mejor economía atómica al eliminar la producción de cloruro de calcio, ya que el amoníaco ya no necesita para ser regenerado. El subproducto cloruro de amonio se puede vender como fertilizante.
