Химия - Гидроксид натрия - Качественное определение ионов натрия

28 февраля 2011


Оглавление:
1. Гидроксид натрия
2. Физические свойства
3. Качественное определение ионов натрия
4. Рынок каустической соды
5. Применение
6. Меры предосторожности при обращении с гидроксидом натрия

1. По цвету пламени горелки — ионы натрия придают пламени жёлтую окраску
2. С использованием специфических реакций на ионы натрия

Реагент	Фторид аммония	Нитрит цезия-калия-висмута	Ацетат магния	Ацетат цинка	Пикро- лоновая кислота	Диокси- винная кислота	Бромбензол- сульфокислота	Ацетат уранила-цинка
Цвет осадка	белый	бледно-жёлтый	жёлто-зелёный	желто-зелёный	белый	белый	бледно-жёлтый	зеленовато-жёлтый

Методы получения

Гидроксид натрия может получаться в промышленности химическими и электрохимическими методами.

Химические методы получения гидроксида натрия

К химическим методам получения гидроксида натрия относятся известковый и ферритный.

Химические методы получения гидроксида натрия имеют существенные недостатки: расходуется большое количество энергоносителей, получаемый едкий натр сильно загрязнен примесями.

В настоящее время эти методы почти полностью вытеснены электрохимическими методами производства.

Известковый метод

Известковый метод получения гидроксида натрия заключается во взаимодействии раствора соды с известковым молоком при температуре около 80°С. Этот процесс называется каустификацией; он проходит по реакции:

Na₂CО₃ + Са₂ = 2NaOH + CaCО₃

В результате реакции получается раствор гидроксида натрия и осадок карбоната кальция. Карбонат кальция отделяется от раствора, который упаривается до получения расплавленного продукта, содержащего около 92% масс. NaOH. Затем NaOH плавят разливают в железные барабаны, где он застывает.

Ферритный метод

Ферритный метод получения гидроксида натрия состоит из двух этапов:

1. Na₂CО₃ + Fe₂О₃ = Na₂ОˑFe₂О₃ + CО₂
2. Na₂ОˑFe₂О₃ -f H₂О = 2 NaOH + Fe₂O₃

Реакция 1 представляет собой процесс спекания кальцинированной соды с окисью железа при температуре 1100-1200°С. При этом образуется спек - феррит натрия и выделяется двуокись углерода. Далее спек обрабатывают водой по реакции 2; получается раствор гидроксида натрия и осадок Fe₂O₃, который после отделения его от раствора возвращается в процесс. Получаемый раствор щелочи содержит около 400 г/л NaOH. Его упаривают до получения продукта, содержащего около 92% масс. NaOH, а затем получают твердый продукт в виде гранул или хлопьев.

Электрохимические методы получения гидроксида натрия

Электрохимически гидроксид натрия получают электролизом растворов галита с одновременным получением водорода и хлора. Этот процесс можно представить суммарной формулой:

2NaCl + 2H₂О ±2е → H₂↑ + Cl₂↑ + 2NaOH

Едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них — электролиз с твёрдым катодом, третий — электролиз с жидким ртутным катодом.

В мировой производственной практике используются все три метода получения хлора и каустика с явной тенденцией к увеличению доли мембранного электролиза.

Показатель на 1 тонну NaOH	Ртутный метод	Диафрагменный метод	Мембранный метод
Выход хлора %	99	96	98,5
Электроэнергия	3 150	3 260	2 520
Концентрация NaOH	50	12	35
Чистота хлора	99,2	98	99,3
Чистота водорода	99,9	99,9	99,9
Массовая доля O2 в хлоре, %	0,1	1—2	0,3
Массовая доля Cl в NaOH, %	0,003	1—1,2	0,005

В России приблизительно 35 % от всего выпускаемого каустика вырабатывается электролизом с ртутным катодом и 65 % — электролизом с твёрдым катодом.

Диафрагменный метод

Наиболее простым, из электрохимических методов, в плане организации процесса и конструкционных материалов для электролизера, является диафрагменный метод получения гидроксида натрия.

Раствор соли в диафрагменном электролизере непрерывно подается в анодное пространство и протекает через, как правило, насосанную на стальную катодную сетку асбестовую диафрагму, в которую, иногда, добавляют небольшое количество полимерных волокон.

Во многих конструкциях электролизеров катод полностью погружен под слой анолита, а выделяющийся на катодной сетке водород отводится из под катода при помощи газоотводных труб, не проникая через диафрагму в анодное пространство благодаря противотоку.

Противоток - очень важная особенность устройства диафрагменного электролизера. Именно благодаря противоточному потоку направленному из анодного пространства в катодное через пористую диафрагму становится возможным раздельное получение щелоков и хлора. Противоточный поток рассчитывается так, чтобы противодействовать диффузии и миграции OH ионов в анодное пространство. Если величина противотока недостаточна, тогда в анодном пространстве в больших количествах начинает образовываться гипохлорит-ион, который, затем, может окисляться на аноде до хлорат-иона ClO₃. Образование хлорат-иона серьезно снижает выход по току хлора и является основным побочным процессом в этом методе получения гидроксида натрия. Так же вредит и выделение кислорода, которое к тому же, ведет к разрушению анодов и, если они из углеродных материалов, попадания в хлор примесей фосгена.

Анод:

2Cl — 2е → Cl₂↑ - основной процесс

2H₂O - 2e → O₂↑+4H

6СlО + 3Н₂О – 6е → 2СlО₃ + 4Сl + 1,5O₂↑ + 6Н

Катод:

2H₂O + 2e → H₂↑ + 2OH - основной процесс

СlО + Н₂О + 2е → Сl + 2ОН

СlО₃ + 3Н₂O + 6е → Сl + 6OН

В качестве анода в диафрагменных электролизерах может использоваться графитовый или угольный электроды. На сегодня их в основном заменили титановые аноды с окисно-рутениево-титановым покрытием или другие малорасходуемые.

На следующей стадии электролитический щёлок упаривают и доводят содержание в нём NaOH до товарной концентрации 42—50 % масс. в соответствии со стандартом.

Поваренная соль, сульфат натрия и другие примеси при повышении их концентрации в растворе выше их предела растворимости выпадают в осадок. Раствор едкой щёлочи декантируют от осадка и передают в качестве готового продукта на склад или продолжают стадию упаривания для получения твёрдого продукта, с последующим плавлением, чешуированием или грануляцией.

Обратную, т.е. кристаллизовавшуюся в осадок поваренную соль возвращают назад в процесс, приготавливая из неё так называемый обратный рассол. От неё, во избежание накапливания примесей в растворах, перед приготовлением обратного рассола отделяют примеси.

Убыль анолита восполняют добавкой свежего рассола, получаемого подземным выщелачиванием соляных пластов, минеральных рассолов типа бишофита, предварительно очищенного от примесей или растворением галита. Свежий рассол перед смешиванием его с обратным рассолом очищают от механических взвесей и значительной части ионов кальция и магния.

Полученный хлор отделяется от паров воды, компримируется и подаётся либо на производство хлорсодержащих продуктов, либо на сжижение.

Благодаря относительной простоте и дешевизне диафрагменный метод получения гидроксида натрия до сих пор широко используется в промышленности.

Мембранный метод

Мембранный метод производства гидроксида натрия наиболее энергоэффективен, однако сложен в организации и эксплуатации.

С точки зрения электрохимических процессов мембранный метод подобен диафрагменному, но анодное и катодное пространства полностью разделены непроницаемой для анионов катионообменной мембраной. Благодаря этому свойству становится возможным получение более чистых, чем в случае с диафрагменного метода, щелоков. Поэтому в мембранном электролизере, в отличии от диафрагменного, не один поток, а два.

В анодное пространство поступает, как и в диафрагменном методе, поток раствора соли. А в катодное - деионизированная вода. Из катодного пространства вытекает поток обедненного анолита, содержащего так же примеси гипохлорит- и хлорат-ионов и хлор, а из анодного - щелока и водород, практически не содержащие примесей и близкие к товарной концентрации, что уменьшает затраты энергии на их упаривание и очистку.

Щелочь, получаемая с помощью мембранного электролиза, практически не уступает по качеству получаемой при помощи метода с использованием ртутного катода и постепенно заменяет щелочь, получаемую ртутным методом.

Однако, питающий раствор соли и вода предварительно максимально очищается от любых примесей. Такая тщательная очистка определяется высокой стоимость полимерных катионообменных мембран и их уязвимость к примесям в питающем растворе.

Кроме того, ограниченная геометрическая форма а так же низкая механическая прочность и термическая стойкость ионообменных мембран во многом определяют сравнительно сложные конструкции установок мембранного электролиза. По той же причине мембранные установки требуют наиболее сложных систем автоматического контроля и управления.

Схема мембранного электролизера.

Ртутный метод с жидким катодом

В ряду электрохимических методов получения щелоков самым эффективным способом является электролиз с ртутным катодом. Щелока, полученные при электролизе с жидким ртутным катодом, значительно чище полученных диафрагменным способом, а по сравнению с мембранным методом организация процесса при получении щелочи ртутным методом гораздо проще.

Схема ртутного электролизера.

Установка для ртутного электролиза состоит из электролизёра, разлагателя амальгамы и ртутного насоса, объединённых между собой ртутепроводящими коммуникациями.

Катодом электролизёра служит поток ртути, прокачеваемой насосом. Аноды — графитовые, угольные или малоизнашивающиеся. Вместе с ртутью через электролизёр непрерывно течёт поток питающего поваренной соли.

На аноде происходит окисление ионов хлора из электролита, и выделяется хлор:

2Cl — 2е → Cl₂↑ - основной процесс

2H₂O - 2e → O₂↑+4H

6СlО + 3Н₂О – 6е → 2СlО₃ + 4Сl + 1,5O₂↑ + 6Н

Хлор и анолит отводится из электролизёра. Анолит, выходящий из электролизера, донасыщают свежим галитом, извлекают из него примеси, внесённые с ним, а также вымываемые из анодов и конструкционных материалов, и возвращают на электролиз. Перед донасыщением из анолита извлекают растворённый в нём хлор.

На катоде восстанавливаются ионы натрия, которые образуют слабый раствор натрия в ртути:

Na + е = Na

nNa + nHg = Na + Hg

Амальгама непрерывно перетекает из электролизёра в разлагатель амальгамы. В разлагатель также непрерывно подаётся высоко очищенная вода. В нем амальгама натрия в результате самопроизвольного химического процесса почти полностью разлагается водой с образованием ртути, раствора каустика и водорода:

Na + Hg + Н₂O = NaOH + 1/2Н₂↑ + Hg

Полученный таким образом раствор каустика, являющийся товарным продуктом, практически не содержит примесей. Ртуть почти полностью освобождается от натрия и возвращается в электролизер. Водород отводится на очистку.

Однако, полная очистка раствора щелочи от остатков ртути практически не возможна, поєтому этот метод сопряжен с утечками металлической ртути и ее паров.

Растущие требования к экологической безопасности производств и дороговизна металлической ртути ведут к постепенному вытеснению ртутного метода методами получения щелочи с твердым катодом, в особенности мембранным методом.

Лабораторные методы получения

В лаборатории гидроксид натрия иногда получают химическими способами, но чаще используется небольшой электролизер диафрагменного или мембранного типа.

Просмотров: 16895

<<< Гидрокарбонат натрия

Гидросульфит натрия >>>