Il carbonato di sodio è un sale sodico dell’acido carbonico; ha una temperatura di fusione di 815 °C e si decompone per riscaldamento. Ha una solubilità in acqua di 215 g/L a 20 °C.
Sintesi del carbonato di sodio
Industrialmente il carbonato di sodio si ottiene attraverso il metodo Solvay scoperto dal chimico Ernest Solvay secondo la reazione complessiva:
CaCO3 + 2 NaCl → Na2CO3 + CaCl2
Questa reazione avviene attraverso una serie di passaggi. Dal momento che questo è un processo ciclico si può iniziare la descrizione da una fase qualunque per poi ritornarvi attraverso l’intera serie di reazioni.
Calcinazione
Si consideri come primo passaggio la calcinazione del carbonato di calcio effettuata mediante il calore generato dalla combustione di coke metallurgico:
CaCO3 → CaO + CO2
C + O2→ CO2
Questa reazione serve per produrre sia ossido di calcio CaO, sia un gas il più ricco possibile di biossido di carbonio e privo di impurezze quali SO2, O2, CO. A questo scopo sono mescolati in un forno calcare naturale e coke metallurgico con basso contenuto di impurezze e si provoca la combustione del coke insufflando aria in continuo nella parte inferiore del forno. La combustione del coke porta la temperatura a valori di 900-1050 °C.
Dall’alto del forno esce un gas che contiene intorno al 40% di CO2 insieme con l’azoto presente nell’aria necessaria per la combustione. Il gas trascina con sé polveri e particelle solide che devono essere eliminate, dopo un raffreddamento, per lavaggio con acqua e successiva filtrazione. L’ossido di calcio è scaricato periodicamente e passato allo stadio successivo.
Spegnimento
L’ossido di calcio è spento con acqua formandosi una sospensione di latte di calce:
CaO + H2O → Ca(OH)2 (1)
Questa operazione è eseguita con eccesso di acqua in idratatori rotanti che producono una sospensione molto densa generalmente indicata con il nome di latte di calce: il calore svolto durante la reazione fa sì che la temperatura salga fino a quasi 100°C.
Reazione con ammoniaca
Il biossido di carbonio prodotto nelle reazioni precedenti viene fatto assorbire insieme con ammoniaca da una soluzione satura di cloruro di sodio ottenendo la precipitazione di idrogenocarbonato di sodio:
NH3 + CO2 + H2O + NaCl → NaHCO3 + NH4Cl (2)
Questa reazione è il punto principale del ciclo in quanto si realizza la precipitazione di un sale che potrà essere poi facilmente trasformato in carbonato di sodio. Essa avviene in due tempi: una soluzione satura di cloruro di sodio, purificata in modo da contenere solo piccole tracce di calcio e di magnesio, viene dapprima saturata con ammoniaca e poi fatta reagire con ammoniaca e biossido di carbonio nelle cosiddette torri Solvay.
L’assorbimento dell’ammoniaca avviene in torri di acciaio provviste di serpentine di riscaldamento per mantenere la temperatura al di sotto dei 60°C. La soluzione scende dall’alto e incontra i gas ammoniacali che contengono anche il biossido di recupero e una quantità di vapore sufficiente a diluire la salamoia impedendo la precipitazione del cloruro di sodio dovuta alla sua minore solubilità in soluzione ammoniacale.
La soluzione così ottenuta è pompata in testa alla prima delle torri dal fondo della quale entra il gas proveniente dalla reazione della calcinazione del carbonato di calcio compresso a circa 3 atm. In questa fase ha luogo la carbonatazione preliminare con formazione di idrogenocarbonato di ammonio e scioglimento di quello di sodio. Le rimanenti torri funzionano in parallelo: in esse si instaura l’equilibrio:
NaCl + NH4HCO3 ⇄ NaHCO3 + NH4Cl
spostato verso destra a bassi valori della temperatura che favoriscono la precipitazione del bicarbonato di sodio. La parte bassa delle torri è quindi raffreddata per favorire la precipitazione completa dell’idrogenocarbonato, mentre la parte alta lavora a temperature maggiori per favorire un inizio di precipitazione con germi piuttosto grossolani. Dalla testa delle torri viene sfiatato l’azoto contenuto nei gas, mentre dalla coda si raccoglie la soluzione che trasporta il bicarbonato, la si filtra e si inviano precipitato e filtrato nelle rispettive torri dove saranno utilizzati.
Decomposizione dell’idrogenocarbonato
L’idrogenocarbonato di sodio è decomposto a carbonato per riscaldamento a 200 °C:
2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2
Per completare il ciclo è necessario recuperare l’ammoniaca impiegata per rinviarla alla reazione (2) . Questo recupero è fatto in due stadi sul filtrato della reazione (1) che contiene, oltre a cloruro di ammonio un eccesso di ammoniaca e biossido di carbonio presenti, almeno parzialmente come idrogenocarbonato di ammonio NH4HCO3. In un primo tempo per semplice trattamento si ottiene:
NH4Cl + NH4HCO3 + NH4OH → NH4Cl + CO2 + 2 NH3 + 2 H2O
La soluzione viene quindi trattata con il latte di calce proveniente dalla reazione (1) :
Ca(OH)2 + 2 NH4Cl → 2 H2O + CaCl2 + 2 NH3
L’economicità dell’intero processo si basa sulla possibilità di un recupero quasi integrale dell’ammoniaca impiegata: nei migliori impianti le perdite di ammoniaca sono limitate a qualche decimo di percento in peso rispetto alla quantità di carbonato sodico prodotto.