Wodorotlenek sodu i jego zastosowanie
Wzór sumaryczny: NaOH
Wzór strukturalny: Na-O-H
Wodorotlenki otrzymuje się głównie dwiema metodami:
1. Reakcja metalu z wodą (głównie wodorotlenek sodu i potasu)
*Przykład:*
2Na + H₂O → 2NaOH + H₂
2. Reakcja tlenku metalu z wodą
*Przykład:*
Na₂O + H₂O → 2NaOH
Wodorotlenek sodu:
Soda żrąca, soda kaustyczna – biała krystaliczna masa o temperaturze topnienia 318°C. Związek silnie higroskopijny, działa niszcząco na naskórek, rozpuszczalny w wodzie (mocna zasada) oraz w alkoholach. Chłonie dwutlenek węgla z powietrza, tworząc węglan. Działa parząco na skórę. Stopiony wodorotlenek sodu atakuje krzemionkę, szkło i porcelanę. Reakcje ze stopionym NaOH przeprowadza się w naczyniach z niklu, żelaza, srebra i złota. Natomiast platyny nie można stosować, gdyż ulega ona korozji w tych warunkach.
W skali technicznej NaOH otrzymuje się w wyniku elektrolizy wodnego roztworu chlorku sodu. Na anodzie wydziela się chlor:
Cl⁻ → ½Cl₂ + e⁻
Na katodzie jony wodorowe pochodzące z wody ulegają zobojętnieniu:
H₃O⁺ + e⁻ → H₂O + ½H₂
Elektrolizę przeprowadza się w urządzeniach tak skonstruowanych, aby chlor nie mieszał się z roztworem NaOH powstającym wokół katody, gdyż w takim przypadku powstawałby NaOCl. W metodzie przeponowej cel ten osiąga się, oddzielając przestrzeń katodową od anodowej porowatą przeponą, przez którą mogą łatwo dyfundować jony, lecz nie przedostają się bąbelki gazu. Elektrolizę przerywa się przed rozłożeniem całej ilości NaCl, a roztwór zagęszcza przez odparowanie. Większa część chlorku sodu wydziela się z roztworu przed wydzieleniem lepiej rozpuszczalnego NaOH. Jednak metoda ta nie pozwala na otrzymanie czystego wodorotlenku sodu.
Czysty wodorotlenek sodowy otrzymuje się w metodzie rtęciowej. W tym przypadku wykorzystuje się fakt, że wydzielanie wodoru na katodzie rtęciowej jest możliwe tylko przy przyłożeniu odpowiednio wyższego napięcia (tzw. nadnapięcie – nadwyżka napięcia ponad wartość wynikającą z teoretycznych obliczeń, potrzebna do wydzielenia na elektrodzie produktu elektrolizy) niż w przypadku elektrod żelaznych czy grafitowych. W związku z tym na elektrodzie rtęciowej wydziela się sód, tworzący z rtęcią amalgamat. Utworzony amalgamat przenosi się do zbiornika zawierającego czystą wodę, z którą amalgamat reaguje, dając roztwór NaOH.
Wodorotlenek sodu należy do podstawowych surowców chemicznych i wykorzystywany jest niemalże we wszystkich gałęziach przemysłu.
Zastosowanie:
Stosowany jest między innymi jako surowiec (nośnik sodu) w różnego rodzaju syntezach do produkcji jonowych środków powierzchniowo czynnych, w przemyśle farmaceutycznym (m.in. przy produkcji polopiryny, kwasu salicylowego, sulfaniloamidów), do otrzymywania aluminium z przerobu boksytów, do otrzymywania szkła wodnego z krzemionki, przy produkcji tłuszczów i mydeł oraz w wielu innych syntezach organicznych i nieorganicznych.
Znalazł również bardzo szerokie zastosowanie jako surowiec pomocniczy w przemyśle celulozowo-papierniczym, w procesach bielenia, barwienia i utrwalania barwnika w przemysłach włókienniczym i wiskozowym, przy przeróbce ropy naftowej w procesach rafinacji olejów, w procesach petrochemicznych, przy produkcji barwników syntetycznych, przy przeróbce ciekłych produktów koksowania, w procesach uzdatniania wody dla celów przemysłowych, przy przeróbce ścieków, w przemyśle spożywczym (mleczarnie, browary, masarnie, cukrownie) jako środek myjąco-dezynfekujący.
Przykłady stosowania
Przemysł chemiczny
Ług sodowy jest podstawowym materiałem zużywanym w szeregu ciągów produkcyjnych przemysłu chemicznego. Jest używany jako reagent i półprodukt w wielu procesach wytwórczych, takich jak produkcja rozpuszczalników, tlenku propylenu, dwutlenku tytanu, chlorków przemysłowych, izocyjanianów i innych.
Szeroki zakres zastosowań obejmuje regulację pH procesów i produktów oraz wytwarzanie anionowych półproduktów o charakterze nukleofilowym do reakcji eteryfikacji i estryfikacji. Przemysł chemiczny jest największym użytkownikiem ługu sodowego, ocenianym na ponad 17 mln ton (40% ogólnoświatowego zużycia).
Przemysł celulozowo-papierniczy
Wodorotlenek sodowy ma szerokie zastosowanie w przemyśle celulozowo-papierniczym. Główne zastosowania obejmują etapy rozdrabniania (usuwanie ligniny) i wybielania masy celulozowej oraz procesy oczyszczania ścieków. Na 1 tonę masy papierniczej zużywane jest około 120 kg wodorotlenku sodowego. Przemysł celulozowo-papierniczy zużywa prawie 7 mln ton (16% światowego zużycia), będąc znaczącym i rosnącym rynkiem dla producentów ługu sodowego.
Przemysł petrochemiczny
Wodorotlenek sodowy jest używany w procesach wydobycia, produkcji i przetwarzania ropy naftowej oraz gazu ziemnego. Najważniejsze zastosowania NaOH w przetwórstwie to usuwanie z węglowodorów substancji o charakterze kwasowym oraz gazów tworzących się w procesach przetwórczych.
Przemysł włókien sztucznych
W przemyśle włókien sztucznych wodorotlenek sodowy jest używany do wytwarzania roztworu wiskozy, z którego jest wytwarzane podstawowe włókno wiskozowe oraz w procesie merceryzacji. Średnio 600 kg wodorotlenku sodowego jest zużywane na jedną tonę roztworu wiskozy.
Jedwab sztuczny
Produkcja sztucznego jedwabiu celulozowego polega na przeprowadzeniu celulozy w rozpuszczalną pochodną, najczęściej ksantogenian. Wodny roztwór ksantogenianu celulozy jest lepką, przezroczystą cieczą, zwaną wiskozą, z której można zregenerować celulozę, nadając równocześnie produktom różnorodne kształty: włókna ciągłe, folii płaskiej lub zwiniętej. Jedwab sztuczny, czyli wiskozowy, jest otrzymywany podobnie jak inne włókna (różnica polega m.in. na dłuższym przebywaniu włókna w kąpieli koagulacyjnej oraz wprowadzeniu do kąpieli koagulacyjnej substancji opóźniających szybkość regeneracji celulozy z wiskozy). Jest odporny na działanie alkaliów i kwasów oraz bardziej wytrzymały na zerwanie niż cięte włókna wiskozowe.
Włókna wiskozowe to sztuczne włókna celulozowe, rodzaj włókien chemicznych. Polimerem włóknotwórczym jest głównie celuloza z miazgi drzew iglastych (świerk, sosna) lub bukowych. Pod wpływem działania wodorotlenku sodu i dwusiarczku węgla powstaje celulozoksantogenian sodu, który rozpuszcza się w rozcieńczonym wodorotlenku sodu, dając płyn przędzalniczy zwany wiskozą. Wiskoza przetłoczona przez otworki dyszy przędzalniczej przechodzi do kąpieli, w której ulega koagulacji (pod wpływem kwasu siarkowego następuje rozkład celulozoksantogenianu sodu i powstają włókienka tzw. celulozy regenerowanej). Zależnie od użytego surowca i składu kąpieli otrzymuje się włókna o różnych właściwościach. Ogólnie włókna wiskozowe mają właściwości podobne do bawełny i są stosowane w postaci włókien ciągłych, np. jedwab wiskozowy (jedwab sztuczny) oraz w postaci włókien ciętych, np. argona, merona.
Przemysł mydlarski i detergentów
W procesach wytwarzania mydła wodorotlenek sodowy jest używany do zmydlania tłuszczów. Tłuszcze, będące pod względem chemicznym glicerydami kwasów tłuszczowych, reagują z wodorotlenkiem sodowym, dając sole sodowe kwasów tłuszczowych (określane jako mydła) i glicerynę.
Jedna z ważniejszych grup detergentów jest wytwarzana przez neutralizację organicznych kwasów sulfonowych za pomocą wodorotlenku sodowego.
Znaczące ilości NaOH są używane bezpośrednio do tworzenia fosforanu sodowego (składnik proszków i płynów do prania).
Detergenty to syntetyczne środki piorące oraz mydlące, nie zawierające mydła. Są to głównie sole sodowe kwasów sulfonowych oraz wodosiarczanów wyższych alkoholi. Detergenty są składnikami proszku do prania, płynów do mycia naczyń, są również w środkach zapobiegających elektryzowaniu się tkanin, w szamponach i podobnych produktach.
Mydła alkaliczne – rozpuszczalne w wodzie mydła sodowe i potasowe. Mydła sodowe są substancjami obecnie otrzymywanymi na szeroką skalę w reakcji zasady sodowej z tłuszczami. Wykorzystuje się tu łój, olej kokosowy lub palmowy.
Reakcja zmydlania:
Tłuszcz + zasada sodowa → mydło + gliceryna
Proces ten nazywamy zmydlaniem. Dokonuje się go w podwyższonej temperaturze, a otrzymaną substancję po schłodzeniu i wysuszeniu można stosować do mycia i prania. W ten sposób mydło otrzymywano domowym sposobem jeszcze w latach trzydziestych XX wieku. Zasadę sodową, zwaną sodą kaustyczną, można było kupić w składach aptecznych. Następnie gotowano ją razem z tłuszczem. Pozyskiwana substancja była następnie umieszczana w odpowiednich formach. Po wystygnięciu i wysuszeniu stosowano ją w gospodarstwach domowych. Takie proste mydło można kupić również obecnie i nazywa się je popularnie szarym mydłem. Współczesna procedura otrzymywania mydła niewiele się zmieniła. Różnica występuje w dodatkowych etapach produkcji: mydło można wzbogacić w substancje zapachowe, nawilżające i barwniki. Takie mydło nazywamy mydłem toaletowym. Można również otrzymać mydła o charakterze leczniczym. Dodatek niewielkich ilości siarki to metoda produkcji mydła leczącego choroby skóry. Polecane jest często młodym ludziom mającym problemy z tłustą cerą – siarka ma tu działanie dezynfekujące. Należy jednak stosując takie mydło pamiętać, aby nie nosić wtedy srebrnej biżuterii, która w reakcji z siarką pokrywa się czarnym osadem siarczku srebra. W podobny sposób otrzymuje się mydła zawierające wyciągi z ziół. Mają wtedy właściwości zarówno mydła, jak i ziół, których wyciągi zawierają.
Niewątpliwie stosowanie mydeł pomaga nam utrzymać higienę. Wiadomo jednak, że nasza skóra ma lekko kwaśny odczyn. Mydła w roztworach wodnych mają odczyn zasadowy. Dlatego też stosowanie ich i niewystarczające spłukiwanie doprowadza do zmiany chemicznego odczynu naszej skóry z kwasowego na zasadowy. Nie jest to naturalne, a dodatkowo wiadomo, że środowisko zasadowe sprzyja rozwojowi różnego typu grzybic. Mydło jednak pomogło uporać się z różnymi dolegliwościami skóry pochodzenia bakteryjnego i pasożytniczego.
Na rynku dostępne są syntetyczne detergenty o lekko kwaśnym odczynie (pH 5,5) i takie mydła są najwłaściwsze do stosowania, gdyż nie naruszają ochronnej warstwy na skórze.
Codziennie kilkakrotnie sięgamy po różnego rodzaju detergenty. Myjąc ręce, naczynia, używając proszków do prania, miejmy świadomość, że są to wynalazki pozwalające żyć w czystości oraz zachować zdrowie. Tlenek wodoru i perfumowany stearynian sodu to dwie substancje, których nie powinno się oszczędzać.
Gospodarka komunalna
Rozcieńczony ług sodowy jest używany do regeneracji jonitów używanych do demineralizacji wody.
Przemysł górniczy i wydobywczy
Wodorotlenek sodowy jest używany do podniesienia pH, neutralizacji siarkowodoru w płuczce wiertniczej oraz do poprawy dyspersji bentonitu w wodzie. Stosowany jest w ilościach od 1-3 kg/m³ i wprowadzany do płuczki w postaci 10% roztworu wodnego.
Dodatkowe zastosowania Wodorotlenku sodowego:
- Produkcja barwników
Barwniki to związki chemiczne silnie absorbujące energię promieniowania elektromagnetycznego, głównie w zakresie widzialnym, i mające zdolność trwałego łączenia się z barwionym materiałem. Służą do barwienia m.in. włókien naturalnych i chemicznych, tworzyw sztucznych, skóry, papieru, żywności. W farbiarstwie włókien zastosowanie mają przede wszystkim barwniki odznaczające się trwałością wybarwień, tj. odpornością na działanie światła, potu, chloru, tarcie w stanie suchym i wilgotnym oraz pranie w ciepłym roztworze mydła. Ponadto, barwniki nie powinny działać szkodliwie na organizm człowieka (nie wywołują odczynów alergicznych).
Ze względu na budowę chemiczną cząsteczki barwników dzieli się je najogólniej na barwniki karbocykliczne i heterocykliczne. Wśród barwników karbocyklicznych wyróżnia się m.in. barwniki azowe, nitrowe, nitrozowe, triarylometanowe, benzochinonowe, naftochinonowe, antrachinonowe, chinoiminowe. Wśród barwników heterocyklicznych zaś - barwniki indygoidowe, tioindygowe, ksantenowe, oksazynowe, akrydynowe, azynowe, tiazynowe, ftalocyjaninowe, cyjaninowe i inne.
- Środek zmiękczający powłoki lakierowe
Roztwór 7% jest używany jako wywoływacz emulsji pozytywowej do wykonywania obwodów drukowanych POSITIV20.
- Wywoływacz 146.7
Specjalistyczny preparat do wywoływania naświetlonej emulsji POSITIV20. Jest wolny od NaOH.
- Produkcja szkła
Szkoło wodne to syropowata ciecz będąca roztworem wodnym krzemianu sodu (sz. w. sodowe) lub potasu (sz. w. potasowe). Otrzymuje się je przez stapianie krzemionki (piasku kwarcowego) z węglanem sodu lub potasu i ogrzewanie z wodą powstałego w postaci szklistej krzemianu. Stosowane jest m.in. do impregnacji przeciwogniowej tkanin, papy, drewna, do konserwacji jaj, do sklejania szkła i porcelany, w stereochromii, jako wypełniacz mydła oraz do wyrobu kitów i farb ognioochronnych.
- Metalurgia
Produkcja tlenku glinowego/aluminium.
- Produkcja chemikaliów
Synteza związków organicznych lub nieorganicznych.
- Oczyszczanie wody
- Produkcja towarów konsumpcyjnych
- Przemysł chloro-alkaliczny
Zajmuje się produkcją chloru (Cl₂) oraz alkaliów, takich jak wodorotlenek sodu (NaOH) lub wodorotlenek potasu (KOH), za pomocą elektrolizy roztworu soli. Podstawowe technologie stosowane w produkcji chloro-alkalicznej to elektroliza w elektrolizerze rtęciowym, przeponowym lub membranowym, głównie z wykorzystaniem chlorku sodu (NaCl) lub, w mniejszym stopniu, chlorku potasu (KCl) do produkcji wodorotlenku potasowego.