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ELECTRO-OBTENCION DE HIDROXIDO DE SODIO PILA DE MERCURIO PRACTICA No. 5 ELECTRO-OBNTENCIÓN DE HIDRÓXIDO DE SODIO PILA DE MERCURIO

1. OBJETIVO Obtener mediante electrólisis en celdas de mercurio, el NaOH y el cloro gaseoso a partir de una solución de cloruro de sodio. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO ELECTRÓLISIS EN CELDAS ESPECIALES DE SALMUERA. Haciendo pasar una corriente eléctrica por una solución de cloruro de sodio el cloro se desprende en el ánodo; y el ión cloruro, Cl-, pierde un electrón, oxidándose en consecuencia a cloro gaseoso. Si el electrodo es de carbón que no reacciona, éste se disuelve en el agua hasta formar una solución saturada y luego escapa en estado gaseoso. En el cátodo queda libre el hidrógeno y se forma la soda cáustica.  Célula de cátodo fijo y diafragma. Por la parte superior ingresa la solución de cloruro de sodio purificada y saturada. El diafragma está compuesto por varias capas de asbesto que revisten a telas o mallas de hierro que separan los compartimentos anódicos y catódicos. Actualmente se emplean varias resinas que reemplazan el asbesto y se trata de compuestos del ácido perfluorsulfónico. Los ánodos son de grafito y las parrillas de hierro forman el cátodo. Se aplica una corriente de 4 volts, los iones cloro se dirigen al ánodo, se descargan y abandonan el compartimiento en forma de gas. A demás, el hidrógeno que se desprende se recoge por debajo del diafragma.  Célula de cátodo fijo sin diafragma. El transporte de corriente entre los dos espacios tiene lugar por debajo de la campana donde las dos soluciones, anódicas y catódicas están en contacto directamente. Se produce una capa límite estacionaria de modo que quede compensando el transporte de los iones oxidrilos hacia el ánodo con la entrada de la solución de NaCl y la salida de solución de soda cáustica en el compartimiento catódico (el NaCl entra en el compartimiento anódico).  Célula con cátodo móvil de mercurio. Una solución saturada purificada de NaCl ingresa continuamente en la misma dirección que una corriente de mercurio, de poco espesor que actúa como cátodo. Se aplica una LABORATORIO DE ELECTROQUIMICA

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ELECTRO-OBTENCION DE HIDROXIDO DE SODIO PILA DE MERCURIO corriente de 4,6 voltios y los ánodos son de grafito (generalmente varios ánodos). En la electrólisis el cloro se descarga como cloro gaseoso en el ánodo. El Na + pasa a Na0 en el cátodo antes que el H+ debido a que este último tiene un sobre voltaje muy elevado. El sodio se disuelve en el mercurio y sale de la celda. Exteriormente se trata con agua formándose NaOH y H2. El mercurio regresa a la celda lográndose un proceso continuo. Ecuaciones: 2NaCl

2Na+ + 2Cl-

Ánodo. 2Cl-

Cl2 + 2e-

Cátodo. 2Na+ + 1e- 2Na Na + Hg Na - Hg. Fuera de la celda. 2Na - Hg + 2 H2O 2Na+ + 2OH- + H2 + 2Hg. La reacción entre la amalgama de sodio y el agua es catalizada por limaduras de hierro y la solución obtenida es del orden del 50 %. Mientras que en la de cátodo fijo con diafragma es del 10 %; la sin diafragma es similar (10%). CELDAS DE MERCURIO. El potencial reversible de la celda es de menos 3.16 V. El ánodo es de DSA, El sobre potencial asociado con las reacciones del electrodo son muy lentas, el voltaje normal de la celda es aproximadamente de -4.50 V y el voltaje adicional es necesario para conducir la corriente a través del hueco del Hg-DSA, los electrodos y las conexiones de la celda Una celda típica de mercurio es normalmente larga con las siguientes dimensiones 15*2*.3m, su base es de acero en la cual el mercurio puede fluir a través por el fondo de la celda, forrada de titanio. A la entrada de la celda existe una surfase de mercurio con orificios de ánodo y cátodo de menos de 1 cm cada uno. Teniendo aproximadamente 250 ánodos, por lo que casi toda la celda está cubierta por ánodo. La salmuera debe tener una concentración del 25% a una temperatura de 60°C que fluye a través de la celda y el 17% de esta es reciclada a través de depósitos de sal o después de un tratamiento. El cloro gaseoso deja la celda por la parte superior de la celda, mientras que la amalgama de sodio (aproximadamente 0.5% Na) sale por la base, pasa a través de dos lavadas para remover toda la solución de cloruro de sodio y entrar al Denuder, El denuder es un tanque de reacción con bolitas de grafito impregnado con algún metal de transición como el Fierro o níquel, que catalizan la descomposición de la amalgama; la amalgama de sodio y el volumen de agua pura, que es inyectada al denuder, son controladas por el grafito y el reactor. La reacción ocurre rápidamente en el denuder y es altamente exotérmica, ya que el metal de transición provee una surface alternativa de mercurio para la evolución de la reacción de hidrógeno; las reacciones en el denuder ocurren bajo un tipo de mecanismo de corrosión.

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ELECTRO-OBTENCION DE HIDROXIDO DE SODIO PILA DE MERCURIO El hidrógeno gaseoso sale por la parte superior del denuder y el mercurio es recirculado a la celda y el hidróxido de sodio sale por debajo. Es posible producir 50% de NaOH directamente. Un cuarto de celda típico consiste de un gran número de celdas en serie, que utilizan aproximadamente 480 V (teniendo cerca de 100 celdas juntas). El proceso de purificación se hace generalmente por precipitación del grupo II de metales como hidróxidos o por incrementación del pH con NaOH. La salmuera es entonces acidificada para provocar la hidrólisis del cloro a 60°C, pasa al denuder y posteriormente a la celda. Después de la electrolisis y la descomposición de la amalgama en el denuder los tres productos (Cloro, hidrógeno e hidróxido de sodio) deben ser filtrados y transformados para la venta. El NaOH se obtiene con una pureza del 50%, el cloro es comprimido en una licuadora y transportado directamente a una planta química, el hidrógeno es utilizado si es posible como alimentador químico o vendido como gas comprimido. El efluente de salmuera debe ser tratado con aire que remueva el cloro residual, el cual es utilizado para la fabricación de hipoclorito. 3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. MATERIALES          

2 Vaso de precipitado de 1000 ml 1 crisol de porcelana Tapón de goma con dos orificios Electrodo de grafito Alambre de Fe Tubo de vidrio Pinza Fuente de corriente continua Cables Recipiente de plástico

3.2. REACTIVOS Solución saturada de NaCl Mercurio Fenolftaleína 3.3. PROCEDIMIENTO   

Verter el mercurio al crisol de porcelana (más o menos 1 cm de altura) Colocar el crisol en el vaso de precipitación Verter la solución de NaCl en el vaso de precipitación (más o menos ¾ partes)

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ELECTRO-OBTENCION DE HIDROXIDO DE SODIO PILA DE MERCURIO     

Armar el circuito (el alambre de Fe solo debe estar en contacto con el mercurio) Conectar la fuente de corriente continua La electrólisis se realiza durante 10 min Al terminar la electrolisis se saca el crisol Colocamos el crisol en el otro vaso de precipitación y lavamos el mercurio varias veces con agua destilada para evitar que no quede NaOH en el mercurio

4. FLUJOGRAMA DE LA PRÁCTICA

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ELECTRO-OBTENCION DE HIDROXIDO DE SODIO PILA DE MERCURIO ELECTRO-OBTENCIÓN DEL NaOH PILA DE MERCURIO

VERTER EL MERCURIO AL CRISOL DE PORCELANA (1 cm DE ALTURA)

COLOCAR EL CRISOL EN UN VASO DE PRECIPITADO

VERTER LA SOLUCION DE NaCl EN EL VASO DE PRECIPITADO (3/4 PARTES)

ARMAR EL CIRCUITO, EL ALAMBRE DE Fe DEBE ESTAR EN CONTACTO CON EL MERCURIO

CONECTAR LA FUENTE DE CORRIENTE CONTINUA Y LA ELECTROLISIS DEBE DURAR 15 min AL TERMINAR LA ELECTROLISIS RETIRAMOS EL CRISOL Y LO COLOCAMOS EN UN VASO PRECIPITADO

LAVAR EL MERCURIO CON AGUA DESTILADA PRA EVITAR QUE QUEDE NaOH EN EL MERCURIO.

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ELECTRO-OBTENCION DE HIDROXIDO DE SODIO PILA DE MERCURIO 5. DATOS Y RESULTADOS 5.1. DATOS: Voltaje = 10 V t = 15 min I=1A 4.2. RESULTADOS:  





Sabemos que hay cloro porque el ambiente tiene un olor como a lavandina (hipoclorito de sodio) el cual tiene su principio activo el cloro. Conociendo esto ya no se hace más pruebas para identificarlo. Después de los 15 min se desarma el circuito y se hace pruebas cualitativas:  Se pone unas gotas al vaso de precipitado donde la solución no colorea por lo que se verifica que no existe NaOH.  Teniendo cuidado al sacar el crisol del vaso sin echar su contenido se vierte todo el contenido a un vaso de precipitado y se vierte unas gotas de fenolftaleína el cual colorea a un rosado indicando la presencia de una base: NaOH Se separa el mercurio de la solución de NaOH, la solución se lleva a sequedad y el mercurio se lava para eliminar todo el hidróxido de sodio que en él se encuentra teniendo en cuenta que el mercurio es altamente tóxico. En el vaso de la solución que se llevó a sequedad se forma una capa blanca y para terminar de verificar se pone gotas de fenolftaleína y colorea rosado comprobando de que se obtuvo NaOH.

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6. CONCLUSIONES  

Se obtuvo mediante electrólisis en celdas de mercurio, el NaOH y el cloro gaseoso a partir de una solución de cloruro de sodio. La identificación de los productos generados por electrólisis del NaCl solo fue cualitativa, el NaOH con el indicador fenolftaleína y el cloro solo por su desprendimiento con un aroma característico.

7. CUESTIONARIO LABORATORIO DE ELECTROQUIMICA

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ELECTRO-OBTENCION DE HIDROXIDO DE SODIO PILA DE MERCURIO a) Explicar por qué no debe estar en contacto el Fe con la solución de NaCl R. Se pone dentro de un tubo el alambre de hierro que es el conductor (no es el electrodo). No debe estar el alambre de hierro en contacto con la solución porque el NaCl ya no sería el cátodo sino sería el hierro por esta razón no deben estar en contacto. b) Explicar y fundamentar porqué se neutraliza el sodio en el cátodo y no el hidrógeno. R. Según “LA TEORIA DE NERNST”: Siempre que dos o más medios altamente conductores de electricidad se ponen en contacto entre sí, entonces en la superficie de contacto se genera una diferencia de potencial. Esta diferencial de potencial se genera ya que es diferente el potencial químico de las diferentes sustancias conductoras de electricidad, es mas es diferente el potencial químico de un mismo metal en estado sólido o en solución. Por lo que en cuanto más pequeño sea el valor del potencial químico mayor será su estabilidad. Entonces: ∆μ Na+ < ∆μ H2 El Na+ pasa a Na0 en el cátodo antes que el H + debido a que este último tiene un sobre voltaje muy elevado. c) Indicar las ventajas y/o desventajas de este método. R. La reacción entre la amalgama de sodio y el agua es catalizada por limaduras de hierro y la solución obtenida es del orden del 50 %. Mientras que en la de cátodo fijo con diafragma es del 10 %; la sin diafragma es similar (10%). DESVENTAJAS  Se obtiene una solución muy diluida de NaOH  Este método usa mercurio (Hg) que es una sustancia altamente tóxica para su manipulación. VENTAJAS  Se obtiene mayor concentración e NaOH que el otro método 8. BIBLIOGRAFÍA “QUIMICA GENERAL E INORGANICA”

(Leonardo Germán Coronel Rodríguez)

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