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Articulo de referencia

sulfato de sodio

2 SO 4 \n|MolarMass = 142.04 g/mol (anhydrous) 322.20 g/mol (decahydrate)\n|Appearance = white crystalline solid, [[hygroscopic]]\n|Odor = odorless\n|Density = 2.664 g/cm 3 (anh...

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El sulfato de sodio (también conocido como sulfato sódico o sulfato de soda ) es un compuesto inorgánico con la fórmula Na₂SO₄, así como varios hidratos relacionados . Todas sus formas son sólidos blancos altamente solubles en agua. Con una producción anual de 6 millones de toneladas , el decahidrato es un importante producto químico básico . Se utiliza principalmente como relleno en la fabricación de detergentes en polvo para ropa y en el proceso Kraft de pulpa de papel para la producción de sulfuros altamente alcalinos . [ 3 ]

Formularios

  • Sulfato de sodio anhidro, conocido como el raro mineral thenardita , utilizado como agente desecante en síntesis orgánica .
  • sulfato sódico heptahidratado, una forma muy rara.
  • El sulfato sódico decahidratado, conocido como el mineral mirabilita , es ampliamente utilizado por la industria química . También se le conoce como sal de Glauber.

Historia

El decahidrato de sulfato de sodio se conoce como sal de Glauber en honor al químico y boticario neerlandés - alemán Johann Rudolf Glauber (1604-1670), quien lo descubrió en agua de manantial austriaca en 1625. Lo denominó sal mirabilis (sal milagrosa) debido a sus propiedades medicinales: los cristales se usaban como laxante de uso general hasta que surgieron alternativas más sofisticadas en el siglo XX. [ 4 ] [ 5 ] Sin embargo, J. Kunckel afirmó posteriormente que ya se conocía como medicina secreta en Sajonia a mediados del siglo XVI. [ 6 ]

En el siglo XVIII, la sal de Glauber comenzó a utilizarse como materia prima para la producción industrial de carbonato de sodio ( ceniza sódica ), mediante reacción con carbonato de potasio (potasa ). La demanda de carbonato de sodio aumentó, y la oferta de sulfato de sodio tuvo que incrementarse en consecuencia. Por lo tanto, en el siglo XIX, el proceso Leblanc a gran escala , que producía sulfato de sodio sintético como intermediario clave, se convirtió en el principal método de producción de carbonato de sodio. [ 7 ]

Propiedades químicas

El sulfato de sodio es un sulfato iónico típico con enlace electrostático . La existencia de iones sulfato libres en solución se evidencia por la fácil formación de sulfatos insolubles cuando estas soluciones se tratan con sales de Ba²⁺ o Pb²⁺ :

Na 2 SO 4 + BaCl 2 → 2 NaCl + BaSO 4

El sulfato de sodio no reacciona con la mayoría de los agentes oxidantes o reductores . A altas temperaturas, puede convertirse en sulfuro de sodio mediante reducción carbotérmica (también conocida como reducción termoquímica de sulfato (TSR), calentamiento a alta temperatura con carbón vegetal, etc.): [ 8 ]

Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Esta reacción se empleaba en el proceso Leblanc , una ruta industrial ya desaparecida para la obtención de carbonato de sodio .

El sulfato de sodio reacciona con el ácido sulfúrico para dar la sal ácida bisulfato de sodio : [ 9 ] [ 10 ]

Na 2 SO 4 + H 2 SO 4 ⇌ 2 NaHSO 4

El sulfato de sodio muestra una tendencia moderada a formar sales dobles . Los únicos alumbres formados con metales trivalentes comunes son NaAl(SO₄ ) ₂ ( inestable por encima de 39  °C) y NaCr(SO₄ ) ₂ , en contraste con el sulfato de potasio y el sulfato de amonio , que forman muchos alumbres estables. [ 11 ] Se conocen sales dobles con algunos otros sulfatos de metales alcalinos, incluyendo Na₂SO₄ · 3K₂SO₄ que se presenta naturalmente como el mineral aftitalita . La formación de glaserita por reacción de sulfato de sodio con cloruro de potasio se ha utilizado como base de un método para producir sulfato de potasio , un fertilizante . [ 12 ] Otras sales dobles incluyen 3Na₂SO₄ · CaSO₄ , 3Na₂SO₄ · MgSO₄ ( vanthoffita ) y NaF · Na₂SO₄ . [ 13 ]

Propiedades físicas

El sulfato de sodio tiene características de solubilidad inusuales en agua. [ 14 ] Su solubilidad en agua aumenta más de diez veces entre 0  °C y 32,384  °C, donde alcanza un máximo de 49,7  g/100  mL. En este punto, la curva de solubilidad cambia de pendiente y la solubilidad se vuelve casi independiente de la temperatura. Esta temperatura de 32,384  °C, que corresponde a la liberación del agua de cristalización y la fusión de la sal hidratada, sirve como referencia de temperatura precisa para la calibración del termómetro .

Dependencia de la temperatura de la solubilidad del Na₂SO₄ en agua

Estructura

Los cristales del decahidrato consisten en iones [Na(OH₂)₆]⁺ con geometría molecular octaédrica . Estos octaedros comparten aristas, de modo que 8 de las 10 moléculas de agua están unidas al sodio y otras 2 son intersticiales, unidas por enlaces de hidrógeno al sulfato. Estos cationes están unidos a los aniones sulfato mediante enlaces de hidrógeno . Las distancias Na–O son de aproximadamente 240 pm . [ 15 ] El decahidrato de sulfato de sodio cristalino también es inusual entre las sales hidratadas por tener una entropía residual medible (entropía en el cero absoluto ) de 6,32 J/(K·mol). Esto se atribuye a su capacidad para distribuir el agua mucho más rápidamente en comparación con la mayoría de los hidratos. [ 16 ]  

Producción

La producción mundial de sulfato de sodio, casi exclusivamente en forma de decahidrato, asciende a aproximadamente 5,5 a 6  millones  de toneladas anuales (Mt/a). En 1985, la producción fue de 4,5  Mt/a, la mitad de fuentes naturales y la otra mitad de producción química. Después del año 2000, en un nivel estable hasta 2006, la producción natural aumentó a 4  Mt/a, y la producción química disminuyó a 1,5 a 2  Mt/a, con un total de 5,5 a 6  Mt/a. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Para todas las aplicaciones, el sulfato de sodio producido naturalmente y el producido químicamente son prácticamente intercambiables.

Fuentes naturales

Dos tercios de la producción mundial de decahidrato (sal de Glauber) provienen de la forma mineral natural mirabilita , por ejemplo, la que se encuentra en los lechos de los lagos del sur de Saskatchewan . En 1990, México y España fueron los principales productores mundiales de sulfato de sodio natural (cada uno alrededor de 500 000 toneladas ), mientras que Rusia , Estados Unidos y Canadá produjeron alrededor de 350 000 toneladas cada uno. [ 18 ] Se estima que los recursos naturales superan los mil millones de toneladas. [ 17 ] [ 18 ]  

Los principales productores de 200.000 a 1.500.000 toneladas/año en 2006 incluyeron Searles Valley Minerals (California, EE.UU.), Airborne Industrial Minerals (Saskatchewan, Canadá), Química del Rey (Coahuila, México), Minera de Santa Marta y Criaderos Minerales Y Derivados, también conocidos como Grupo Crimidesa (Burgos, España), Minera de Santa Marta (Toledo, España), Sulquisa (Madrid, España), Chengdu Sanlian Tianquan Chemical ( condado de Tianquan , Sichuan, China), Hongze Yinzhu Chemical Group ( distrito de Hongze , Jiangsu, China), Nafine Chemical Industry Group (Shanxi, China), Chuanmei Mirabilite de la provincia de Sichuan (万胜镇, distrito de Dongpo , Meishan , Sichuan, China) y Kuchuksulphat JSC (Altai Krai, Siberia, Rusia). [ 17 ] [ 19 ]

El sulfato de sodio anhidro se presenta en ambientes áridos como el mineral thenardita . En ambientes húmedos, se transforma lentamente en mirabilita. El sulfato de sodio también se encuentra como glauberita , un mineral de sulfato de calcio y sodio. Ambos minerales son menos comunes que la mirabilita.

Industria química

Aproximadamente un tercio del sulfato de sodio mundial se produce como subproducto de otros procesos en la industria química. La mayor parte de esta producción es químicamente inherente al proceso principal y resulta poco rentable. Por consiguiente, gracias a los esfuerzos de la industria, la producción de sulfato de sodio como subproducto está disminuyendo.

La producción química más importante de sulfato de sodio se produce durante la producción de ácido clorhídrico , ya sea a partir de cloruro de sodio (sal) y ácido sulfúrico , en el proceso de Mannheim , o a partir de dióxido de azufre en el proceso de Hargreaves . [ 21 ] El sulfato de sodio resultante de estos procesos se conoce como torta de sal .

Mannheim: 2 NaCl + H₂SO₄ → 2 HCl + Na₂SO₄
Hargreaves: 4 NaCl + 2 SO 2 + O 2 + 2 H 2 O → 4 HCl + 2 Na 2 SO 4

La segunda vía principal para la producción de sulfato de sodio son los procesos en los que el exceso de hidróxido de sodio se neutraliza con ácido sulfúrico para obtener sulfato ( SO₄²⁻ ) mediante el uso de sulfato de cobre (CuSO₄ ) (como se aplicó históricamente a gran escala en la producción de rayón con hidróxido de cobre(II) ). Este método también es una preparación de laboratorio habitual y conveniente.

2 NaOH(aq) + H 2 SO 4 (aq) → Na 2 SO 4 (aq) + 2 H 2 O (l) ΔH = -112,5 kJ (altamente exotérmico)    

En el laboratorio también se puede sintetizar a partir de la reacción entre bicarbonato de sodio y sulfato de magnesio , precipitando carbonato de magnesio .

2 NaHCO 3 + MgSO 4 → Na 2 SO 4 + MgCO 3 + CO 2 + H 2 O

Sin embargo, dado que las fuentes comerciales están fácilmente disponibles, la síntesis en laboratorio no se practica con frecuencia. Anteriormente, el sulfato de sodio también era un subproducto de la fabricación de dicromato de sodio , donde se añade ácido sulfúrico a una solución de cromato de sodio para formar dicromato de sodio o, posteriormente, ácido crómico. Alternativamente, el sulfato de sodio se forma o se formaba en la producción de carbonato de litio , agentes quelantes , resorcinol , ácido ascórbico , pigmentos de sílice , ácido nítrico y fenol . [ 17 ]

El sulfato de sodio a granel se purifica generalmente a través de su forma decahidratada, ya que la forma anhidra tiende a atraer compuestos de hierro y compuestos orgánicos . La forma anhidra se obtiene fácilmente a partir de la forma hidratada mediante un calentamiento suave.

Entre los principales productores de subproductos de sulfato de sodio, con una producción de 50 a 80 Mt/a en 2006, se encuentran Elementis Chromium (industria del cromo, Castle Hayne, Carolina del Norte, EE. UU.), Lenzing AG (200 Mt/a, industria del rayón, Lenzing, Austria), Addiseo (anteriormente Rhodia, industria de la metionina, Les Roches-Roussillon, Francia), Elementis (industria del cromo, Stockton-on-Tees, Reino Unido), Shikoku Chemicals (Tokushima, Japón) y Visko-R (industria del rayón, Rusia). [ 17 ]

Aplicaciones

El sulfato de sodio se utiliza para secar un líquido orgánico. Aquí se forman grumos, lo que indica la presencia de agua en el líquido orgánico.
Mediante la aplicación adicional de sulfato de sodio, el líquido puede secarse por completo, lo que se evidencia en la ausencia de grumos.

Industrias de productos básicos

Con precios en EE. UU. de 30 dólares por tonelada en 1970, hasta 90 dólares por tonelada para calidad de torta de sal y 130 dólares para grados superiores, el sulfato de sodio es un material muy barato. Su principal uso es como relleno en detergentes en polvo para ropa , consumiendo aproximadamente el 50 % de la producción mundial. Este uso está disminuyendo a medida que los consumidores domésticos optan cada vez más por detergentes compactos o líquidos que no contienen sulfato de sodio. [ 17 ]

Fabricación de papel

Otro uso importante del sulfato de sodio, especialmente en Estados Unidos y Canadá, es en el proceso Kraft para la fabricación de pulpa de madera . Los compuestos orgánicos presentes en el licor negro de este proceso se queman para producir el calor necesario para la reducción del sulfato de sodio a sulfuro de sodio . Sin embargo, gracias a los avances en la eficiencia térmica del proceso de recuperación Kraft a principios de la década de 1960, se logró una recuperación de azufre más eficiente y la necesidad de reposición de sulfato de sodio se redujo drásticamente. [ 22 ] Por lo tanto, el uso de sulfato de sodio en la industria de la pulpa de Estados Unidos y Canadá disminuyó de 1.400.000 toneladas anuales en 1970 a solo aproximadamente 150.000  toneladas en 2006. [ 17 ]

Fabricación de vidrio

La industria del vidrio ofrece otra aplicación importante para el sulfato de sodio, siendo la segunda aplicación más grande en Europa. El sulfato de sodio se utiliza como agente clarificante para ayudar a eliminar pequeñas burbujas de aire del vidrio fundido. Actúa como fundente y previene la formación de espuma en el vidrio fundido durante el refinado. La industria del vidrio en Europa consumió entre 1970 y 2006 una cantidad estable de 110 000  toneladas anuales. [ 17 ]

Textiles

El sulfato de sodio es importante en la fabricación de textiles , especialmente en Japón, donde esta es su principal aplicación. Se añade sulfato de sodio para aumentar la fuerza iónica de la solución y así contribuir a la "nivelación", es decir, a la reducción de las cargas eléctricas negativas en las fibras textiles, permitiendo que los tintes penetren de manera uniforme (véase la teoría de la doble capa difusa (DDL) elaborada por Gouy y Chapman ). A diferencia del cloruro de sodio , no corroe los recipientes de acero inoxidable  utilizados en el teñido. Esta aplicación consumió aproximadamente 100 000 toneladas en Japón y Estados Unidos en 2006. [ 17 ]

Industria alimentaria

El sulfato de sodio se utiliza como diluyente para colorantes alimentarios. [ 23 ] Se le conoce como aditivo número E E514 .

Almacenamiento de calor

La elevada capacidad de almacenamiento de calor durante el cambio de fase de sólido a líquido, junto con la ventajosa temperatura de cambio de fase de 32 °C (90 °F), hacen que este material sea especialmente adecuado para almacenar calor solar de baja temperatura y liberarlo posteriormente en aplicaciones de calefacción de espacios. En algunas aplicaciones, el material se incorpora a baldosas térmicas colocadas en un ático, mientras que en otras, la sal se incorpora a celdas rodeadas de agua calentada por energía solar. El cambio de fase permite una reducción sustancial de la masa del material necesario para un almacenamiento de calor eficaz (el calor de fusión del sulfato de sodio decahidratado es de 82 kJ/mol o 252 kJ/kg [ 24 ] ), con la ventaja adicional de una temperatura constante siempre que se disponga de suficiente material en la fase adecuada.  

Para aplicaciones de refrigeración, una mezcla con cloruro de sodio común ( NaCl ) reduce el punto de fusión a 18 °C (64 °F). El calor de fusión de NaCl·Na₂SO₄ · 10H₂O aumenta ligeramente a 286 kJ / kg . [ 25 ]  

Aplicaciones a pequeña escala

En el laboratorio, el sulfato de sodio anhidro se usa ampliamente como agente desecante inerte para eliminar trazas de agua de soluciones orgánicas. [ 26 ] Es más eficiente, pero de acción más lenta, que el agente similar sulfato de magnesio . Solo es efectivo por debajo de unos 30 °C (86 °F) , pero puede usarse con una variedad de materiales ya que es químicamente bastante inerte. Se agrega sulfato de sodio a la solución hasta que los cristales ya no se aglomeran; los dos videoclips (ver arriba) demuestran cómo los cristales se aglomeran cuando aún están húmedos, pero algunos cristales fluyen libremente una vez que la muestra está seca.  

La sal de Glauber, en su forma decahidratada, se utiliza como laxante . Es eficaz para eliminar ciertos fármacos, como el paracetamol (acetaminofén), del organismo; por lo tanto, puede utilizarse tras una sobredosis. [ 27 ] [ 28 ]

En 1953, se propuso el sulfato de sodio para el almacenamiento de calor en sistemas de calefacción solar pasiva . Esto aprovecha sus inusuales propiedades de solubilidad y su alto calor de cristalización (78,2  kJ/mol). [ 29 ]

Otros usos del sulfato de sodio incluyen descongelar ventanas, la fabricación de almidón , como aditivo en ambientadores de alfombras y como aditivo en la alimentación del ganado.

Al menos una empresa, Thermaltake, fabrica una alfombrilla refrigerante para portátiles (iXoft Notebook Cooler) que utiliza sulfato de sodio decahidratado dentro de una almohadilla de plástico acolchada. El material se licúa lentamente y recircula, igualando la temperatura del portátil y actuando como aislante. [ 30 ]

Seguridad

Aunque el sulfato de sodio generalmente se considera no tóxico, [ 23 ] debe manipularse con cuidado. El polvo puede causar asma temporal o irritación ocular; este riesgo puede prevenirse utilizando protección ocular y una mascarilla de papel. El transporte no está restringido y no se aplica ninguna frase de riesgo ni frase de seguridad . [ 31 ]

Referencias

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