Il carbonato di sodio si trova in natura in diversi tipi di minerali, e può prodotto industrialmente a partire da cloruro di sodio (comune sale da cucina). Tra le sue varie applicazioni, è molto utilizzato per la preparazione del vetro.
Impieghi del carbonato di sodio
Si utilizzano due tipi di carbonato di sodio, chiamati rispettivamente leggero e pesante. La forma leggera è la prima che si ottiene dalla produzione industriale (contenente meno dello 0.5% di cloruro di sodio), e può successivamente essere convertita nella forma pesante. Il carbonato di sodio pesante si ottiene idratando il carbonato di sodio leggero allo stadio di carbonato di sodio monoidrato (Na2CO3·H2O), per poi disidratarlo ottenendo un prodotto che va a formare cristalli più grandi e più densi.
La ragione per cui si usano entrambe le forme, è che i due tipi di carbonato di sodio hanno usi diversi.
Il carbonato di sodio pesante trova applicazioni direttamente nella sua forma solida, specialmente nella produzione del vetro, dove viene utilizzato come fondente nel processo di fusione della silice (sabbia).
Il carbonato di sodio leggero è trova impiego prevalentemente dove il carbonato di sodio è utilizzato in soluzione.
Circa il 50% della produzione totale di carbonato di sodio viene utilizzato per la produzione di vetro, il 18% per la produzione di altre sostanze chimiche e il 10% in saponi e detergenti.
Produzione annuale di carbonato di sodio
La Cina è il maggiore produttore mondiale di carbonato di sodio, con il 46% della produzione mondiale. Il 23% è prodotto negli Stati Uniti. (IHS Markit, 2015)
| Mondo | 52 milioni di tonnellate1,2 |
| Cina | 25 milioni di tonnellate3 |
| Stati Uniti | 12 milioni di tonnellate1 |
| Europa | 11 milioni di tonnellate |
| Russia | 0.71 milioni di tonnellate4 |
1. 2018 Elements of the Business of Chemistry, American Chemistry Council.
2. Di queste, 14.7 tonnellate sono estratte. La stragrande maggioranza è estratta negli Stati Uniti (11.7 milioni di tonnellate) e in Turchia (2 milioni di tonnellate).
3. Il resto è preparato a partire da cloruro di sodio e carbonato di calcio.IHS Markit, 2015
4. Federal State Statistics Service: Russian Federation 2011
Metodi di produzione del carbonato di sodio
Il carbonato di sodio si può prevalentemente produrre:
- a partire dal cloruro di sodio e carbonato di calcio (processo Solvay)
- direttamente da minerali a base di carbonato di sodio e di idrogenocarbonato di sodio (Trona e Nahcolite)
a) Il Processo Solvay: produzione da cloruro di sodio e carbonato di calcio
La reazione alla base del processo si può considerare la reazione tra carbonato di calcio e cloruro di sodio:
Tuttavia, visto che il carbonato di calcio è un sale molto insolubile in una soluzione che contenga cloruro di sodio, il prodotto è in realtà ottenuto da un processo che prevede sette fasi. Il processo è noto come processo Solvay, dal nome del chimico industriale belga che lo brevettò nel 1861 ed è utilizzato in Italia nello stabilimento di Rosignano, in provincia di Livorno. Come mostrato in Figura 2, le varie fasi del processo Solvay sono collegate tra loro: esaminiamole una per volta.
(1) Reazione tra ammoniaca e salamoia
L’ammoniaca gassosa viene assorbita in una salamoia concentrata, per dare una soluzione contenente sia cloruro di sodio che ammoniaca. Visti gli equilibri acido-base a cui è soggetta l’ammoniaca in acqua, nella soluzione saranno presenti ioni Na+(aq), Cl–(aq), NH4+(aq), OH–(aq) e NH3(aq).
(2) Formazione di ossido di calcio e anidride carbonica
Per ottenere dell’anidride carbonica da far reagire nel successivo stadio, si alimentano dei forni con una miscela di carbonato di calcio e carbon coke in una proporzione di 13:1 (in massa). Il carbon coke viene bruciato in controcorrente rispetto all’aria preriscaldata, andando a liberare calore di combustione che aumenta la temperatura del forno, favorendo la decomposizione del carbonato di calcio ad ossido di calcio e anidride carbonica.
Il calore della combustione aumenta la temperatura del forno e il calcare si decompone:
Il gas, contenente circa il 40% di anidride carbonica, viene liberato dalla polvere di calce e inviato alle torri di carbonatazione (Torre Solvay, punto 3). L’ossido di calcio, residuo della reazione, viene utilizzato per il recupero dell’ammoniaca (punto (7)).
(3) La torre Solvay
La reazione che avviene nella torre Solvay è quella alla base del processo: la salamoia ammoniacale del punto (1) viene fatta passare attraverso la Torre Solvay, mentre l’anidride carbonica prodotta nei punti (2) e (5) [vedi successivamente] è gorgogliata all’interno della soluzione. La Torre Solvay contiene una serie di deflettori a forma di fungo per rallentare e interrompere il flusso di liquido, in modo che l’anidride carbonica abbia un tempo sufficiente per essere assorbita dalla soluzione. La CO2 reagisce quindi con l’ammoniaca per formare idrogenocarbonato di ammonio:
La soluzione ora contiene ioni Na+(aq), Cl–(aq), NH4+(aq), HCO3–(aq). Delle quattro possibili coppie ioniche che potrebbero formarsi, l’idrogenocarbonato di sodio (NaHCO3) è la meno solubile, e precipita come solido nella parte inferiore della torre, che viene raffreddata.
Al netto, la reazione produce:
Si ottiene quindi una sospensione di idrogenocarbonato di sodio solido in una soluzione di cloruro di ammonio, che viene fatta fuoriuscire dalla base della torre.
(4) Separazione di NaHCO3(s) da NH4Cl(aq)
La sospensione viene filtrata per separare l’idrogenocarbonato di sodio dalla soluzione di cloruro di ammonio, che viene poi utilizzata al punto (7).
(5) Conversione di idrogenocarbonato di sodio NaHCO3(s) in carbonato di sodio Na2CO3(s)
L’idrogenocarbonato di sodio può essere decomposto per riscaldamento: viene riscaldato in forni rotanti a 450 K, andando a formare carbonato di sodio, acqua e anidride carbonica:
L’anidride carbonica così ottenuta viene riciclata, e inviata alla Torre Solvay (3) dove viene fatta reagire nuovamente. Il prodotto del processo (carbonato di sodio anidro) si ottiene sotto forma di una fine polvere bianca, che è il carbonato di sodio leggero. Le ultime due fasi nei successivi punti (6) e (7), riguardano la rigenerazione dell’ammoniaca dal cloruro di ammonio, prodotto nella torre Solvay al punto (3).
(6) Formazione dell’idrossido di calcio
L’ossido di calcio del punto (2) è fatto reagire con acqua in eccesso, a formare il così detto latte di calce (cioè una sospensione di idrossido di calcio in una soluzione acquosa di idrossido di calcio) che verrà utilizzato al punto (7).
(7) Rigenerazione dell’ammoniaca
La sospensione di idrossido di calcio ottenuta al punto (6), viene miscelata con la soluzione di cloruro di ammonio separata dall’idrogenocarbonato di sodio nel punto (4), e riscaldata:
La reazione libererà ammoniaca, che viene così recuperata e riutilizzata nel punto (1), rendendo Il cloruro di calcio l’unico sottoprodotto dell’intero processo. Ciò rende il processo Solvay estremamente elegante, visto che (in teoria) utilizza solamente carbonato di calcio (calcare) e salamoia come materie prime. Inevitabilmente, ci sono perdite di ammoniaca, che sono compensate con l’aggiunta di forniture extra come richiesto nel punto (1).
Dal momento che il calcare ed il sale utilizzato nel processo non sono puri, ma sono sempre contaminati da impurità di vario genere (ad esempio sali di metalli pesanti), è possibile che tra i sottoprodotti possano esserci anche le impurità presenti nelle materie prime e rilasciate nel processo.
b) Produzione di carbonato di calcio dai minerali Trona e Nahcolite
Il processo Solvay non ha preso piede negli Stati Uniti, dove al contrario l’industria parte direttamente da due minerali particolarmente abbonanti nel suolo americano. I minerali utilizzati per la produzione del carbonato di calcio sono la Trona (un carbonato acido di sodio biidrato, abbondante specialmente nel Wyoming) e la Nahcolite (un minerale composto da bicarbonato di sodio). Questo processo produttivo rappresenta circa il 30% della produzione mondiale di carbonato di calcio.
La Trona (Na2CO3·NaHCO3·2H2O) viene estratta e riscaldata, andando a formare carbonato di sodio anidro.
La Nahcolite, essendo un minerale a base di idrogenocarbonato di sodio, viene anch’esso convertito in carbonato di sodio per riscaldamento come al punto (5) del processo Solvay.
Ultima modifica 27 novembre 2018
Edizione italiana a cura di Emanuele Antico e Valter Ballantini, 7 dicembre 2020
Foto in alto di Damir Spanic su Unsplash