Најважније из лекције
Солвејев поступак: Индустријска синтеза соде (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)) из \(\text{NaCl}\), \(\text{NH}_3\), \(\text{CO}_2\) и \(\text{H}_2\text{O}\). Кључни међупроизвод је слабо растворни \(\text{NaHCO}_3\) који се таложи, цеди и загревањем преводи у \(\text{Na}_2\text{CO}_3\).
Рециклажа и нуспроизводи: Скупи гасови \(\text{NH}_3\) и \(\text{CO}_2\) се континуирано регенеришу и враћају у циклус. Главни споредни производ је \(\text{CaCl}_2\).
Добијање \(\text{KNO}_3\): Заснива се на реакцији двоструке измене између \(\text{KCl}\) и \(\text{NaNO}_3\) и таложењу \(\text{KNO}_3\) услед наглог пада његове растворљивости при хлађењу на око \(15\text{ }^\circ\text{C}\).
Рециклажа и нуспроизводи: Скупи гасови \(\text{NH}_3\) и \(\text{CO}_2\) се континуирано регенеришу и враћају у циклус. Главни споредни производ је \(\text{CaCl}_2\).
Добијање \(\text{KNO}_3\): Заснива се на реакцији двоструке измене између \(\text{KCl}\) и \(\text{NaNO}_3\) и таложењу \(\text{KNO}_3\) услед наглог пада његове растворљивости при хлађењу на око \(15\text{ }^\circ\text{C}\).
Солвејев поступак је индустријски метод за добијање натријум-карбоната (соде, \(\text{Na}_2\text{CO}_3\)) из лако доступних и јефтиних сировина.
Основне сировине: натријум-хлорид (\(\text{NaCl}\)), амонијак (\(\text{NH}_3\)), угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\)) и вода (\(\text{H}_2\text{O}\)).
У засићени водени раствор \(\text{NaCl}\) уводе се \(\text{NH}_3\) и \(\text{CO}_2\). Прво настаје амонијум-хидрогенкарбонат:
\[ \text{NH}_3\text{(g)} + \text{CO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{NH}_4\text{HCO}_3\text{(aq)} \]
Затим амонијум-хидрогенкарбонат реагује са натријум-хлоридом:
\[ \text{NaCl(aq)} + \text{NH}_4\text{HCO}_3\text{(aq)} \longrightarrow \text{NH}_4\text{Cl(aq)} + \text{NaHCO}_3\text{(s)}\downarrow \]
Подешавањем температуре постиже се таложење натријум-хидрогенкарбоната (\(\text{NaHCO}_3\)), који се одваја цеђењем (филтрацијом).
Издвојени талог \(\text{NaHCO}_3\) загрева се у ротационој пећи, при чему се добија коначни производ - натријум-карбонат:
\[ 2\text{NaHCO}_3\text{(s)} \xrightarrow{\Delta} \text{Na}_2\text{CO}_3\text{(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
Ослобођени \(\text{CO}_2\) се не испушта у атмосферу, већ се враћа на почетак процеса.
Амонијак је скупа сировина, па би поступак без његове регенерације био економски неисплатив. Зато се амонијак у потпуности рециклира и враћа у процес.
Раствор амонијум-хлорида (\(\text{NH}_4\text{Cl}\)) преостао након филтрације третира се гашеним кречом (\(\text{Ca(OH)}_2\)) уз увођење водене паре:
\[ 2\text{NH}_4\text{Cl(aq)} + \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} \longrightarrow 2\text{NH}_3\text{(g)} + \text{CaCl}_2\text{(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Гашени креч \(\text{Ca(OH)}_2\) и део потребног \(\text{CO}_2\) добијају се жарењем јефтиног кречњака (\(\text{CaCO}_3\)) и накнадним гашењем негашеног креча (\(\text{CaO}\)):
\[ \text{CaCO}_3\text{(s)} \xrightarrow{\Delta} \text{CaO(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{CaO(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2\text{(s/aq)} \]
Калцијум-хлорид (\(\text{CaCl}_2\)) је једини крајњи споредни производ читавог Солвејевог циклуса и користи се даље у другим индустријским гранама.
Калијум-нитрат (\(\text{KNO}_3\), калијумова шалитра) је со која има изузетно велику примену у производњи минералних ђубрива и експлозива.
Сировине: калијум-хлорид (\(\text{KCl}\)) и натријум-нитрат (\(\text{NaNO}_3\), чилска шалитра), који се добијају из природних налазишта.
Молекулски облик:
\[ \text{KCl(aq)} + \text{NaNO}_3\text{(aq)} \rightleftharpoons \text{KNO}_3\text{(s)} + \text{NaCl(aq)} \]
Јонски облик:
\[ \text{K}^+\text{(aq)} + \text{NO}_3^-\text{(aq)} \rightleftharpoons \text{KNO}_3\text{(s)} \]
Добијање и раздвајање соли врши се на основу разлике у њиховој растворљивости на различитим температурама (фракциона кристализација):
- На сниженој температури (око \(15\text{ }^\circ\text{C}\)) растворљивост \(\text{KNO}_3\) значајно опада, па се он таложи у чврстом стању.
- Натријум-хлорид (\(\text{NaCl}\)) остаје растворен у води, што омогућава лако одвајање кристала \(\text{KNO}_3\) цеђењем.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Које су основне полазне сировине у Солвејевом процесу за производњу соде и која супстанца представља једини крајњи отпадни производ процеса?
Полазне сировине: натријум-хлорид (\(\text{NaCl}\)), амонијак (\(\text{NH}_3\)), угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\)) и вода (\(\text{H}_2\text{O}\)), уз употребу кречњака (\(\text{CaCO}_3\)).
Крајњи споредни производ: калцијум-хлорид (\(\text{CaCl}_2\)).
Крајњи споредни производ: калцијум-хлорид (\(\text{CaCl}_2\)).
Задатак 2 (средњи): Напиши једначину реакције којом се регенерише амонијак у Солвејевом поступку и објасни због чега је та фаза кључна за индустрију.
Једначина реакције:
\[ 2\text{NH}_4\text{Cl(aq)} + \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} \longrightarrow 2\text{NH}_3\text{(g)} + \text{CaCl}_2\text{(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Објашњење: Амонијак је скупа супстанца чија би континуирана потрошња учинила производњу соде неекономичном. Регенерацијом и враћањем амонијака назад у процес остварује се велика уштеда и затвара се еколошки и производни циклус.
Задатак 3 (средњи): Како се из заједничког раствора соли \(\text{KCl}\) и \(\text{NaNO}_3\) издваја чист калијум-нитрат?
Издвајање се врши подешавањем температуре (фракционом кристализацијом). На температури од око \(15\text{ }^\circ\text{C}\) растворљивост \(\text{KNO}_3\) је мала, па се он таложи у виду кристала, док добро растворни \(\text{NaCl}\) остаје у раствору. Талог \(\text{KNO}_3\) се затим једноставно одваја цеђењем (филтрацијом).
Задатак 4 (тежак): Израчунај масу натријум-карбоната која настаје термичким разлагањем \(168\text{ g}\) натријум-хидрогенкарбоната, ако је принос реакције \(100\%\). (\(M(\text{NaHCO}_3) = 84\text{ g/mol}\), \(M(\text{Na}_2\text{CO}_3) = 106\text{ g/mol}\))
Једначина реакције калцинације:
\[ 2\text{NaHCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
Из једначине видимо да из \(2\text{ mol}\) \(\text{NaHCO}_3\) настаје \(1\text{ mol}\) \(\text{Na}_2\text{CO}_3\):
\[ n(\text{NaHCO}_3) = \frac{m}{M} = \frac{168\text{ g}}{84\text{ g/mol}} = 2\text{ mol} \]
Према стехиометријском односу (\(2 : 1\)):
\[ n(\text{Na}_2\text{CO}_3) = \frac{n(\text{NaHCO}_3)}{2} = \frac{2\text{ mol}}{2} = 1\text{ mol} \]
Маса добијеног \(\text{Na}_2\text{CO}_3\) је:
\[ m(\text{Na}_2\text{CO}_3) = n \cdot M = 1\text{ mol} \cdot 106\text{ g/mol} = 106\text{ g} \]
Одговор: Настаје \(106\text{ g}\) \(\text{Na}_2\text{CO}_3\).
