Elemente, Schulbuch

107 5.2 HerstellUnG anOrG. GrUnDchemIKalIen Soda – Natriumcarbonat Soda kommt in der Natur in Afrika, Nord- und Südamerika und Asien in den „Nat- ronseen“ vor. Bis zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde Soda hauptsächlich aus diesen und aus der Asche NaCl-reicher Meerespflanzen gewonnen. Soda war sehr teuer, was sich auch auf den Preis ihrer Folgeprodukte Glas und Seife auswirkte. Erst mit der Entwicklung brauchbarer Syntheseverfahren für Soda wurden diese Produkte der Allgemeinheit zugänglich (Hygiene). Die Bedeutung dieses Stoffes kann man daran erkennen, dass das englische Wort für Natrium „sodium“ ist, also von der technisch wichtigsten Natriumverbindung abgeleitet wurde. Der größte Teil der weltweiten Sodaproduktion erfolgt nach dem Solvay- Verfahren (Abb. 107.3), obwohl vor allem in den USA die Ausbeutung der natürlichen Vorkom- men zunehmend an Bedeutung gewinnt. Der Rohstoff zur Sodaerzeugung ist Nat- riumchlorid. In Österreich wird Soda von den Solvay-Werken in Ebensee erzeugt, die mit Sole (Natriumchloridlösung) aus den österreichischen Steinsalzvorkommen ver- sorgt werden. In die fast gesättigte Natriumchloridlösung wird Ammoniak und anschließend Koh- lenstoffdioxid eingeleitet. Dabei stellt sich ein pH-Wert ein, bei dem der Ammoniak als Ammonium-Ion und das Kohlenstoffdioxid als Hydrogencarbonat-Ion vorliegt. Durch die hohe Konzentration der Ionen kristallisiert das nur mäßig lösliche Natri- umhydrogencarbonat aus. Sein Löslichkeitsprodukt wird als Erstes überschritten. Alle anderen Ionenkombinationen sind gut lösliche Salze. Natriumhydrogencarbonat wird abfiltriert und erhitzt, wobei es in das gewünschte Pro- dukt Natriumcarbonat, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf zerfällt (Umkehrung des Protolysegleichgewichtes durch Entfernen der flüchtigen Komponenten CO 2 und H 2 O aus dem Gleichgewicht). Das CO 2 wird in den ersten Prozessschritt rückgeführt und liefert 50 % des dort be- nötigten CO 2 . Das Filtrat enthält Ammoniumchlorid und Ammoniak. Daraus wird der Ammoniak in einer 1. Stufe durch Temperaturerhöhung ausgetrieben, der Rest aus Ammonium- chlorid durch Zugabe von stark basischem gebranntem Kalk durch eine Protolyse- reaktion. Diese Reaktion ist exotherm, in der heißen Lösung bleibt der Ammoniak nicht gelöst und entweicht gasförmig. Er wird ebenfalls im ersten Prozess wieder eingesetzt. Da praktisch 100 % des Ammoniaks wiedergewonnen werden, muss man nur die geringen Verluste ausgleichen. Der gebrannte Kalk wird durch Erhitzen von Kalk auf über 1000 °C erzeugt. Beim Kalkbrennen entsteht die restliche Menge CO 2 für den ersten Prozessschritt. Als Rohstoffe für den Prozess sind also nur Natriumchlorid und Kalk notwendig. Dazu kommt noch der Energieeinsatz für die endothermen Teilschritte Kalkbrennen und Umwandlung von Natriumhydrogencarbonat in Soda. Da praktisch alle Zwischen- produkte wiederverwertet werden, bleibt als einziger Abfallstoff Calciumchlorid- Lösung übrig. Ihre Verwertung ist auf Grund des hohen Energieeinsatzes beim Ein- dampfen nicht rentabel, sodass sie früher in die Gewässer geleitet wurde, was zu beträchtlicher Salzbelastung des Wassers führte. Heute gewinnt man Calciumchlo- rid aus Gewässerschutzgründen zurück oder man wandelt es durch Natriumsulfat- zusatz in Gips um. Calciumchlorid kann anstelle von Natriumchlorid verwendet wer- den, um die Straßen im Winter eisfrei zu halten. Etwa die Hälfte der weltweiten Sodaproduktion wird zur Herstellung von Glas ein- gesetzt. Bei der Produktion von Seife wurde Soda zum Großteil von Natriumhydro- xid verdrängt. Es wird aber in beträchtlichen Mengen den Waschmitteln und den Geschirrspülmitteln für Spülmaschinen beigegeben. Große Mengen werden auch für die Wasserenthärtung benötigt. Festpunkt 851 °C Zersetzungspunkt 1600 °C Dichte 2,53 g/cm 3 Soda – Natriumcarbonat Dekahydrat Na 2 CO 3 • 10 H 2 O Abb. 107.1: Eigenschaften von Natriumcarbonat Na 2 CO 3 Na 2 CO 3 Glas Waschmittel Wasserenthärtung Medikamente 2 NaCl + 2 CO 2 + 2 H 2 O + 2 NH 3 2 NH 4 Cl + 2 NaHCO 3 2 NaHCO 3 2 NH 4 Cl + CaO Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 CaCl 2 + H 2 O + 2 NH 3 CaCO 3 CaO + CO 2 Na 2 CO 3 1 t 1,2 t Koks 0,5 t NaCl 1,5 t CO 2 CO 2 CO 2 H 2 O H 2 O NH 4 Cl NH 3 NaCl CaO CaO CaCl 2 CaCO 3 Ca(OH) 2 Reinigung Kalk- brennen Reinigung Soda- Erzeugung Ammoniak- Rückgewinnung Abb. 107.4: Produkte, ausgehend von Soda Abb. 107.3: Sodaproduktion im Solvay-Verfahren Abb. 107.2: Reaktionen bei der Sodaproduktion Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv