ПОЛУЧЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ S-МЕТАЛЛОВ

Такие соединения металлов I и II групп, как NaOH, КОН, имеют огромное промышленное значение и используются в очень больших количествах. Здесь мы рассмотрим некоторые применения этих и других соединений s-металлов, а также кратко опишем производство четырех наиболее важных из них.

Гидроксид натрия

Гидроксид натрия получают путем электролиза рассола в электролизере с ртутным катодом либо в диафрагменном электролизере. Важными побочными продуктами в обоих случаях являются водород и хлор.

Электролизер с ртутным катодом. Электролизер с ртутным катодом, или электролизер Кестнера-Кельнера, имеет графитовый либо титановый анод и прочный ртутный катод (рис. 13.8). Этот электролизер работает при напряжении 4,3 В и силе тока 300000 А. Химические процессы, протекающие при одновременном получении гидроксида натрия, водорода и хлора в электролизере этого типа, распадаются на три части.

1. Электролиз. В качестве электролита используется концентрированный рассол (раствор хлорида натрия). Благодаря использованию ртутного катода на катоде разряжаются ионы натрия, а не ионы водорода. На аноде разряжаются ионы хлора. Электродные реакции в этом случае совпадают с электродными реакциями в электролизере Даунса.

2. Образование амальгамы. Натрий, образующийся на катоде, растворяется в ртути, образуя амальгаму натрия:

3. Реакция с водой. Амальгама вытекает в отдельную камеру, которая называется содовой камерой (она не показана на рис. 13.8). В этой камере амальгаму смешивают с водой, в результате чего образуется гидроксид натрия и водород. В этом процессе, кроме того, регенерируется чистая ртуть:

Регенерированную ртуть возвращают в электролизер.

Рис. 13.8. Электролизер с ртутным катодом.

Рис. 13.9. Диафрагмснный электролизер.

Диафрагмснный электролизер. Диафрагменный электролизер имеет графитовый либо титановый анод и стальной катод, отделенные друг от друга асбестовой диафрагмой. Существует несколько разновидностей диафрагменного электролизера. На рис. 13.9 показана принципиальная схема диафрагменного электролизера Хукера. В Великобритании используется только такая разновидность диафрагменного электролизера.

В качестве электролита применяют рассол, подаваемый в электролизер сверху. Разряд ионов хлора происходит на аноде, и газообразный хлор высвобождается в верхней части электролизера. Оставшийся раствор просачивается через асбестовую диафрагму в катодное отделение. На катоде образуются водород и гидроксид натрия:

Раствор, образующийся в катодном отделении, содержит приблизительно равные количества гидроксида натрия и хлорида натрия. Его сливают из электролизера и затем концентрируют выпариванием, в результате чего из него выкристаллизовывается хлорид натрия. Оставшийся раствор содержит приблизительно 50% по массе гидроксида натрия и около 1% хлорида натрия.

Гидроксид калия. Для получения гидроксида калия тоже используются электролизеры двух описанных выше типов. Вместо рассола в этом случае используется концентрированный раствор хлорида калия.

Карбонат натрия

Большую часть карбоната натрия, используемого в Великобритании, получают с помощью аммиачно-содового процесса Сольве. Этот процесс включает две стадии.

1. Осаждение гидрокарбоната натрия. Газообразный диоксид углерода нагнетается снизу в карбонизационную колонну Сольве (рис. 13.10). Сверху в колонну поступает рассол, насыщенный аммиаком. Падая вниз, он встречается с восходящим

Рис. 13.10. Карбонизационная колонна Сольве.

потоком диоксида углерода. Диоксид углерода растворяется в воде:

Аммиак, содержащийся в растворе, нейтрализует ионы гидроксония, что приводит к смещению вправо указанного выше равновесия:

Гидрокарбонат натрия обладает невысокой растворимостью в воде и поэтому осаждается из раствора:

В растворе остается хлорид аммония.

Суммарное уравнение процесса имеет вид

Поскольку весь этот процесс в целом экзотермичен, для охлаждения колонны приходится использовать воду.

Из нижней части колонны удаляют отстой белого цвета, содержащий гидрокарбонат натрия, взвешенный в растворе хлорида аммония. При помощи вакуумной фильтрации из него отделяют гидрокарбонат натрия.

2. Получение карбоната натрия. Гидрокарбонат натрия, полученный на 1-й стадии, нагревают в длинных железных трубах:

Остаточный хлорид аммония улетучивается на этой стадии. Полученный продукт носит название кальцинированная сода. Он содержит небольшую примесь хлорида натрия.

Сырьевые материалы. Сырьевыми материалами для процесса Сольве служат рассол и карбонат кальция (известняк), относительно недорогие материалы, а также аммиак. Аммиак получают с помощью процесса Габера (см. разд. 7.2).

Карбонат кальция необходим 1) для получения диоксида углерода используемого на 1-й стадии; 2) для получения гашеной извести применяемой с целью повторного использования аммиака (см. ниже).

Для получения 1 т необходимо такое количество сырьевых материалов:

Отметим, что в процессе Сольве расходуется очень небольшое количество аммиака, потому что в этом процессе его рециклируют (используют повторно).

Рециклирование. В процессе Сольве осуществляется рециклирование диоксида углерода и аммиака. Диоксид углерода, образующийся на 2-й стадии при получении кальцинированной соды, снова направляется в карбонизационную колонну Сольве. Аммиак регенерируют из раствора хлорида аммония, получающегося на стадии, добавляя в него гашеную известь:

Рис. 13.11. Схема процесса Сольве.

Продукты. Основным продуктом процесса Сольве является кальцинированная сода. Кристаллическую соду получают в результате растворения кальцинированной соды в горячей воде и последующей кристаллизации. Очищенный гидрокарбонат натрия получают, продувая диоксид углерода через раствор карбоната натрия до его насыщения:

Единственным побочным продуктом процесса Сольве является хлорид кальция, который образуется при рециклировании аммиака. Хлорид кальция не имеет широкого промышленного применения и поэтому идет главным образом в отход.

Процесс Сольве схематически изображен на рис. 13.11.

Карбонат калия нельзя получать при помощи процесса Сольве, потому что гидрокарбонат калия обладает слишком высокой растворимостью в воде и из-за этого не поддается осаждению.