Výroba hydroxydu sodnéhoPeriodická tabulka: První skupina periodické soustavy obsahuje kromě mědi, stříbra a zlata, které tvoří podskupinu mědi, ještě šest kovových prvků, a to lithium, sodík, draslík, rubidium, cesium a radioaktivní francium. Tyto prvky podobných fyzikálních a chemických vlastností se souborně nazývají alkalické kovy. Jednou ze společných chemických vlastností alkalických kovů je tvorba hydroxydů látek, v nichž je atom alkalického kovu sloučen se skupinou hydroxylovou – OH. Největší význam z těchto hydroxydů má hydroxyd sodný, NaOH, který je kromě chloridu sodného – NaCl, a uhličitanu sodného – sody, Na₂CO₃, nejdůležitější sloučeninou sodnou. Hydroxyd sodný byl znám už dávno – o jeho přípravě se např. zmiňuje alchymista Geber v osmém století n. l. – a stejně tak bylo známo i jedno z jeho důležitých použití k výrobě mýdla z tuků. V současné době se hydroxyd sodný vyrábí ve velkých množstvích. Jeho praktické použití je mnohostranné; mnoho se ho spotřebuje zejména při výrobě mýdla, k čištění naftových produktů, při výrobě buničiny a umělého hedvábí, při úpravě bavlny, při výrobě kovového sodíku a jinde. V chemických laboratořích se ho používá k přípravě rozličných jiných sloučenin a při provádění chemických rozborů. Zpravidla se pracuje s vodnými roztoky hydroxydu sodného, čili louhem sodným.+29Schéma kaustifikace sody: Alchymista Geber, o němž jsme se už zmínili, popisuje, jakým způsobem se tehdy hydroxyd sodný vyráběl. Jeho příprava se zakládá na reakci sody s hašeným vápnem, tedy na reakci dvou látek dávno už známých. Tento postup je dodnes jedním ze způsobů výroby hydroxydu sodného. Nazývá se kaustifikace sody. Latinské slovo causticus značí palčivý nebo žíravý a kaustifikovat znamená učinit žíravým. Vskutku: soda, která má rovněž zásadité vlastnosti, nemá vlastnosti žíravé čili kaustické, kdežto hydroxyd sodný, pevný i rozpuštěný, silně rozrušuje rozličné látky i kůži. Proto se musí při práci s hydroxydem sodným, roztaveným nebo v podobě koncentrovaného louhu, dbát náležité opatrnosti a je třeba použít ochranných brýlí nebo rukavic. Chemický děj při kaustifikaci sody je jednoduchý a vyjadřuje jej rovnice Na₂CO₃ /uhličitan sodný/ + Ca(OH)₂ /hydroxyd vápenatý v podobě vápenného mléka/ → CaCO₃ /uhličitan vápenatý, který se vyloučí v podobě nerozpustné sraženiny/ + 2 NaOH /který zůstane v roztoku a získá se z něho odpařením vody/. Postup výroby je schematicky vyznačen na obrázku.Kaustifikační buben: Na obrázku vidíme kaustifikační buben, ve kterém probíhá chemický děj, o němž jsme právě mluvili. Uhličitan sodný se do bubnu přivádí v podobě vodného roztoku, který byl získán tepelným rozkladem primárního uhličitanu sodného, NaHCO₃, podle rovnice 2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O. Primární uhličitan sodný se dodává ze sodárny jednak v podobě nečištěného vlhkého produktu, jednak v podobě matečných louhů odpadajících při výrobě čistého produktu.Vakuový filtr: Obsah kaustifikačního bubnu se vyprazdňuje do usazovacích nádrží, kde se rozdělí na čirý louh, obsahující asi 13 % hydroxydu sodného, a na kal, který se sestává z nerozpustného uhličitanu vápenatého. Čirý roztok louhu se odvádí do odparek, kdežto kal se filtruje vakuovým rotačním filtrem, který je na obrázku. Získaný filtrát se odvádí zpět do usazovacích nádrží.Část odparky: Čirý roztok louhu se v předehřívačích ohřeje na teplotu 120 °C a vede se dále do několikačlenné odpařovací stanice, vyhřívané parou, kde se zahustí. Na obrázku je jeden člen této stanice.Druhá filtrace: Zahuštěný louh se znovu filtruje, aby se odstranily zbytky uhličitanu sodného.Plnění sudů hydroxydem sodným: Čirý filtrát se vede do tavicí stanice, která obvykle sestává ze sedmi kotlů. V prvních čtyřech se postupně odpaří zbytky vody – posléze při teplotě kolem 500 °C, kdežto v dalších třech se tavenina vyčeří a z posledného kotle se plní do železných sudů, kde se nechá ztuhnout. Na obrázku jsou dva takové sudy spolu s přívodním potrubím. Sudy, ve kterých se běžně dodává hydroxyd sodný k technickému upotřebení, musí být ovšem neprodyšně uzavřeny, aby se zabránilo přístupu vlhkosti a vzdušného kysličníku uhličitého. Hydroxyd sodný je totiž hydroskopický, na vlhkém vzduchu se roztéká a působením vzdušného kysličníku uhličitého se mění v uhličitan sodný.Výroba šupinovitého hydroxydu sodného: K některým účelům, zejména pro laboratorní potřebu, se hydroxyd sodný dodává v příhodnější podobě než je ztuhlá tavenina. Výhodné jsou zejména šupinky, které se vyrábějí tak, že tavenina se nechá chladnout na otáčivém bubnu, s něhož se seškrabuje.Plnění šupin do sudů: Další obrázek ukazuje plnění šupinkového hydroxydu sodného do železných sudů. Všimněte si, že pracovník je chráněn brýlemi a rukavicemi.Schéma elektrolýzy roztaveného chloridu sodného: Novější způsob výroby hydroxydu sodného se zakládá na elektrolýze vodného roztoku chloridu sodného – kamenné soli, jinými slovy – na rozkladu tohoto roztoku působením stejnosměrného elektrického proudu. Nejprve několik slov o samotné elektrolýze, kde první práce základního významu provedl na počátku minulého století anglický badatel Sir Humphrey Davy. Víme, že chlorid sodný, NaCl, je pevná látka, krystalující v podobě krychlí, které jsou stavěny, jak ukazuje obrázek, z kationtů sodných, Na⁺, a aniontů chloridových, Cl⁻. Zahřeje-li se krystal chloridu sodného na teplotu 801 °C, vznikne tavenina, která vede elektrický proud, neboť obsahuje elektricky nabité částečky, výše zmíněné ionty Na⁺ a Cl⁻. Zavede-li se do takové taveniny dvěma elektrodami stejnosměrný elektrický proud, dochází k chemickému rozkladu taveniny: na záporné elektrodě, katodě, se vylučuje kovový sodík, kdežto na kladné elektrodě, anodě, se vylučuje plynný chlór /obrázek/. Tímto způsobem se dnes vyrábí kovový sodík, ovšem ve složitějším zařízení. Jako elektrolytu se používá buď roztaveného chloridu sodného nebo roztaveného hydroxydu sodného.Přístroj na elektrolýzu vodného roztoku chloridu sodného: Složitější děje však nastávají při elektrolýze nikoliv roztaveného chloridu sodného, nýbrž jeho vodného roztoku. Abychom se o nich poučili, použijeme přístroje, jehož sestavení je patrné z obrázku. Vodný roztok je obsažen ve skleněné trubici tvaru písmene U; stejnosměrný elektrický proud se do roztoku přivádí dvěma platinovými elektrodami, jež jsou spojeny přes měřicí přístroj s póly akumulátoru.Zbarvení v katodovém prostoru: Uzavřeme-li proudový okruh, počne na anodě vznikat chlór /v levém rameni/, který se prozradí svým zápachem a tím, že kapalina v blízkosti anody nabývá žlutého zbarvení. Na katodě však vzniká vodík a kromě toho vzniká v roztoku hydroxyd sodný. Abychom se o tom přesvědčili, kápneme do katodového prostoru něco indikátoru – roztoku fenolftaleinu v alkoholu. Vznikne červené zbarvení, které je patrné, ne ovšem barevně, na obrázku.Zdroje stejnosměrného proudu v laboratoři: Laboratorní zařízení pro elektrolýzu, a to nejen chloridu sodného, nýbrž i jiných látek, nebývá vcelku složité. Jako zdrojů stejnosměrného proudu se používá olověného /1/ nebo niklového /2/ akumulátoru, selenových usměrňovačů /3/, usměrňovacích lamp /4/ a někdy se vystačí i se suchým článkem /5/.Portrét M. Faradaye: Jinak tomu je při použití elektrolýzy k účelům výrobním. Vědeckým základem tu byly poznatky o elektrolýze a o zákonitostech, jimiž se elektrolytické děje řídí. Tyto zákonitosti poprvé poznal Michael Faraday /1791–1867/, anglický badatel, který se svou pílí a nadáním vypracoval z knihařského učně na vynikajícího pracovníka v oboru elektřiny, magnetismu, elektrochemie a metalurgie.Zdroj proudu pro poloprovoz a laboratoř: Technické využití těchto poznatků však nebylo možné, pokud zdrojem elektrického proudu byly pouze galvanické baterie, nepostačující svým výkonem. Teprve Siemensův vynález dynamoelektrického stroje v roce 1865 umožnil výrobu levného a dostatečně silného stejnosměrného proudu. Na obrázku vidíte dnešní generátor stejnosměrného proudu, který postačuje k provádění technické elektrolýzy, ovšem v menším měřítku.Průmyslový rtuťový usměrňovač: Jiným důležitým zařízením jsou rtuťové usměrňovače k přeměně střídavého proudu v proud stejnosměrný.Gibbsův elektrolyzér: A nyní k technické elektrolýze vodných roztoků chloridu sodného. Vodný roztok chloridu sodného obsahuje kromě kationtů sodných a aniontů chloridových ještě kationty vodíkové, H⁺ /přesněji hydroxoniové, H₃O⁺/ a anionty hydroxylové, které vznikly v malém množství štěpením molekul vody. Použije-li se při elektrolýze roztoku např. železné katody, nevybíjejí se na ní kationty sodíkové nýbrž kationty vodíkové, jež jsou zdrojem vodíku unikajícího z katodového prostoru.Billiterův elektrolyzér: Na anodě, jež bývá zhotovena z grafitu, dochází k vybíjení aniontů chloridových a k vývoji chlóru. Vodíkové anionty, odčerpávané z roztoku, se neustále doplňují štěpením molekul vody, takže roztok posléze obsahuje ionty sodné a hydroxylové, čili vzniká roztok hydroxydu sodného. Vedlejšími produkty elektrolýzy jsou volný vodík a volný chlór. Při elektrolýze je však nutné, aby katodový prostor byl oddělen od prostoru anodového. Jinak by elektrolýza měla nežádoucí průběh a anody by se rychle opotřebovaly. Jedním řešením tu je způsob diafragmový, při němž je katodový prostor oddělen od prostoru anodového průlinčitou přepážkou – diafragmou – zhotovenou z vláknitého asbestu a nerozpustného síranu barnatého nebo i z pórovitého cementu. Na obrázcích jsou dva takové elektrolyzéry, Gibbsův /vlevo/ a Billiterův /vpravo/. Katody jsou v nich železné, z ocelových drátů, anody jsou grafitové. Diafragma je vyznačena tečkovanou čarou.Schéma elektrolyzéru s rozkladníkem: Jiný důležitý způsob výroby hydroxydu sodného je způsob rtuťový, používající jako katody rtuť. Na této katodě se při elektrolýze vylučuje kovový sodík a nikoliv vodík, jak tomu je u katody železné. Vyloučený sodík poskytuje se rtutí sodíkový amalgám, který se odvádí z katodového prostoru do rozkladníku, kde se rozkládá vodou: vzniká vodný roztok hydroxydu sodného a rtuť, která se vrací do katodového prostoru. Kromě toho se vylučuje vodík, který spolu s chlórem, vznikajícím na anodě, je dalším cenným produktem elektrolýzy. Celkové uspořádání je patrné z nákresu.Sklad soli: A nyní několik snímků z výroby. Obrázek ukazuje skladiště výchozí suroviny, chloridu sodného – kamenné soli.Kellyho filtr: Sůl se rozpouští ve vodě a k roztoku solence se přidává něco chloridu barnatého, uhličitanu sodného a hydroxydu sodného, aby se odstranily soli vápenaté, hořečnaté a anionty síranové, které by vadily v dalším postupu. Uvedenými přísadami se tyto nevítané příměsi odstraní v podobě nerozpustných sraženin – uhličitanu vápenatého, hydroxydu hořečnatého a síranu barnatého, které se zachytí v čisticí stanici. K zachycení se používá filtrů rozličné konstrukce, na levém obrázku je tzv. filtr Kellyho, na následujícím obrázku jsou kalolisy.Kalolisy: Sůl se rozpouští ve vodě a k roztoku solence se přidává něco chloridu barnatého, uhličitanu sodného a hydroxydu sodného, aby se odstranily soli vápenaté, hořečnaté a anionty síranové, které by vadily v dalším postupu. Uvedenými přísadami se tyto nevítané příměsi odstraní v podobě nerozpustných sraženin – uhličitanu vápenatého, hydroxydu hořečnatého a síranu barnatého, které se zachytí v čisticí stanici. K zachycení se používá filtrů rozličné konstrukce, na levém obrázku je tzv. filtr Kellyho, na následujícím obrázku jsou kalolisy.Celkový pohled na stanici elektrolyzérů: Na obrázku vidíme celkový pohled na stanici elektrolyzérů.Podrobnosti elektrolyzéru: Další tři obrázky znázorňují některé podrobnosti. Na prvním si všimneme přívodu elektrolytu a dále strany. Oběh rtuti je totiž pečlivě kontrolován, neboť při poruše by nastal vývoj vodíku a tím by mohlo dojít ke vzniku výbušných plynných směsí. Zastaví-li se oběh rtuti, uvede se v činnost siréna, jejíž zvuk upozorní na závadu! Další dva obrázky ukazují pohled do nitra elektrolyzéru a grafitové anody.Podrobnosti elektrolyzéru: Další tři obrázky znázorňují některé podrobnosti. Na prvním si všimneme přívodu elektrolytu a dále strany. Oběh rtuti je totiž pečlivě kontrolován, neboť při poruše by nastal vývoj vodíku a tím by mohlo dojít ke vzniku výbušných plynných směsí. Zastaví-li se oběh rtuti, uvede se v činnost siréna, jejíž zvuk upozorní na závadu! Další dva obrázky ukazují pohled do nitra elektrolyzéru a grafitové anody.Podrobnosti elektrolyzéru: Další tři obrázky znázorňují některé podrobnosti. Na prvním si všimneme přívodu elektrolytu a dále strany. Oběh rtuti je totiž pečlivě kontrolován, neboť při poruše by nastal vývoj vodíku a tím by mohlo dojít ke vzniku výbušných plynných směsí. Zastaví-li se oběh rtuti, uvede se v činnost siréna, jejíž zvuk upozorní na závadu! Další dva obrázky ukazují pohled do nitra elektrolyzéru a grafitové anody.Odplyňování louhu: Na obrázku je zařízení, v němž se louh před zhuštěním odplyňuje. V některých provozech se však louh ani nezahušťuje a používá se přímo k jiným chemickým výrobám, např. mýdla, umělého hedvábí aj. Toto přímé další použití je umožněno tím, že při rtuťovém způsobu se získá louh v mnohem větší koncentraci, než při způsobu diafragmovém a nemusí se proto zahušťovat. Stejným způsobem jako hydroxyd sodný se vyrábí i hydroxyd draselný, a to elektrolýzou vodného roztoku chloridu draselného. Hydroxyd draselný je rovněž důležitou lučebninou, je však dražší a proto se v chemické výrobě dává podle možnosti přednost hydroxydu sodnému.Plynojemy: Cenným vedlejším produktem elektrolýzy chloridu sodného nebo draselného je vodík, který se jímá v plynojemech /obrázek/. Z nich se odebírá a ve stlačeném stavu se plní do ocelových lahví k další potřebě. Druhý plynný produkt – chlór – se obvykle zkapalňuje a dodává se v ocelových lahvích nebo i v tlakových cisternách. Používá se např. k desinfekci pitné vody a zejména při rozličných anorganických i organických výrobách.Schéma použití hydroxydu sodného: Hydroxyd sodný má dalekosáhlé použití v jiných odvětvích chemického průmyslu. Velké množství spotřebuje zejména průmysl textilní a papírenský. Dalším velkým odběratelem je průmysl tuků a výroba mýdla.׋›Výroba hydroxidu sodnéhoVýrobceDPrahaRok1960Délka33 okénekAutor textuPetrů František prof. dr. inž.PředlohaCHEMOznačení4562Další diafilmy výrobceMírové snahy v dějinách lidstva Ii. - Lidstvo bojuje za mírCo se stalo ve světě - 5/61Cesta hrdinství a slávy - 2. díl KyjevCo se stalo ve světě - 2/61
