Laboratorio di chimica in casa/Cloruro di sodio

Il normale sale da cucina che teniamo in casa è una miscela di sali comprendente cloruro di sodio (NaCl) al 99,8-99,9% e poche impurità quali altri sali di mare, argilla o sabbia ed antiagglomeranti: ferrocianuro di potassio (E536) o carbonato di magnesio (E504).
E' un composto ionico altamente stabile: non reagisce con acidi, basi, sali o composti organici, se non ad elevate temperature.
E' solubile in acqua in raporto di circa 7 parti su 20 d'acqua (356 g/l) e ne aumenta la conducibilità elettrica, abbassa il punto di fusione (intorno ai -10 °C) e di ebollizione, senza modificarne il pH.
E' la materia prima impiegata nel processo cloro-soda, nella produzione di idrogenosolfato di sodio, di sodio puro e di altri composti.

L'unico modo per lavorarlo in casa è tramite elettrolisi.

Adesso inizieremo la prima reazione chimicha del laboratorio, quella che ti permetterà di avere accesso ai tuoi primi composti. L'obiettivo, in questo caso, è di sinetizzare tramite elettrolisi del sale in acqua il maggior numero di composti possibili.

Precauzioni

Durante l'elettrolisi del sale si possono generare tre composti particolarmente tossici: cloro, idrogeno e soda caustica. È quindi necessario aprire un piccolo paragrafo sulla tossicità di queste tra sostanze (in modo da poter prevenire eventuali incidenti) prima di passare alla parte pratica.

Cloro

		Commento
Simboli:
percettibile all'olfatto:	2-3,5 ppm	È vivamente consigliato mantenerla sotto i 0,2-0,5 ppm.
dannoso per breve esposizione (1-5 min):
dannoso per esposizione cronica (8-10 h):	> 30-60 ppm	Si può avere edema polmonare.
concentrazione letale:	> 1000 ppm
primi sintomi:	Irritazione al naso, agli occhi, alla gola o nausea.

Per approfondire, vedi w:Prima Guerra Mondiale#I gas tossici e le nuove armi.

Il cloro è un gas non esplosivo, la cui pericolosità è data dalla tossicità a basse percentuali: è corrosivo per le vie respiratorie, e dopo ripetute esposizioni ad alte concentrazioni (30-60ppm) può provocare edema polmonare.
I suoi effetti letali vengono sprigionate in dosi di 1000 ppm, quindi non è letale se l'esposizione non è cronica (ripetuta più volte) o a concentrazioni così alte.

La dose minima consigliata con cui lavorare in un ambiente chiuso (all'internod el laboratorio) è di 0,002 mol. Se ne possono manipolare dosi maggiori tenendo il locale aerato. Il tasso di mol/s è espresso nella tabella sotto riportata:

Salamoia	6V	12V	18V	24V
1mol MCl	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
2mol MCl	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
3mol MCl	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
4mol MCl	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
5mol MCl	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
Per n MCl si intende una soluzione satura in cui sono disciolte n mol di un sale MCl.

Idrogeno

		Commento
Simboli:
percettibile all'olfatto:	inodore
dannoso per breve esposizione (1-5 min):
dannoso per esposizione cronica (8-10 h):	ppm	asfissiante
concentrazione letale:	ppm
primi sintomi:	senso di soffocamento

Per approfondire, vedi w:en:Hydrogen safety.

L'idrogeno è un gas incolore ed inodore. Non ha effetti tossici a breve o a lungo termine, ma in concentrazioni alte provoca soffocamento. È inoltre facilmente infiammabile: brucia con l'ossigeno in percentuali che vanno dal 4% al 96% semplicemente con una scntilla, mentre la sua temperatura di autoignizione è di 500 °C. Reagisce violentemente anche con gli alogeni producendo i rispettivi idracidi.

Salamoia	6V	12V	18V	24V
1mol XH	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
2mol XH	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
3mol XH	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
4mol XH	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
5mol XH	mol/s	mol/s	mol/s	mol/s
Per n XH si intende una soluzione satura in cui sono disciolte n mol di un sale XH.

Soda caustica

		Commento
Simboli:
Aspetto:	Idrato: Solido bianco deliquescente leggermente odoroso Anidro: Solido cristallino bianco, friabile, inodore
danni per contatto:	irritazione e lesioni	gravi
danni per c.c. occhi:	irritazione e lesioni	gravi
LD50	0,5 g/Kg	molto tossico
effetti tossici:	solo molto corrosivo, non velenoso.

L'idrossido di sodio è un solido bianco inodore, dall'elevato potere basico (una concentrazione di 50 g/l ha un pH pari a 14). È tossico se ingerito, e va maneggiato con cautela, perchè è irritnte per la pelle e per gli occhi. Reagisce con gli acidi forti per dare i rispettivi sali di sodio + H₂O.
Reazioni condotte in soluzione acquosa tra idrossido di sodio ed un metallo, del tipo NaOH + M → Na + MOH provocano sempre la ricombinazione del sodio con l'acqua di soluzione, provocando la liberazione di idrogeno gassoso.
La quantità di idrogeno emessa al secondo (H₂ mol/s) dipende dalla velocità della reazione NaOH + M → Na + MOH, dato che la seconda reazione 2 Na + H₂O → 2 NaOH + H₂↑ è tanto rapida (istantanea) da renderne il tempo di reazione trascurabile.

Preparazione

Libera il tavolo da oggetti inutili e puliscilo.

1. Riempi una bacinella con un litro di acqua e versarne all'interno 350 grammi.
2. Mischia il sale fin quando non è totalmente sciolto in acqua. Ci vorranno alcuni minuti.

   Il modo migliore per farlo è di portare il sale in superficie col cucchiaio e poi farlo ricadere: l'acqua dolce è meno densa dell'acqua contenente gli ioni Na⁺ e Cl^-, e quindi la prima rimarrà a galleggiare sulla seconda. Portando il sale in superficie lo si fa entrare in contatto con l'acqua pura. Creando piccoli gorghi col cucchiaio si porta l'acqua dolce sul fondo, ottenendo lo stesso risultato.

3. Versa il contenuto in una bottiglia tramite un imbuto, etichettala e ripeti più volte il processo, facendoti una piccola scorta di 3-4 litri di salamoia.
4. Prepara una batteria da 12 V o un convertitore per corrente continua (caricabatterie) muniti di pinze per afferrare gli elettrodi.

   Prova la prima volta con pochi cl di salamoia, in una delle scodelle per l'elettrolisi o i un barattolo; quindi ripeti il processo utilizzando 1 o 1/2 litro di salamoia per ottenere maggiori quantità di prodotto.

5. Fissa gli elettrodi al bordo della bacinella, in modo che siano il più possibile all'interno della soluzione, quindi afferrali con le pinze: un lato della pinza stringe il bordo della vasca mentre l'altro è a contatto con l'elettrodo, ma non dev'essere bagnata dalla soluzione per evitare che si arrugginisca.
6. Aspetta qualche minuto che la reazione avvenga (tenendo le finestre aperte). La reazione sarà completata quando il bollore in prossimità degli elettrodi sarà notevolmente diminuito.
7. Trasferisci il prodotto ottenuto in un recipiente etichettato, chiudilo e conservalo nel tuo armadio.

Altri eventuali passaggi come risciacquo o asciugatura del prodotto verranno descritti meglio durante ogni elettrolisi.

Grafite

Gli elettrodi di platino e di grafite sono neutri, ossia non vanno a legarsi chimicamente con i composti di partenza, gli ioni o i prodotti di reazione. L'unica differenza è che un elettrodo di platino si consuma molto meno di un elettrodo di grafite, ed in un'elettrolisi con questi ultimi si avranno piccole impurità carbonose nella soluzione (tuttavia facilmente eliminabili).

Meccanismo di reazione

Appena data la corrente ad entrambe gli elettrodi, gli ioni Na⁺ e Cl^- in soluzione inizieranno a migrare, rispettivamente verso catodo ed anodo:

Catodo

Na⁺_(aq) + 1e → Na_(aq)
Na + H₂O → NaOH_(aq) + H↑ + calore
H_(g) + H_(g) → H_2(g)
Lo ione Na⁺ Acquista uno degli elettroni che passavano dal catodo all'anodo diventando sodio metallico.
Il sodio metallico però reagisce con l'acqua in cui è disciolto producendo soda caustica, idrogeno gassoso e calore.
L'idrogeno prodotto al catodo si combina dando la molecola biatomica H₂.

Anodo

Cl^-_(aq) - 1e → Cl↑
Cl_(g) + Cl_(g) → Cl_2(g)
Gli ioni Cl^- Rilasciano l'elettrone che avevano strappato al sodio quando entrano in prossimità dell'anodo, diventando cloro gassoso.
Appena deelettronizzati si combinano fra di loro generando le bollicine di Cl₂ gassoso che fuoriescono in prossimità dell'anodo.

Avviene un'ultima reazione in aria

Cl_2(g) + H_2(g) → 2HCl_(g)

Cloro ed idrogeno, venendo a contatto formano acido cloridrico.

Stechiometria

In quantità di moli, 350g = 36.065 mol.
Su 1 mol di NaCl si formano 1 mol di Na, 1 mol di H ed 1 mol di Cl (Quindi ½ mol di H₂ e ½ mol di Cl₂). Su ½ mol di H₂ e ½ mol di Cl₂ si creano 1 mol di HCl.
Moltiplicando 1 ed ½ per 36 mol si ottengono i grammi di sostanza ottenuti ogni volta.
Su 350g di NaCl si producono 239,5g di soda caustica.

Non sono necessari processi di depurazione della soda, se non quello di aspirare con una pipetta o togliere con un bastoncino le briciole di polvere di grafite perse dal catodo.
Si mette quindi la soluzione di soda caustica a bollire sul fuoco nel contenitore di pyrex. Basta circa un'ora ogni ¼ di litro per ottenere il prodotto "umido". Per un'asciugatura completa è necessario prolungare di mezz'ora/un'ora il tempo di asciugatura. Il sale risulterà completamente anidro quando smetterà di bollire.

Per conoscere le proprietà e gli utilizzi della soda caustica, leggi il capitolo dedicato ad essa: Idrossido di sodio.

Con questo metodo però si sprecano ogni volta 36 moli di cloro! Per sapere come utilizzare il cloro prodotto, legggi il capitolo Macchina per il processo cloro-soda. Se vuoi osservarlo puro, leggi invece il capitolo Metodi di cattura dei gas.

Vengono anche disperse 36 moli di idrogeno! Anche a questo elemento è dedicato un capitolo di questo libro: Idrogeno degli acidi, è menzionato nel capitolo Macchina per la separazione dei gas ed è impiegato nell'esperimento Macchina per il processo cloro-soda.

Ferro

Procediamo coll'elettrolisi della salamoia con elettrodi di ferro. Questa verrà effettuata scambiando la grafite prima al catodo, poi all'anodo e poi ad entrambi i poli.

A entrambi i poli

Gli ioni Cl^- e Na⁺ sono migrati ai poli del circuito, trasformandosi in Cl gassoso e Na metallico.

Na⁺_(aq)Cl^-_(aq) ${\xrightarrow {elettrolisi}}$ Na_(aq) + Cl_(aq)

A questo punto Il sodio sviluppato all'anodo andrà a legarsi con l'acqua di soluzione per formare idrossido di sodio e idrogeno:

Na + H₂O → NaOH_(aq) + ½H₂↑

Mentre il cloro si legherà al ferro dell'elettrodo formando cloruro ferroso:

2 Cl_(aq) + Fe_(s) → + FeCl_2(aq)

Quest'ultimo composto, entrando in contatto con l'idrossido di sodio del catodo si combina generando cloruro di sodio e idrossido ferroso:

2 NaOH_(aq) + FeCl_2(aq) → Fe(OH)₂↓ + 2 NaCl_(aq)

L'elettrolisi può continuare scindendo di nuovo il cloruro di sodio ottenuto, fino ad esaurimento dell'acqua di soluzione o degli elettrodi.

L'idrossido ferroso in soluzione alcalina ha vita breve: Dopo qualche minuto anche lui inizierà a trasformarsi: reagisce con l'idrossido di sodio generando idrossido ferrico e sodio metallico, il quale tornerà a legarsi con l'acqua formando idrossido di sodio e idrogeno.
Il tutto è riassumibile nella seguente reazione globale:

Fe(OH)_2(s) + Na(OH)_(aq) → Fe(OH)_3(s) + NaOH_(aq) + ½H₂↑

Depurazione

Si passa alla purificazione della sostanza ottenuta dall'idrossido di sodio tramite molteplici lavaggi in cui si aggiunge acqua alla soluzione, si lascia decantare l'idrossido di ferro(II) e si aspira l'acqua di superficie, per poi ripetere varie volte il procedimento.

Conservazione

Dopo la depurazione, si può conservare l'idrossido ferroso in un comune congelatore domestico, senza necessariamente separarlo dall'acqua in cui è contenuto.