Soda

Soda (Natriumcarbonat) ist ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie, beispielsweise für die Produktion von Glas. Soda kommt in großen Mengen in der Natur vor, wird aber auch technisch hergestellt. Die Rohstoffe dafür sind Natriumchlorid und Calciumcarbonat. Da daraus nicht auf direktem Wege Soda gewonnen werden kann, werden beim Solvay-Prozess verschiedene Zwischenreaktionen durchgeführt, bei denen die Hilfsstoffe Ammoniak und Kohlenstoffdioxid im Kreislauf geführt werden.

Allgemeines Prinzip

Das Grundprinzip des Solvay-Verfahrens besteht in folgendem Vorgehen:

1. Reaktion von Natriumchlorid und Ammoniumhydrogencarbonat $(N{H}_{4}HC{O}_3)$.
   In der Lösung liegen Natrium- $(N{a}^{+})$, Ammonium- $(N{H}_4{}^{+})$, Chlorid- $(C{l}^{-})$und Hydrogencarbonationen $(HC{O}_3{}^{-})$vor. Das am schwersten lösliche Salz, das Natriumhydrogencarbonat, fällt aus der Lösung aus.
   
   
2. Das ausgefallene Natriumhydrogencarbonat wird geglüht. Der Vorgang wird Calcinieren bezeichnet. Es entsteht Soda.

Ablauf des Prozesses

Das Solvay-Verfahren verläuft in fünf Schritten.

1. Grundlage ist eine gesättigte Kochsalzlösung.In die gesättigte Kochsalzlösung wird zunächst unter Kühlung Ammoniak eingeleitet und anschließend bei 50 °C Kohlenstoffdioxid. Dabei bildet sich Hydrogencarbonat.
   
      NH3   +   CO2    +   H2O   →   NH4 +   +   HCO3 -
   
2. Damit sind in der Lösung die oben angegebenen Ionen enthalten. Aus Natriumchlorid (NaCl) und Ammoniumhydrogencarbonat $(N{H}_{4}HC{O}_3)$entsteht das Salz mit der geringsten Löslichkeit: Natriumhydrogencarbonat $(NaHC{O}_3)$.
   
      NH4HCO3   +   NaCl   →   NaHCO3↓   +   NH4 +   +   Cl-
   
      Ammoniumchlorid bleibt in Lösung.
   
   
3. Das ausgefallene Natriumhydrogencarbonat wird abgetrennt und bei 170-180 °C geglüht. Dabei entsteht Natriumcarbonat (Soda), Wasser und Kohlenstoffdioxid.
   
      2 NaHCO3    →   Na2CO3    +   H2O   +   CO2
   
   
4. Das entstehende Kohlenstoffdioxid wird wieder in den Prozess zurückgeführt. Kohlenstoffdioxid wird aber noch zusätzlich erzeugt und in den Prozess eingeleitet. Dies erfolgt durch Brennen von Kalkstein (Calciumcarbonat) bei 900 °C. Dabei entsteht neben Kohlenstoffdioxid noch Calciumoxid.
   
      CaCO3    →   CO2   +   CaO
   
   
5. Das entstehende Calciumoxid wird zur Rückgewinnung von Ammoniak aus der Ammoniumchlorid-Lösung verwendet. Dabei entsteht Calciumchlorid-Lösung.
   
      CaO   +   2 NH4Cl   →   2 NH3↑   +   CaCl2    +   H2O
   

Damit ist das Calciumchlorid das einzige wirkliche Nebenprodukt, alle anderen Nebenprodukte gehen wieder in den Prozess ein. Bei der Reaktion werden nur Natriumchlorid (NaCl) und Calciumcarbonat $(CaC{O}_3)$verbraucht, alle anderen Reaktanden werden im Wesentlichen zurückgewonnen. Die gesamte Reaktionsgleichung lautet also:

2 NaCl   +   CaCO3   →   Na2CO3   +   CaCl2

Freiwillig würde die Reaktion von NaCl und $CaC{O}_3$nicht ablaufen, da das Calciumcarbonat viel schwerer löslich ist als das Natriumcarbonat. Freiwillig würde die Reaktion also eher in die umgekehrte Richtung laufen. Im Solvay-Prozess ist diese Reaktion aber über einen Umweg möglich gemacht worden.

Ein Nachteil des Solvay-Verfahrens ist aber, dass das gesamte Chlor aus dem Kochsalz als wertlose Calciumchlorid-Lösung verloren geht.

Natürliche Vorkommen von Natriumcarbonat

Natriumcarbonat $N{a}_{2}C{O}_3$kommt eigentlich auch natürlich vor. Gewaltige Mengen Natriumcarbonat kommen z.B. in den nordamerikanischen Seen vor. Im Mono-Lake in Kalifornien sind es 90 Millionen Tonnen, im Owens-Lake in Kalifornien 50 Millionen Tonnen. Noch größer ist der Sodagehalt im Magadi-See in Ostafrika, man schätzt ihn auf 200 Millionen Tonnen. Trotz alledem wird fast das gesamte Soda-Bedarf der Welt mit industriell hergestelltem Soda gedeckt. Das dazu fast ausschließlich angewandte Verfahren ist das Ammoniak-Soda-Verfahren, auch Solvay-Verfahren genannt. Erst in neuerer Zeit gewinnt auch die Förderung von „Natursoda“ an Bedeutung.