Synthese van natriumbicarbonaat

Datum: Juli-Augustus 2010

Principe:

Een experimentje dat ik in het verleden al eens geprobeerd heb m.b.v. een zelfgebouwd toestel van Kipp waarvan de capaciteit echter te klein was. Enige tijd geleden heb ik via Marktplaats een "kaal" toestel van Kipp gekocht. Het heeft me ietwat tijd gekost om de ontbrekende onderdelen te verkrijgen maar dat is me recentelijk gelukt. Om het apparaat in te wijden leek me dit experiment bijzonder geschikt.
Nadat ik het experiment had uitgevoerd begon ik me wat zaken af te vragen. Daarom besloot ik het experiment nogmaals uit te voeren maar nu m.b.v. Coachlab zodat ik het pH en temperatuurverloop kon volgen. 

Materiaal:

  • Toestel van Kipp
  • Marmer brokken (Calciumcarbonaat)
  • Zoutzuur (ca. 10%)
  • Soda (Natriumcarbonaat)
  • Water
  • Reageerbuis
  • Bekerglas
  • Trechter
  • Filtreerpapier
  • Verwarmingsplaat
  • Vergrootglas of microscoop
  • Coachlab II met
      pH versterker (B030i)
      pH elektrode (B031)
      Temperatuurmeter (0511BT
  • Roermotor met roerboon
  • PC met Coachlabsoftware en seriele poort.
  • Bekerglas van 100 ml

Uitvoering:

Experiment 1:  
  • Bouw het toestel van Kipp op. Plaats de marmerbrokken in de middelste kamer. Giet vervolgens zoutzuur via de bovenste kamer in het toestel totdat zich een deel van de zoutzuur in de bovenste kamer bevindt.
  • Maak een verzadigde oplossing van soda in water en filtreer deze vervolgens af in een reageerbuis.
  • Open de kraan van het toestel van Kipp en leidt het gevormde CO2 gas m.b.v. een slangetje door de gefiltreerde oplossing.
  • Wacht en observeer.
  • Zodra zich voldoende kristallen gevormd hebben kan men de oplossing affiltreren en zo de natriumbicarbonaat kristallen in handen krijgen.
  • Droog de kristallen aan de lucht.
  • Neem ook wat verzadigde natriumcarbonaat oplossing en damp deze in.
  • Bekijk de kristallen m.b.v. een microscoop


Productie van een verz. soda oplossing
in een reageerbuis.
Experiment 2:  
  • Bouw de Coachlab opstelling op met de temperatuurmeter en de pH meter.
  • Programmeer de Coachlab meting op 10 metingen per minuut gedurende 6 uur.
  • Maak wederom een verzadigde soda oplossing.
  • Filtreer deze af in het bekerglas van 100 ml totdat ca. 60 ml verzameld is.
  • Plaats het bekerglas op de roermotor.
  • Plaats de pH elektrode en de temperatuur sensor in de oplossing.
  • Start de roermotor.
  • Plaats de slang van het toestel van Kipp in de oplossing en zet de kraan open dusdanig dat er een gestage stroom van CO2 bellen door de oplossing beweegt.
  • Start de meting.
  • Analyseer na de meting de data.

Resultaten:

Experiment 1:

  

Het toestel van Kipp in actie kan men zien in nevenstaand filmpje.

  

YouTube link: Toestel van Kipp

CO2 gas borrelt door de reageerbuis die een heldere oplossing bevat.

In onderstaande foto's kan men zien dat er kristallen gevormd worden.

In onderstaande foto kan men in het linkerbakje natriumbicarbonaat zien en in het rechterbakje de ingedroogde natriumcarbonaat. Daaronder kan men de foto's zien die gemaakt zijn met een USB microscoop. De bovenste foto met een vergroting van 10 x, de onderste met een vergroting van 150 x.
   

Experiment 2:

  

Een screenshot van het experiment dat 5 uur duurde is weergegeven in onderstaande figuur.

De eerste kristalvorming is waarneembaar na 2650 * 6 = 15900 s = 265 min ~ 4 3/4 h

Onderstaande foto is genomen op het einde van het experiment.

Discussie en conclusie:

Zoals ik al vermeld had heb ik dit experiment al eens eerder proberen uit te voeren m.b.v. een zelfgebouwd gasproductie toestel (zie nevenstaande figuur). De capaciteit van de apparaatje m.b.t. de hoeveelheid gas die geproduceerd werd was helaas te klein. Men moet n.l. wel wat langer doorborrelen dan 10 minuten voordat men kristalvorming kan waarnemen. Het duurde ca. 1 uur voordat kristalvorming waarneembaar was.
 

De bruto reactievergelijking die hier van toepassing is:

Na2CO3 + H2O + CO2 --> 2 NaHCO3

Na het eerste experiment uitgevoerd te hebben begon ik me echter af te vragen hoe men zeker kan zijn dat men natriumbicarbonaat gemaakt heeft. De eigenschappen zijn verschillend maar ik bedacht me dat het pH verloop gedurende de reactie ook een aanwijzing zou moeten leveren.  Om dat idee te controleren heb ik het Coachlab experiment opgezet en uitgevoerd.

 
In het verleden heb ik me al eens bezig gehouden met CO2 evenwichten in water en pH, hetgeen ik samengevat heb in een Engelstalig document: Carbon dioxide in water equilibrium.
Het evenwicht waar men in dit document mee werkt is weergegeven in onderstaande schema:
 

 

 

+ H2O

 

+ H2O

 

+ H2O

 

CO2(g)

<=>

CO2 (l)

<=>

H2CO3

<=>

HCO3-

<=>

CO32-

 

 

 

 

 

 

+ H3O+

 

+ H3O+
Op basis van dit schema zouden we onderstaande existentiegebieden kunnen uitrekenen en schetsen voor een concentratie van 1 M.


pH en CO2 species
Dit schema bevestigd min of meer dat we inderdaad natriumbicarbonaat maken als we CO2 door een verzadigde natriumcarbonaat oplossing borrelen. De oplossing wordt dan nl. zuurder en beweegt naar een pH waar het bicarbonaat ion overheerst. Onze observaties m.b.v. Coachlab bevestigen dit. We zakken bijna een volledige pH eenheid gedurende het experiment. De wikipedia pagina's vertellen ons ook dat de oplosbaarheid van natriumbicarbonaat in water (100 g/l) lager is dan die van soda in water (300 g/l), hetgeen mede verklaart waarom deze synthese werkt (herkristallisatie).
Benaderen we dit experiment meer theoretisch. Dan kunnen we op basis van bovenstaande schema de volgende reacties identificeren:

1) De oplosbaarheid van CO2 in water:  CO2 (g) <=> CO2 (l)
    De oplosbaarheid CO2 in water bij kamertemperatuur is 90 cm3 per 100 ml.
2) Er stelt zich een evenwicht in tussen het opgeloste CO2 en H2CO3:
       CO2 (l) + H2O (l) <=> H2CO3 (l)
3) H2CO3 is een zwak zuur dat in twee stappen dissocieert:
        (a)   H2CO3 + H2O <=> HO+ + HCO3-      pKa1  (25 °C) = 6.37  
       (b)   HCO3- + H2O <=> H3O+ + CO32-        pKa2 (25 °C) = 10.25
 4) In dit geval hebben we te maken met een verzadigde oplossing van natriumcarbonaat:
     Na2CO3 + H2O <=> 2Na+ + CO32- + H2O

Op basis van deze reactievergelijkingen moet het mogelijk zijn om een vergelijking af te leiden die het mogelijk maakt de pH van de oplossing af te schatten.

Definitie: x = [H3O+] and y = [OH-]

De protolyseconstanten:

De totale carbonaat concentratie wordt bepaalde door de beginconcentratie c hetgeen het mogelijk maakt de volgende steuchiometrische relatie te definiėren:  

c = [H2CO3] + [HCO3-] + [CO32-]

 De water constante: x.y = Kw   and  pKw =14

 De electroneutraliteitsvergelijking:
2[CO32-] + [HCO3-] + y = x + [Na+]

Uit de evenwichtsconstanten kunnen we afleiden:


en

Door deze in de steuchiometrische relatie te stoppen kunnen we afleiden:

Substitueren we deze in de electroneutraliteitsvergelijking:

En combineren we bovenstaande met Kw=x.y dan leiden we een 4de graads vergelijking af voor x:

c kunnen we berekenen uit de oplosbaarheid van soda in water en in combinatie met Excel kunnen we afschatten wat de pH van de "startoplossing" is nl. een pH ~ 12.2. De meetresultaten die we met Coachlab verzameld hebben zijn weergegeven in onderstaande figuur.
 

De pH die we in het begin gemeten hebben is iets lager dan de geschatte waarde. Dat is wel verklaarbaar. Het water dat we gebruikt hebben voor de verzadigde soda oplossing was niet CO2 vrij. Waarschijnlijk is er CO2 opgelost hetgeen geresulteerd heeft in een lagere start pH.
De knik in de curves rond 2.5 h is het gevolg van het verhogen van de snelheid waarmee CO2 door de oplossing borrelt,
Wat mij verbaasde was de temperatuurstijging die we waarnemen zodra we CO2 door de oplossing gaan borrelen. Schijnbaar is het oplossen van CO2 en de daaropvolgende reacties een exotherm proces. Een oppervlakkig literatuuronderzoek bevestigde dat het oplossen van CO2 in water inderdaad een exotherm proces is. Dit is mogelijk ook een verklaring waarom het relatief lang duurt voordat natriumbicarbonaat begint neer te slaan. Door de hogere temperatuur neemt ook het oplosbaarheidproduct van bicarbonaat toe.
Literatuuronderzoek laat ook zien dat deze methode om natrium bicarbonaat te maken een oude methode is. Volgens van Erp maakte men de bicarbonaat door soda te laten reageren met het kooldioxide dat uit minerale bronnen verkregen werd. Onderstaand plaatje laat zien dat het op het lab op een soortgelijke wijze als in dit experiment beried werd.

Tegenwoordig wordt natriumbicarbonaat voornamelijk beried via het Solvay proces, waarbij calcium carbonaat (als bron voor de CO2), natrium chloride, ammonia en CO2 in water betrokken zijn met als bruto reactievergelijking:
     NaCl + CO2 + NH3 + H2O <=> NaHCO3 + NH4Cl (l)

Opmerkingen:

  • Brokken marmer heb ik verkregen door een installatiebedrijf te bezoeken dat keukens en badkamers plaatst Vraag dan of ze wat marmer afval hebben.
  • Natriumbicarbonaat staat ook bekend onder de namen: zuiveringszout, natriumhydrocarbonaat, dubbelkoolzure soda en natriumwaterstofcarbonaat.
  • Ik had vergeten de pH meter te calibreren. Ik heb de resultaten achteraf gecorrigeerd m.b.v. een calibratielijn gebaseerd op 3 buffers.
  • Volgens Heys is het mogelijk om de reactie ook visueel zichtbaar te maken door wat fenolftaleine toe te voegen. De rode kleur zou verdwijnen als het natriumcarbonaat in natriumbicarbonaat wordt omgezet.
 

Literatuur:

  • R. Brent;"Eenvoudige scheikundeproeven"; Zuid.Ned. Uitg.; 1980; 4de druk; ISBN 902430010X; p. 58.
  • H.L. Heys; Scheikunde thuis; Thieme; 19xx; ISBN 9003915407; 4de druk; p. 100-105. 
  • Dr. H. van Erp;'Beginselen der Chemie I-II';  C.A.J. van Dishoek; 1902; p. 40,41 (II).
  • M.J. Schroder, H.G. De Zaaijer; 'Receptuur - Scheikunde'; Wolters; 1967; 16de druk; p. 155.
  • J.R. McKee, J.M. Kauffman; "A Practical Solvay Process Experiment"; Journal of Chemical Education; 1981 12 58; p. 1035

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Het toestel van Kipp

Het toestel van Kipp is uitgevonden door de Delftse apotheker Petrus Jacobus Kipp (1808-1864). In 1830 zette hij een zaak op die handelde in wetenschappelijke apparatuur en chemicalien.  In 1844 publiceerde Kipp een beschrijving van zijn apparaat in   het "Tijdschrift voor Handel and Nijverheid". De oudste bekende kopie van het toestel van Kipp kan men vinden in het Museum Boerhave in Leiden. Dat 62 cm hoge toestel is gemaakt ergens tussen 1845 en 1875.

Het toestel van Kipp wordt gebruikt om gas te produceren. Het apparaat is opgebouwd uit drie kamers. De onderste kamer wordt gevuld met zoutzuur (of een ander zuur). Deze kamer staat via een smalle opening in verbinding  met de middelste kamer die weer gevuld is met de vaste stof (brokken) die we gebruiken om het gas te maken als het in aanraking komt met zuur.
Als we bv CO2willen maken vullen we de kamer met marmer, willen we waterstof maken dan vullen we hem met zink. De bovenste kamer die ook een zuur bevat staat met de onderste kamer in verbinding via een pijp. Als de kraan open staat zakt het vloeistofniveau in de bovenste kamer waardoor het zich naar de onderste kamer verplaatst. Hierdoor stijgt het niveau in de onderste kamer dusdanig dat het naar de middelste kamer gestuwd wordt. Daar kan het reageren met de daar aanwezige vaste stof.

Als de kraan weer wordt dichtgedraaid, zal de druk door de gasontwikkeling in de middelste kamer stijgen. Het zuur wordt daardoor in de onderste kamer geperst, zodat het contact tussen het zuur en de reagerende stof verbroken wordt hetgeen tot gevolg heeft dat de gasontwikkeling stopt. Tegelijkertijd wordt het zuur naar het bovenste reservoir gestuwd. Op deze manier kan het toestel meerdere malen gebruikt worden voor gasproductie.

 

17-01-2017