Procédé Solvay
Le procédé Solvay est un procédé chimique destiné à synthétiser du carbonate de sodium. Au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, c'était le principal procédé industriel employé. Le procédé Solvay est concurrencé par l'extraction du carbonate de sodium dans les gisements de carbonates naturels, tels le natron, que l'on trouve par exemple en Égypte ou en Amérique du Nord, ou encore le trona.
Histoire
Jusqu'en 1789 et souvent encore au début du Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, le carbonate de sodium, cet ingrédient nécessaire aux industries du verre, du savon, des textiles et du papier, provenait de cendres de plantes aquatiques type algues ou terrestres type chénopodiacées, dénommées soudes, par exemple la salicorne, ou du chauffage du natron dans les pays désertiques lointains. En 1791, le chimiste français Nicolas Leblanc met au point le procédé Leblanc après l'avoir inventé dans les années 1780 : il permet d'obtenir du carbonate de sodium à partir de sel marin, d'acide sulfurique, de charbon de bois, de calcaire. Le procédé Leblanc, exigeant en énergie de chauffage, a été utilisé jusque dans les années 1870, où il a été supplanté par le procédé Solvay.
Le procédé Solvay dit à l'ammoniac a été découvert par le chimiste belge Ernest Solvay qui ouvre sa première usine en Belgique en 1863<ref>Il utilise à partir de 1873 son procédé dans son usine-soudière française à Dombasle à proximité de l'ancien pays Saulnois en Lorraine</ref>. Ce procédé économique est encore utilisé actuellement.
Déroulement
Le procédé Solvay produit finalement du carbonate de sodium (Modèle:Fchim) à partir de sel (chlorure de sodium Modèle:Formule chimique) et de craie (carbonate de calcium Modèle:Fchim) en utilisant habilement l'alcali ammoniac (Modèle:Fchim); on obtient en outre du chlorure de calcium (Modèle:Fchim), un sous-produit qui n'est pas un déchet mais peut être un produit utile. Le procédé utilise de l'ammoniac qui n'est pas consommé mais réutilisé après régénération et recyclage, à partir de l'intermédiaire Modèle:Fchim.
- La première étape est l'obtention du bicarbonate d'ammonium, sel très soluble dans l'eau<ref>Elle fait intervenir l'anion bicarbonate et le cation ammonium. Le premier résulte du premier équilibre suivant : Modèle:Fchim + Modèle:Fchim Modèle:Équil Modèle:Fchim Modèle:Équil H+ + Modèle:Fchim. Le second résulte de la formation d'ammoniaque : Modèle:Fchim + Modèle:Fchim Modèle:Équil NH4+ + OH−. Tout se passe comme si l'eau ou solvant du milieu aqueux fournissait au premier l'anion hydroxyde et au second le cation hydronium, soit d'une manière simplifiée : Modèle:Fchim Modèle:Équil H+ + OH− pour 2 Modèle:Fchim Modèle:Équil Modèle:Fchim</ref>.
- Modèle:Fchim dissous + Modèle:Fchim dissous + Modèle:Fchim milieu aqueux → Modèle:Fchim aq
- La seconde étape est la formation à température ordinaire du bicarbonate de sodium Modèle:Fchim, peu soluble à froid<ref>Sa solubilité pour 100 g d'eau est de l'ordre de 9,61 g à 20 °C. Le procédé est plus efficace lorsque les saumures sont froides. Le Larousse universel de Claude Augé en 1922 décrit le procédé Solvay par un résumé fort radical : une décomposition par le sel (marin) d'une solution de bicarbonate d'ammonium. Ne pas oublier que les acteurs de la chimie aqueuse sont des ions et leurs éventuelles propriétés de dispersion ou d'associations dans le milieu solvant eau.</ref>.
- Modèle:Fchim aq + NaClaq saumure → Modèle:Fchim précipité (en partie) + Modèle:Fchim aq soluble
- La troisième étape est le chauffage, souvent au coke, du bicarbonate de sodium qui engendre de la soude Solvay poudreuse, dans un flux de vapeur d'eau et de gaz carbonique qui s'échappe vers le haut<ref>Ce gaz carbonique est recyclé, mais la majeure partie provient de la calcination du calcaire, réaction de l'antique four à chaux : Modèle:Fchim roche calcaire → chaux vive CaO et Modèle:Fchim gaz </ref>.
- 2 Modèle:Fchim sel → Modèle:Fchim poudre + Modèle:Fchim vapeur + Modèle:Fchim gaz
- Les autres étapes correspondent à la régénération de l'alcali ou à l'apport complémentaire de Modèle:Fchim initial :
- Modèle:Fchim roche calcaire → CaO solide poudreux + Modèle:Fchim gaz récupéré
- 2 Modèle:Fchim aq soluble + CaO → 2 Modèle:Fchim gaz récupéré + Modèle:Fchim aq soluble + Modèle:Fchim
Bilan global et commentaire
Le bilan global des réactions est :
- 2 NaCl + Modèle:Fchim → Modèle:Fchim + Modèle:Fchim
Le produit recherché est obtenu par calcination de bicarbonate de soude (aussi appelé : monohydrogénocarbonate de sodium):
Le bicarbonate de soude est formé en faisant passer du dioxyde de carbone dans une solution aqueuse basique de chlorure de sodium : en milieu basique le dioxyde de carbone se transforme en ion bicarbonate, qui précipite en présence de l'ion sodium ; le procédé utilise, comme base, l'ammoniaque :
Le dioxyde de carbone nécessaire s'obtient en chauffant de la craie (carbonate de calcium CaCO3) à une température d'environ Modèle:Unit :
Très basique, CaO permet de retransformer l'ammonium (dans la solution de chlorure d'ammonium) en ammoniac, en produisant du chlorure de calcium :
- 2 Modèle:Fchim + CaO → 2 Modèle:Fchim + Modèle:Fchim + Modèle:Fchim
Le procédé Solvay est moins polluant et moins coûteux que le procédé Leblanc. Le sel et la craie, voire la roche calcaire, sont abondants et peu coûteux. L'ammoniac est recyclé pendant la réaction. Le chlorure de calcium, sous-produit de la réaction, est un sel hygroscopique et même déliquescent, utilisé en hiver pour faire fondre la neige accumulée sur les routes.
