Natriumhydroxid und Natronlauge
Natronlauge, die wässrige Lösung von Natriumhydroxid, wird als sehr preiswerte und außerordentlich wichtige Grundchemikalie in fast allen Bereichen der chemischen Industrie vielseitig eingesetzt. So können wir uns den Alltag ohne Produkte wie Papier, Zellstoff, Seife oder Aluminiumfolie nicht vorstellen. All dies sind Dinge, die es ohne Natronlauge nicht geben würde.
Eigenschaften
Natriumhydroxid (NaOH) ist eine weiße kristalline Substanz, die auch Ätznatron genannt wird. Dieser Stoff wirkt auf der Haut, auf Schleimhäuten und den Augen ätzend. Bei Kontakt mit den Augen besteht die Gefahr der Hornhauttrübung bis hin zur Erblindung.
Auf der Haut entstehen schlecht heilende Wunden. Deshalb müssen beim Umgang besondere Sicherheitsregeln beachtet werden, insbesondere ist das Tragen einer Schutzbrille vorgeschrieben.
Natriumhydroxid ist eine Ionenverbindung, die bei 323 °C schmilzt. Die Verbindung ist stark hygroskopisch, außerdem reagiert sie sehr leicht mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft zu Natriumcarbonat, daher ist die Verbindung in gut verschlossenen Gefäßen aufzuwahren.
2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
Natriumhydroxid löst sich unter starker Wärmeentwicklung in Wasser. Die wässrige Lösung, die als Natronlauge bezeichnet wird, zeigt wegen der hohen Konzentration an Hydroxidionen alkalische Reaktion und färbt Indikatorpapier intensiv blau.
Die Verbindung ist auch in einigen Alkoholen wie Methanol und Ethanol löslich.
Herstellung
Natronlauge wird zusammen mit Chlor und Wasserstoff durch Elektrolyse einer Natriumchloridlösung in einem kontinuierlichen Verfahren gewonnen.
Die in der Praxis ablaufenden Hauptreaktionen an den Elektroden bei der Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Natriumchlorid nach dem hier beschriebenen Verfahren sind:
Anode: 2 Cl- Cl2 + 2 e- E 0 = 1,35 V
Katode: 2 H2O + 2 e- H2 + 2 OH- E 0 = -0,83 V
Die gleichzeitige Bildung von Chlor und Wasserstoff erfordert eine strikte Trennung von Anoden- und Katodenraum, um die Bildung von Chlor-Knallgas zu vermeiden. Die in den Katodenraum gelangenden Natrium-Ionen aus dem NaCl und die hier elektrolytisch gebildeten OH--Ionen ergeben Natronlauge, die aus dem Katodenraum entnommen wird. Die anzulegende Zellspannung ergibt sich aus den Redoxpotenzialen der Elektrodenprozesse und den aufzuwendenden Überspannungen; man arbeitet mit Zellspannungen von 3,2 bis 4,2 V.
Daraus ergibt sich ein erheblicher Energieaufwand für die Elektrolyse, man braucht je nach Verfahren 2 500-3 500 kWh Elektroenergie pro Tonne Chlor. In Deutschland werden allein dafür 2-3 % der gesamten Elektroenergie aufgewendet.
Es gibt verschiedene technische Varianten für die Durchführung des Elektrolyseprozesses und zur Trennung der Elektrodenräume. Alle arbeiten im kontinuierlichen Durchflussbetrieb. Dabie wird jeweils eine konzentrierte, von störenden Fremd-Ionen gereinigte NaCl-Lösung ständig in den Anodenraum gepumpt. Hier wird ein Teil der Chlorid-Ionen zu Chlor oxidiert, die äquivalente Menge Natrium-Ionen gelangt in den Katodenraum, aus dem die Natronlauge entnommen wird.
Die verbrauchte NaCl-Lösung fließt aus dem Anodenraum ab. Sie wird durch Zugabe von festem NaCl wieder auf die Ausgangskonzentration gebracht und erneut eingesetzt (Kreislaufprinzip).
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Natriumhydroxid zerfließt durch die Aufnahme von Luftfeuchtigkeit, denn es ist stark wasseranziehend (hygroskopisch).
Heinz Mahler, Berlin
Von den drei technisch genutzten Verfahren der Elektrolyse ist das Membranverfahren das modernste Verfahren mit zugleich den niedrigsten Baukosten und dem niedrigsten Energieverbrauch.
Dabei wird eine konzentrierte Natriumchloridlösung kontinuierlich in den Anodenraum gepumpt. An der Anode wird ein Teil der Chloridionen zu Chlor oxidiert. Die verbleibende verdünnte Lösung wird im Kreislauf zurückgeführt und mit festem Kochsalz wieder aufkonzentriert. Die Membran zum Katodenraum ist nur durchlässig für Natriumionen.
An der Katode wird Wasser zu Wasserstoff reduziert. Die dabei entstehenden Hydroxidionen ergeben mit den durch die Membran eingewanderten Natriumionen die Natronlauge. In den Katodenraum wird kontinuierlich eine verdünnte Natronlauge eingespeist. Sie wird durch die Elektrolyse aufkonzentriert und fließt als 32-35 %ige Lauge ständig ab.
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Schema des Membranverfahrens
Verwendung
Jährlich werden ca. 50 Millionen Tonnen Natronlauge hergestellt und in der Industrie vielseitig eingesetzt.
So benötigt man große Mengen an Natronlauge zum Aufschließen von Bauxiterz, welches zur Aluminiumgewinnung nötig ist.
Bauxit enthält neben Aluminiumoxid hauptsächlich Eisenoxid und Silikate. Nur das Aluminiumoxid ist in heißer konzentrierter Natronlauge löslich und kann so von den Begleitstoffen abgetrennt werden. Es wird dann wieder ausgefällt, getrocknet und für die Gewinnung von Aluminium genutzt.
Viele Dinge werden heutzutage aus Aluminium hergestellt – Folien und anderes Verpackungsmaterial, Bauteile für Schifffahrt, Automobil- und Fahrzeugbau und vieles mehr – überall wird Aluminium als rostfreies und besonders leichtes Metall eingesetzt.
Auch zur Herstellung von Papier und Cellulose aus Holz oder für die Seifen- und Farbstoffindustrie ist Natronlauge eine unersetzliche Hilfschemikalie, die bei vielen Umwandlungs-, Verarbeitungs-, und Reinigungsprozessen eine Rolle spielt.
Bei vielen Alltagsgegenständen wie Taschentuch, Seife oder Baumwollshirt erkennt man auf den ersten Blick gar nicht, dass Natronlauge nötig war, um diese Sachen herzustellen.Auch in der Fotografie oder beim Backen von Laugengebäck wird Natronlauge verwendet. Beispielsweise wird das sogenannte Laugengebäck vor dem Backen in eine verdünnte Natriumhydroxidlösung getaucht. Beim Backen ergibt sich dadurch die schöne braune Färbung.
