El hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido sódico o hidrato de sodio, también conocido como sosa cáustica (en España, México y Guatemala) o soda cáustica (en el resto de Hispanoamérica), es un hidróxido cáustico usado en la industria (principalmente como una base) en la fabricación de papel, tejidos y detergentes. Además, se utiliza en la industria petrolera en la elaboración de lodos de perforación base agua. A nivel doméstico, son reconocidas sus utilidades para desbloquear tuberías de desagües de cocinas y baños, fabricar jabón casero, entre otros.
A temperatura ambiente, el hidróxido de sodio es un sólido blanco cristalino sin olor que absorbe la humedad del aire (higroscópico). Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles. El hidróxido de sodio es muy corrosivo. Generalmente se usa en forma sólida o como una solución de 50 %.
El hidróxido de sodio es una base altamente corrosiva que descompone las proteínas a temperaturas ambientales normales y puede causar graves quemaduras químicas. Es muy soluble en agua y absorbe fácilmente la humedad y el dióxido de carbono del aire. Forma una serie de hidratos NaOH-n. El monohidrato NaOH- cristaliza a partir de soluciones acuosas entre 12,3 y 61,8 °C. El «hidróxido de sodio» disponible en el mercado suele ser este monohidrato, y los datos publicados pueden referirse a él en lugar del compuesto anhidro.
Como uno de los hidróxidos más sencillos, el hidróxido de sodio se utiliza con frecuencia junto con el agua neutra y el ácido clorhídrico para demostrar la escala de pH a los estudiantes de química.
El hidróxido de sodio se utiliza en muchas industrias: en la fabricación de pulpa y papel, textiles, agua potable, jabones y detergentes, y como limpiador de desagües. La producción mundial en 2004 fue de aproximadamente 60 millones de toneladas, mientras que la demanda fue de 51 millones de toneladas.
Propiedades Propiedades físicas El hidróxido de sodio puro es un sólido cristalino incoloro que funde a 318 °C (604,4 °F) sin descomponerse, y con un punto de ebullición de 1388 °C (2530,4 °F). Es altamente soluble en agua, con una menor solubilidad en disolventes polares como etanol y metanol. El NaOH es insoluble en éter y otros disolventes no polares.
De forma similar a la hidratación del ácido sulfúrico, la disolución del hidróxido de sodio sólido en agua es una reacción altamente exotérmica en la que se libera una gran cantidad de calor, lo que supone una amenaza para la seguridad por la posibilidad de salpicaduras. La solución resultante suele ser incolora e inodora. Como ocurre con otras soluciones alcalinas, se siente resbaladiza al contacto con la piel debido al proceso de saponificación que se produce entre el NaOH y los aceites naturales de la piel. Viscosidad Las soluciones acuosas concentradas (50%) de hidróxido de sodio tienen una viscosidad característica, 78 mPa-s, que es mucho mayor que la del agua (1,0 mPa-s) y cercana a la del aceite de oliva (85 mPa-s) a temperatura ambiente. La viscosidad del NaOH acuoso, como la de cualquier producto químico líquido, está inversamente relacionada con su temperatura de servicio, es decir, su viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, y viceversa. La viscosidad de las soluciones de hidróxido de sodio juega un papel directo en su aplicación, así como en su almacenamiento. Hidratos El hidróxido de sodio puede formar varios hidratos NaOH-n, que dan lugar a un complejo «diagrama de solubilidad» que fue descrito en detalle por Spencer Umfreville Pickering en 1893.Spencer Umfreville Pickering (1893): «LXI.-Los hidratos de los hidróxidos de sodio, potasio y litio». Journal of the Chemical Society, Transactions, volumen 63, páginas 890-909. Los hidratos conocidos y los rangos aproximados de temperatura y concentración (porcentaje en masa de NaOH) de sus soluciones de agua saturada son: Heptahidrato, NaOH-7: de -28 °C (18,8%) a -24 °C (22,2%). Pentahidrato, NaOH-5: de -24 °C (22,2%) a -17,7 (24,8%). Tetrahidrato, NaOH-4, forma α: de -17,7 (24,8%) a +5,4 °C (32,5%).S. C. Mraw, W. F. Giauque (1974): «Entropías de los hidratos de hidróxido de sodio. III. Capacidades térmicas a baja temperatura y calores de fusión de las formas cristalinas α y β del tetrahidrato de hidróxido de sodio». Journal of Physical Chemistry, volumen 78, número 17, páginas 1701-1709. Tetrahidrato, NaOH-4, forma β: metaestable. Trihemihidrato, NaOH-3.5: de +5,4 °C (32,5%) a +15,38 °C (38,8%) y luego a +5,0 °C (45,7%). Trihidrato, NaOH-3: metaestable. Dihidrato, NaOH-2: de +5,0 °C (45,7%) a +12,3 °C (51%).P. R. Siemens, William F. Giauque (1969): «Entropías de los hidratos de hidróxido de sodio. II. Low-temperature heat capacities and heats of fusion of NaOH-2H2O and NaOH-3.5H2O». Journal of Physical Chemistry, volumen 73, número 1, páginas 149-157. Monohidrato, NaOH-: de +12,3 °C (51%) a 65,10 °C (69%) y luego a 62,63 °C (73,1%).L. E. Murch, W. F. Giauque (1962): «Las propiedades termodinámicas del hidróxido de sodio y su monohidrato. Capacidades térmicas a bajas temperaturas. Calores de disolución». Journal of Physical Chemistry, volumen 66, número 10, páginas 2052-2059.
Los primeros informes hacen referencia a hidratos con n = 0,5 o n = 2/3, pero posteriores investigaciones minuciosas no lograron confirmar su existencia.
Los únicos hidratos con puntos de fusión estables son NaOH- (65,10 °C) y NaOH-3,5 (15,38 °C). Los demás hidratos, excepto los metaestables NaOH-3 y NaOH-4 (β) pueden cristalizarse a partir de soluciones de la composición adecuada, como se ha indicado anteriormente. Sin embargo, las soluciones de NaOH pueden sobreenfriarse fácilmente muchos grados, lo que permite la formación de hidratos (incluidos los metaestables) a partir de soluciones con diferentes concentraciones.
Por ejemplo, cuando se enfría una solución de NaOH y agua con una relación molar de 1:2 (52,6% de NaOH en masa), el monohidrato normalmente empieza a cristalizar (a unos 22 °C) antes que el dihidrato. Sin embargo, la solución puede sobreenfriarse fácilmente hasta -15 °C, momento en el que puede cristalizar rápidamente como dihidrato. Cuando se calienta, el dihidrato sólido puede fundirse directamente en una solución a 13,35 °C; sin embargo, una vez que la temperatura supera los 12,58 °C. suele descomponerse en monohidrato sólido y una solución líquida. Incluso el hidrato n = 3,5 es difícil de cristalizar, porque la solución se sobreenfría tanto que otros hidratos se vuelven más estables.
Una solución de agua caliente que contiene un 73,1% (masa) de NaOH es un eutéctico que se solidifica a unos 62,63 °C como una mezcla íntima de cristales anhidros y monohidratos.G. E. Brodale y W. F. Giauque(1962): «La curva de punto de congelación-solubilidad del hidróxido de sodio acuoso en la región cercana al eutéctico anhidro-monohidrato». Journal of Physical Chemistry, volumen 66, número 10, páginas 2051-2051.
Una segunda composición eutéctica estable tiene un 45,4% (masa) de NaOH, que se solidifica a unos 4,9 °C en una mezcla de cristales del dihidrato y del 3,5-hidrato.
El tercer eutéctico estable tiene un 18,4% (masa) de NaOH. Se solidifica a unos -28,7 °C como una mezcla de hielo de agua y el heptahidrato NaOH-7.M. Ingeniería Conde: «Equilibrio sólido-líquido (ESL) y equilibrio vapor-líquido (ESL) del NaOH acuoso». . Informe en línea, consultado el 29 de abril de 2017.
Cuando se enfrían soluciones con menos del 18,4% de NaOH, el agua hielo cristaliza primero, dejando el NaOH en solución.
La forma α del tetrahidrato tiene una densidad de 1,33 g/cm3. Se funde congruentemente a 7,55 °C en un líquido con 35,7% de NaOH y densidad 1,392 g/cm3, por lo que flota en él como el hielo en el agua. Sin embargo, a unos 4,9 °C puede, en cambio, fundirse incongruentemente en una mezcla de NaOH-3,5 sólido y una solución líquida.
La forma β del tetrahidrato es metaestable, y a menudo se transforma espontáneamente en la forma α cuando se enfría por debajo de -20 °C. Una vez iniciada, la transformación exotérmica se completa en pocos minutos, con un aumento del 6,5% del volumen del sólido. La forma β puede cristalizarse a partir de soluciones sobreenfriadas a -26 °C, y se funde parcialmente a -1,83 °C.
El «hidróxido de sodio» del comercio suele ser el monohidrato (densidad 1,829 g/cm3). Los datos físicos de la literatura técnica pueden referirse a esta forma, en lugar del compuesto anhidro.
Estructura de los cristales El NaOH y su monohidrato forman cristales ortorrómbicos con los grupos espaciales Cmcm (oS8) y Pbca (oP24), respectivamente. Las dimensiones de la celda del monohidrato son a = 1,1825, b = 0,6213, c = 0,6069 nm. Los átomos están dispuestos en una estructura de capas parecida a la hidrargilita/O Na O O Na O/... Cada átomo de sodio está rodeado por seis átomos de oxígeno, tres de ellos procedentes de aniones hidroxilo y tres de moléculas de agua. Los átomos de hidrógeno de los hidroxilos forman fuertes enlaces con los átomos de oxígeno dentro de cada capa de O. Las capas de O adyacentes se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua.
Propiedades químicas Reacción con ácidos El hidróxido de sodio reacciona con los ácidos próticos para producir agua y las sales correspondientes. Por ejemplo, cuando el hidróxido de sodio reacciona con el ácido clorhídrico, se forma cloruro de sodio:
En general, este tipo de reacciones de neutralización están representadas por una simple ecuación iónica neta:
Este tipo de reacción con un ácido fuerte libera calor, y por lo tanto es exotérmica. Este tipo de reacción ácido-base puede utilizarse también para valoración. Sin embargo, el hidróxido de sodio no se utiliza como patrón primario porque es higroscópico y absorbe dióxido de carbono del aire.
Reacción con óxidos ácidos El hidróxido de sodio también reacciona con óxidos ácidos, como el dióxido de azufre. Este tipo de reacciones se utilizan a menudo para «escrubar» los gases ácidos nocivos (como SO2 y H2S) producidos en la combustión del carbón y así evitar su liberación a la atmósfera. Por ejemplo,
Reacción con metales y óxidos El vidrio reacciona lentamente con soluciones acuosas de hidróxido de sodio a temperatura ambiente para formar silicatos solubles. Por ello, las juntas y llaves de paso de vidrio expuestas al hidróxido de sodio tienen tendencia a «congelarse». [Los frascos de laboratorio y los reactores químicos revestidos de vidrio resultan dañados por la exposición prolongada al hidróxido de sodio caliente, que también congela el vidrio. El hidróxido de sodio no ataca al hierro a temperatura ambiente, ya que el hierro no tiene propiedades anfóteras (es decir, solo se disuelve en ácido, no en base). Sin embargo, a altas temperaturas (por ejemplo, por encima de los 500 °C), el hierro puede reaccionar endotérmicamente con el hidróxido de sodio para formar óxido de hierro(III), sodio metálico e hidrógeno gaseoso. Esto se debe a la menor entalpía de formación del óxido de hierro(III) (-824,2 kJ/mol) en comparación con el hidróxido de sodio (-500 kJ/mol) y al cambio de entropía positivo de la reacción, que implican espontaneidad a altas temperaturas (ΔST>ΔH, ΔG<0) y no espontaneidad a bajas temperaturas (ΔST<ΔH, ΔG>0). Consideremos la siguiente reacción entre hidróxido de sodio fundido y limaduras de hierro finamente divididas:
Sin embargo, algunos metales de transición pueden reaccionar enérgicamente con el hidróxido de sodio en condiciones más suaves.
En 1986, un camión cisterna de aluminio del Reino Unido se utilizó por error para transportar una solución de hidróxido de sodio al 25%, provocando la presurización del contenido y daños en el petrolero. La presurización se debió al gas hidrógeno que se produce en la reacción entre el hidróxido de sodio y el aluminio:
Producción