Карбонат натрия

Карбонат натрия

Имена
Название ИЮПАК Карбонат натрия
Предпочтительное название IUPAC Карбонат натрия
Другие названия Кальцинированная сода, стиральная сода, кристаллы соды, триоксокарбонат натрия
Идентификаторы
Количество CAS	497-19-8 (безводный) Y 5968-11-6 (моногидрат) Y 6132-02-1 (декагидрат) Y
3D модель ( JSmol )	Интерактивное изображение
ЧЭБИ	ЧЕБИ: 29377 Y
ЧЭМБЛ	ChEMBL186314 Y
ChemSpider	9916 Y
ECHA InfoCard	100.007.127
Номер ЕС	207-838-8
Номер E	E500 (i) (регуляторы кислотности, ...)
PubChem CID	10340
Номер RTECS	VZ4050000
UNII	45P3261C7T Y 2A1Q1Q3557  (моногидрат) Y LS505BG22I  (декагидрат) Y
Панель управления CompTox ( EPA )	DTXSID1029621
ИнЧИ InChI = 1S / CH2O3.2Na / c2-1 (3) 4 ;; / ч (H2,2,3,4) ;; / q; 2 * + 1 / p-2 Y Ключ: CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Y InChI = 1 / NaHCO3.2Na / c2-1 (3) 4 ;; / ч (H2,2,3,4) ;; / q; 2 * + 1 / p-2 Ключ: CDBYLPFSWZWCQE-NUQVWONBAP
Улыбки [Na +]. [Na +]. [O-] C ([O -]) = O
Характеристики
Химическая формула	Na 2 CO 3
Молярная масса	105,9888  г / моль (безводный) 286,1416  г / моль (декагидрат)
Появление	Белое твердое вещество, гигроскопично
Запах	Без запаха
Плотность	2,54  г / см 3 (25 ° C, безводный) 1,92  г / см 3 (856 ° C) 2,25  г / см 3 (моногидрат) [1] 1,51  г / см 3 (гептагидрат) 1,46  г / см 3 (декагидрат) [2]
Температура плавления	851 ° C (1564 ° F, 1124 K) (безводный) 100 ° C (212 ° F, 373 K) разлагается (моногидрат) 33,5 ° C (92,3 ° F, 306,6 K) разлагается (гептагидрат) 34 ° C (93 ° F; 307 K) (декагидрат) [2] [6]
Растворимость в воде	Безводный, г / 100 мл: 7 (0 ° С) 16,4 (15 ° С) 34,07 (27,8 ° С) 48,69 (34,8 ° С) 48,1 (41,9 ° С) 45,62 (60 ° С) 43,6 (100 ° C) [3]
Растворимость	Растворим в водн. щелочи , [3] глицерин. Слабо растворим в водн. спирт Нерастворим в CS 2 , ацетоне , алкилацетатах , спирте, бензонитриле , жидком аммиаке [4]
Растворимость в глицерине	98,3  г / 100 г (155 ° C) [4]
Растворимость в этандиоле	3,46  г / 100 г (20 ° C) [5]
Растворимость в диметилформамиде	0,5  г / кг [5]
Кислотность (p K a )	10,33
Магнитная восприимчивость (χ)	−4,1 · 10 −5 см 3 / моль [2]
Показатель преломления ( n D )	1,485 (безводный) 1,420 (моногидрат) [6] 1,405 (декагидрат)
Вязкость	3,4 сП (887 ° C) [5]
Состав
Кристальная структура	Моноклинный (γ-форма, β-форма, δ-форма, безводный) [7] Орторомбический (моногидрат, гептагидрат) [1] [8]
Космическая группа	C2 / m, № 12 (γ-форма, безводная, 170 K) C2 / m, № 12 (β-форма, безводная, 628 K) P2 1 / n, № 14 (δ-форма, безводная, 110 K) [7] Pca2 1 , № 29 (моногидрат) [1] Pbca, № 61 (гептагидрат) [8]
Группа точек	2 / м (γ-форма, β-форма, δ-форма, безводный) [7] мм2 (моногидрат) [1] 2 / м 2 / м 2 / м (гептагидрат) [8]
Постоянная решетки	a  = 8,920 (7) Å, b  = 5,245 (5) Å, c  = 6,050 (5) Å (γ-форма, безводная, 295 K) [7] α = 90 °, β = 101,35 (8) °, γ = 90 °
Координационная геометрия	Октаэдрический (Na + , безводный)
Термохимия
Теплоемкость ( C )	112,3  Дж / моль · К [2]
Стандартная мольная энтропия ( S o 298 )	135  Дж / моль · К [2]
Std энтальпия формации (Δ F H ⦵ 298 )	-1130,7  кДж / моль [2] [5]
Свободная энергия Гиббса (Δ f G ˚)	-1044,4  кДж / моль [2]
Опасности
Основные опасности	Раздражающий
Паспорт безопасности	Паспорт безопасности
Пиктограммы GHS	[9]
Сигнальное слово GHS	Предупреждение
Положения об опасности GHS	H319 [9]
Меры предосторожности GHS	P305 + 351 + 338 [9]
NFPA 704 (огненный алмаз)	[11] 2 0 0
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
LD 50 ( средняя доза )	4090 мг / кг (крыса, перорально) [10]
Родственные соединения
Другие анионы	Бикарбонат натрия
Другие катионы	Карбонат лития Карбонат калия Карбонат рубидия Карбонат цезия
Родственные соединения	Сесквикарбонат натрия Перкарбонат натрия
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
N проверить  ( что есть   ?)YN
Ссылки на инфобоксы

Карбонат натрия , Na ₂ CO 3, (также известный как стиральная сода , кальцинированная сода и кристаллы соды ) представляет собой неорганическое соединение с формулой Na ₂ CO ₃ и его различные гидраты. Все формы представляют собой белые водорастворимые соли, образующие умеренно щелочные растворы в воде. Исторически его добывали из золы растений, произрастающих на богатых натрием почвах. Поскольку зола этих богатых натрием растений заметно отличалась от древесной золы (когда-то использовавшейся для производства поташа ), карбонат натрия стал известен как «кальцинированная сода». ^[12] Он производится в больших количествах из хлорида натрия и известняка по технологии Solvay..

Увлажняет [ править ]

Карбонат натрия получают в виде трех гидратов и безводной соли:

• декагидрат карбоната натрия ( натрон ), Na ₂ CO ₃ · 10H ₂ O, который легко выцветает с образованием моногидрата.
• гептагидрат карбоната натрия (минеральная форма неизвестна), Na ₂ CO ₃ · 7H ₂ O.
• моногидрат карбоната натрия ( термонатрит ), Na ₂ CO ₃ · H ₂ O. Также известен как кристаллический карбонат .
• безводный карбонат натрия, также известный как кальцинированная сода, образуется при нагревании гидратов. Он также образуется при нагревании (кальцинировании) гидрокарбоната натрия, например, на последней стадии процесса Сольвея .

Декагидрат образуется из водных растворов, кристаллизующихся в диапазоне температур от -2,1 до +32,0 ° C, гептагидрат в узком диапазоне от 32,0 до 35,4 ° C, а выше этой температуры образуется моногидрат. ^[13] В сухом воздухе декагидрат и гептагидрат теряют воду с образованием моногидрата. Сообщалось о других гидратах, например, с 2,5 единицами воды на единицу карбоната натрия («пентагемигидрат»). ^[14]

Стиральная сода [ править ]

Декагидрат карбоната натрия (Na ₂ CO ₃ · 10H ₂ O), также известный как стиральная сода, является наиболее распространенным гидратом карбоната натрия, содержащим 10 молекул кристаллизационной воды . Кальцинированную соду растворяют в воде и кристаллизуют, чтобы получить стиральную соду.

${\displaystyle {\ce {Na2CO3 + 10H2O -> Na2CO3.10H2O}}}$

• Это белое кристаллическое вещество.
• Это один из немногих карбонатов металлов , растворимых в воде.
• Щелочной с уровнем pH 11; он превращается из красной лакмусовой бумаги в синюю.
• Он обладает моющими или очищающими свойствами, поскольку может удалять грязь и жир с грязной одежды и т. Д. Он воздействует на грязь и жир с образованием водорастворимых продуктов, которые затем смываются при полоскании водой.

Приложения [ править ]

Некоторые общие применения карбоната натрия (или стиральной соды) включают:

• Карбонат натрия (или стиральная сода) используется в качестве очищающего средства в домашних целях, например, для стирки одежды. Карбонат натрия входит в состав многих сухих мыльных порошков.
• Используется для удаления временной и постоянной жесткости воды . ^[15] (см. Умягчение воды ).
• Его используют при производстве стекла , мыла и бумаги . (см. производство стекла )
• Он используется в производстве соединений натрия, таких как бура.

Производство стекла [ править ]

Карбонат натрия служит флюсом для кремнезема , понижая температуру плавления смеси до чего-то достижимого без специальных материалов. Это "содовое стекло" слабо растворимо в воде, поэтому в расплавленную смесь добавляют немного карбоната кальция, чтобы сделать стекло нерастворимым. Стекло для бутылок и окон ( натриево-известковое стекло ) изготавливается путем плавления таких смесей карбоната натрия, карбоната кальция и кварцевого песка ( диоксида кремния (SiO ₂ )). Когда эти материалы нагреваются, карбонаты выделяют диоксид углерода. Таким образом, карбонат натрия является источником оксида натрия. Натриевое стекло на протяжении веков было самой распространенной формой стекла. ^[16]

Умягчение воды [ править ]

Жесткая вода содержит растворенные соединения, обычно соединения кальция или магния. Карбонат натрия используется для снятия временной и постоянной жесткости воды. ^[15]

В качестве карбоната натрия является водорастворимым и карбонат магния и карбонат кальция нерастворимы, поэтому он используется для смягчения воды путем удаления Mg ²⁺ и Ca ²⁺ . Эти ионы образуют нерастворимые твердые осадки при обработке карбонат- ионами:

${\displaystyle {\ce {Ca^2+ + CO3^2- -> CaCO3}}}$

${\displaystyle {\ce {Ca^2+(aq) + Na2CO3(aq) -> CaCO3(s) + 2Na+(aq)}}}$

Так же, ${\displaystyle {\ce {Mg^2+(aq) + Na2CO3(aq) -> MgCO3(s) + 2Na+(aq)}}}$

Вода смягчается, поскольку в ней больше нет растворенных ионов кальция и ионов магния. ^[15]

Пищевая добавка и приготовление пищи [ править ]

Карбонат натрия - это пищевая добавка (E500), используемая в качестве регулятора кислотности, антислеживающего агента, разрыхлителя и стабилизатора. Это один из компонентов кансуи (か ん 水) , раствора щелочных солей, используемых для придания лапше рамэн характерного вкуса и текстуры. Он используется в производстве снюса для стабилизации pH конечного продукта. Карбонат натрия используется при производстве порошка шербета . Ощущение охлаждения и шипения возникает в результате эндотермической реакции между карбонатом натрия и слабой кислотой, обычно лимонной кислотой., выделяя углекислый газ, который возникает при смачивании шербета слюной. В Китае его используют для замены щелочной воды в корке традиционных кантонских лунных пирожных , а также во многих других китайских булочках и лапше, приготовленных на пару. В кулинарии его иногда используют вместо гидроксида натрия для подкрашивания , особенно с немецкими кренделями и булочками с щелочью . Эти блюда обрабатывают раствором щелочного вещества, чтобы изменить pH поверхности продуктов и улучшить потемнение. Карбонат натрия вызывает коррозию алюминиевой посуды, посуды и фольги. ^[17]

Недорогая, слабая база [ править ]

Карбонат натрия также используется в качестве относительно сильного основания в различных областях. Как обычная щелочь, ее предпочитают во многих химических процессах, потому что она дешевле, чем NaOH, и гораздо безопаснее в обращении. Его мягкость особенно рекомендует его использование в домашних условиях.

Например, он используется в качестве регулятора pH для поддержания стабильных щелочных условий, необходимых для действия большинства проявителей фотопленки . Это также обычная добавка в плавательных бассейнах и аквариумной воде для поддержания желаемого pH и карбонатной жесткости (KH). При окрашивании красителями, реагирующими на волокна, карбонат натрия (часто под названием, например, фиксатор кальцинированной соды или активатор кальцинированной соды) используется для обеспечения надлежащего химического связывания красителя с целлюлозными (растительными) волокнами, обычно перед окрашиванием (для связующих красок) , смешанный с красителем (для окрашивания красителем) или после окрашивания (для окрашивания иммерсией). Он также используется в процессе пенной флотации для поддержания благоприятногоpH в качестве плавающего кондиционера помимо CaO и других слабощелочных соединений.

Предшественник других соединений [ править ]

Натрия бикарбоната (NaHCO ₃ ) или выпечки соды, а также компонент в огнетушителях, часто генерируется из карбоната натрия. Хотя NaHCO ₃ сам по себе является промежуточным продуктом процесса Solvay, нагревание, необходимое для удаления загрязняющего его аммиака, разлагает некоторое количество NaHCO ₃ , что делает более экономичным взаимодействие готового Na ₂ CO ₃ с CO ₂ :

Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O → ₂ NaHCO ₃

В родственной реакции карбонат натрия используется для получения бисульфита натрия (NaHSO ₃ ), который используется для «сульфитного» метода отделения лигнина от целлюлозы. Эта реакция используется для удаления диоксида серы из дымовых газов на электростанциях:

Na ₂ CO ₃ + SO ₂ + H ₂ O → NaHCO ₃ + NaHSO ₃

Это приложение стало более распространенным, особенно там, где станции должны соответствовать строгим ограничениям выбросов.

Карбонат натрия используется в хлопковой промышленности для нейтрализации серной кислоты, необходимой для кислотной очистки нечетких семян хлопка.

Разное [ править ]

Карбонат натрия используется в кирпичной промышленности в качестве смачивающего агента для уменьшения количества воды, необходимой для экструзии глины. При отливке он называется «связующим агентом» и используется для того, чтобы влажный альгинат прилипал к гелеобразному альгинату. Карбонат натрия используется в зубных пастах, где он действует как пенообразователь и абразив, а также для временного повышения pH во рту.

Карбонат натрия также используется при обработке и дублении шкур животных. ^{[ необходима цитата ]}

Физические свойства [ править ]

Интегральная энтальпия раствора карбоната натрия составляет -28,1 кДж / моль для 10% -ного водного раствора. ^[18] Мооса твердость моногидрата карбоната натрия составляет 1,3. ^[6]

Встречается как природный минерал [ править ]

Карбонат натрия растворим в воде и может встречаться в естественных условиях в засушливых регионах, особенно в минеральных отложениях ( эвапоритах ), образующихся при испарении сезонных озер. Залежи минерального натрона добывались на дне сухих озер в Египте с древних времен, когда натрон использовался при приготовлении мумий и в раннем производстве стекла.

Безводная минеральная форма карбоната натрия встречается довольно редко и называется натритом. Карбонат натрия также извергается из Ол Доиньо Ленгаи , уникального вулкана Танзании, и предполагается, что он извергался из других вулканов в прошлом, но из-за нестабильности этих минералов на поверхности земли, вероятно, подвергнется эрозии. Все три минералогические формы карбоната натрия, а также трона , дигидрат тринатрийгидрогендикарбоната, также известны из ультращелочных пегматитовых пород , которые встречаются, например, на Кольском полуострове в России.

Известный инопланетный карбонат натрия встречается редко. Отложения были идентифицированы как источник ярких пятен на Церере , внутреннем материале, который был вынесен на поверхность. ^[19] Хотя на Марсе есть карбонаты , и ожидается, что они будут включать карбонат натрия, ^[20] отложения еще не подтверждены, это отсутствие объясняется некоторыми как глобальное преобладание низкого pH в ранее водной марсианской почве. . ^[21]

Производство [ править ]

Горное дело [ править ]

Трона , дигидрат тринатрийгидрогендикарбоната (Na ₃ HCO ₃ CO ₃ · 2H ₂ O), добывается в нескольких районах США и обеспечивает почти все внутреннее потребление карбоната натрия. Крупные природные месторождения, обнаруженные в 1938 году, такие как месторождение возле Грин-Ривер, штат Вайоминг , сделали добычу полезных ископаемых более экономичной, чем промышленное производство в Северной Америке. В Турции есть важные запасы троны; два миллиона тонн кальцинированной соды добыто из запасов под Анкарой. Его также добывают в некоторых щелочных озерах, таких как озеро Магади.в Кении дноуглубительными работами. Горячие солевые источники постоянно пополняют запас соли в озере, поэтому при условии, что скорость дноуглубительных работ не превышает скорость восполнения, источник является полностью устойчивым. ^{[ необходима цитата ]}

Барилла и водоросли [ править ]

Некоторые виды растений- галофитов и морских водорослей могут быть переработаны для получения нечистой формы карбоната натрия, и эти источники преобладали в Европе и других странах до начала 19 века. Наземные растения (обычно солянки или солянки ) или водоросли (обычно виды фукусов ) собирали, сушили и сжигали. Затем золу « выщелачивали » (промывали водой) с образованием щелочного раствора. Этот раствор кипятили досуха, чтобы создать конечный продукт, который назвали «кальцинированной содой»; это очень старое название происходит от арабского слова « сода» , которое, в свою очередь, применяется к соляной соде., один из многих видов прибрежных растений, собираемых для выращивания. «Барилла» - это коммерческий термин, применяемый к нечистой форме калия, полученной из прибрежных растений или водорослей . ^[22]

Концентрация карбоната натрия в кальцинированной соде варьировалась в очень широких пределах: от 2–3 процентов для формы, полученной из морских водорослей (« ламинария »), до 30 процентов для лучшей бариллы, полученной из растений солянки в Испании. Источники кальцинированной соды, а также связанной с ней щелочи « поташ » из растений и морских водорослей , к концу 18 века становились все более неадекватными, и поиск коммерчески жизнеспособных путей синтеза кальцинированной соды из соли и других химикатов активизировался. ^[23]

Процесс Леблана [ править ]

В 1792 году французский химик Николя Леблан запатентовал процесс производства карбоната натрия из соли, серной кислоты , известняка и угля. На первом этапе хлорид натрия обрабатывают серной кислотой в процессе Мангейма . Эта реакция дает сульфат натрия ( соляной кек ) и хлористый водород :

2NaCl + H ₂ SO ₄ → Na ₂ SO ₄ + 2HCl

Соляной корок и измельченный известняк ( карбонат кальция ) восстанавливали нагреванием с углем . ^[16] Это преобразование состоит из двух частей. Во- первое это карботермическая реакция в результате чего угль, источник углерода , уменьшает в сульфат до сульфида :

Na ₂ SO ₄ + 2C → Na ₂ S + 2CO ₂

Вторая стадия - это реакция с образованием карбоната натрия и сульфида кальция :

Na ₂ S + CaCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + CaS

Эта смесь называется черным ясенем . Кальцинированную соду извлекают из черной золы водой. Выпаривание этого экстракта дает твердый карбонат натрия. Этот процесс экстракции был назван выщелачиванием .

Соляная кислота, полученная в процессе Леблана, была основным источником загрязнения воздуха, а побочный продукт - сульфид кальция также создавал проблемы с удалением отходов. Однако он оставался основным методом производства карбоната натрия до конца 1880-х годов. ^{[23] [24]}

Процесс Solvay [ править ]

В 1861 году бельгийский промышленный химик Эрнест Сольвей разработал метод получения карбоната натрия путем взаимодействия хлорида натрия , аммиака , воды и углекислого газа с образованием бикарбоната натрия и хлорида аммония : ^[16]

NaCl + NH ₃ + CO ₂ + H ₂ O → NaHCO ₃ + NH ₄ Cl

Затем полученный бикарбонат натрия был преобразован в карбонат натрия путем его нагревания с выделением воды и диоксида углерода:

2NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + H ₂ O + CO ₂

Между тем, аммиак регенерировали из побочного продукта хлорида аммония путем обработки его известью ( оксидом кальция ), оставшейся от образования диоксида углерода:

2NH ₄ Cl + CaO → 2NH ₃ + CaCl ₂ + H ₂ O

Процесс Solvay перерабатывает аммиак. Он потребляет только рассол и известняк, а хлорид кальция - единственный продукт его жизнедеятельности. Этот процесс значительно более экономичен, чем процесс Леблана, при котором образуются два продукта отходов: сульфид кальция и хлористый водород . Процесс Solvay быстро стал доминирующим в производстве карбоната натрия во всем мире. К 1900 году 90% карбоната натрия производилось с помощью процесса Solvay, а последний технологический завод Leblanc был закрыт в начале 1920-х годов. ^[16]

Вторая стадия процесса Solvay, нагревание бикарбоната натрия, в небольших масштабах используется домашними поварами и в ресторанах для приготовления карбоната натрия в кулинарии (включая крендели и щелочную лапшу). Этот метод привлекателен для таких пользователей, потому что бикарбонат натрия широко продается как пищевая сода, а температуры, необходимые (от 250 ° F (121 ° C) до 300 ° F (149 ° C)) для преобразования пищевой соды в карбонат натрия, легко достигаются. в обычных кухонных плитах . ^[25]

Процесс Хоу [ править ]

Этот процесс был разработан китайским химиком Хоу Дэбангом в 1930-х годах. Полученный ранее побочный продукт парового риформинга диоксид углерода прокачивали через насыщенный раствор хлорида натрия и аммиака для получения бикарбоната натрия по следующим реакциям:

СН 4 + 2 Н 2 О → СО 2 + 4 Н 2

3 Н 2 + N 2 → 2 NH 3

NH 3 + CO 2 + H 2 O → NH 4 HCO 3

NH 4 HCO 3 + NaCl → NH 4 Cl + NaHCO 3

Бикарбонат натрия собирали в виде осадка из-за его низкой растворимости, а затем нагревали примерно до 80 ° C (176 ° F) или 95 ° C (203 ° F) с получением чистого карбоната натрия, аналогичного последней стадии процесса Сольвея. К оставшемуся раствору хлоридов аммония и натрия добавляют еще хлорид натрия; Кроме того, в этот раствор перекачивается больше аммиака при 30-40 ° C. Затем температуру раствора понижают до менее 10 ° C. Растворимость хлорида аммония выше, чем хлорида натрия при 30 ° C и ниже при 10 ° C. Из-за этой зависящей от температуры разницы растворимости и эффекта обычных ионов хлорид аммония осаждается в растворе хлорида натрия.

Китайское название процесса Хоу, lianhe zhijian fa (联合 制碱 法), означает «комбинированный щелочной метод производства»: процесс Хоу связан с процессом Хабера и предлагает лучшую атомную экономию за счет исключения производства хлорида кальция, поскольку аммиак больше не нужен быть восстановленным. Побочный продукт хлорида аммония может продаваться как удобрение.

См. Также [ править ]

• Натрон
• Индекс остаточного карбоната натрия
• Бикарбонат натрия

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Эггеман, Т. (2011). "Карбонат натрия". Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . DOI : 10.1002 / 0471238961.1915040918012108.a01.pub3 . ISBN 978-0471238966.
• Тиме, К. (2000). «Карбонаты натрия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . DOI : 10.1002 / 14356007.a24_299 . ISBN 978-3527306732.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме карбоната натрия .

• Американская компания по производству кальцинированной соды
• Международная карта химической безопасности 1135
• FMC Wyoming Corporation
• Использование карбоната натрия при крашении
• Производство карбоната натрия синтетическими методами
• Обзор кальцинированной соды, метод производства и области применения
• Рынок кальцинированной соды - отраслевой анализ и прогноз