Сульфат натрия


Сульфат натрия (также известный как сульфат натрия или сульфат соды ) представляет собой неорганическое соединение с формулой Na 2 SO 4, а также несколько родственных гидратов . Все формы представляют собой белые твердые вещества, хорошо растворимые в воде. Декагидрат с годовым объемом производства 6 миллионов тонн является основным товарным химическим продуктом. Он в основном используется в качестве наполнителя при производстве порошковых моющих средств для стирки в домашних условиях и в процессе крафт-обработки бумажной массы для получения высокощелочных сульфидов . [3]

  • Безводный сульфат натрия, известный как редкий минерал тенардит , используется в качестве осушителя в органическом синтезе .
  • Гептагидрат сульфата натрия, очень редкая форма.
  • Декагидрат сульфата натрия, известный как минерал мирабилит , широко используется в химической промышленности . Он также известен как глауберова соль.

Декагидрат сульфата натрия известен как глауберова соль в честь голландского / немецкого химика и аптекаря Иоганна Рудольфа Глаубера (1604–1670), который открыл его в 1625 году в австрийской родниковой воде. Он назвал его sal mirabilis (чудодейственная соль) из-за его лечебных свойств: кристаллы использовались в качестве слабительного общего назначения , пока в 1900-х годах не появились более сложные альтернативы. [4] [5]

В 18 веке глауберову соль начали использовать в качестве сырья для промышленного производства кальцинированной соды ( карбоната натрия ) путем реакции с калием ( карбонатом калия ). Спрос на кальцинированную соду увеличился, и предложение сульфата натрия должно было линейно увеличиваться. Поэтому в 19 веке крупномасштабный процесс Леблана , производящий синтетический сульфат натрия в качестве ключевого промежуточного продукта, стал основным методом производства кальцинированной соды. [6]

Сульфат натрия - это типичный ионный сульфат с электростатической связью . На наличие свободных сульфат-ионов в растворе указывает легкое образование нерастворимых сульфатов при обработке этих растворов солями Ba 2+ или Pb 2+ :

Na 2 SO 4 + BaCl 2 → 2 NaCl + BaSO 4

Сульфат натрия не реагирует с большинством окислителей или восстановителей . При высоких температурах он может быть преобразован в сульфид натрия путем карботермического восстановления (также известного как термохимическое восстановление сульфата (TSR), высокотемпературное нагревание с углем и т. Д.): [7]

Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Эта реакция была использована в процессе Леблана , промышленном способе получения карбоната натрия, который больше не существует .

Сульфат натрия реагирует с серной кислотой с образованием кислой соли бисульфата натрия : [8] [9]

Na 2 SO 4 + H 2 SO 4 ⇌ 2 NaHSO 4

Сульфат натрия проявляет умеренную склонность к образованию двойных солей . Только квасцы , образованные с обычными трехвалентный металлами являются NaAl (SO 4 ) 2 (нестабильным выше 39 ° С) и NaCr (SO 4 ) 2 , в отличии от сульфата калия и сульфата аммония , которые образуют много стабильных квасцов. [10] Известны двойные соли с некоторыми другими сульфатами щелочных металлов, включая Na 2 SO 4 · 3K 2 SO 4, который в природе встречается в виде минерала афтиталита . Образование глазерита реакцией сульфата натрия с хлоридом калия было использовано в качестве основы способа получения сульфата калия , удобрения . [11] Другие двойные соли включают 3Na 2 SO 4 · CaSO 4 , 3Na 2 SO 4 · MgSO 4 ( вантофит ) и NaF · Na 2 SO 4 . [12]

Сульфат натрия имеет необычные характеристики растворимости в воде. [13] Его растворимость в воде повышается более чем в десять раз между 0 ° C и 32,384 ° C, где она достигает максимума 49,7 г / 100 мл. В этот момент кривая растворимости меняет наклон, и растворимость становится почти независимой от температуры. Эта температура 32,384 ° C, соответствующая выделению кристаллической воды и плавлению гидратированной соли, служит точным эталоном температуры для калибровки термометра .

Температурная зависимость растворимости Na 2 SO 4 в воде

Кристаллы декагидрата состоят из ионов [Na (OH 2 ) 6 ] + с октаэдрической молекулярной геометрией . Эти октаэдры имеют общие края, так что 8 из 10 молекул воды связаны с натрием, а 2 других являются промежуточными, будучи водородными связями с сульфатом. Эти катионы связаны с сульфат-анионами водородными связями . Расстояния Na – O составляют около 240  пм . [14] Кристаллический декагидрат сульфата натрия также необычен среди гидратированных солей тем, что имеет измеряемую остаточную энтропию (энтропию при абсолютном нуле ) 6,32 Дж / (К · моль). Это объясняется его способностью распределять воду намного быстрее по сравнению с большинством гидратов. [15]

Мировое производство сульфата натрия, почти исключительно в форме декагидрата, составляет примерно от 5,5 до 6 миллионов тонн в год (Мт / год). В 1985 году добыча составляла 4,5 млн т / год, половина из них - из природных источников, а половина - за счет химического производства. После 2000 г., на стабильном уровне до 2006 г., естественная добыча увеличилась до 4 млн т / год, а производство химической продукции снизилось до 1,5–2 млн т / год, с общим объемом от 5,5 до 6 млн т / год. [16] [17] [18] [19] Для всех применений сульфат натрия природного и химического происхождения практически взаимозаменяем.

Природные источники

Две трети мирового производства декагидрата (глауберова соль) приходится на природную минеральную форму мирабилита , которая, например, обнаруживается в озерах на юге Саскачевана . В 1990 году основными производителями природного сульфата натрия в мире были Мексика и Испания (около 500 000 тонн каждая  ), а Россия , США и Канада - около 350 000 тонн каждая. [17] Природные ресурсы оцениваются более чем в 1 миллиард тонн. [16] [17]

Основные производители от 200000 до 1500000 тонн в год в 2006 году включали Searles Valley Minerals (Калифорния, США), Airborne Industrial Minerals (Саскачеван, Канада), Química del Rey (Коауила, Мексика), Minera de Santa Marta и Criaderos Minerales Y Derivados, а также известная как Grupo Crimidesa (Бургос, Испания), Minera de Santa Marta (Толедо, Испания), Sulquisa (Мадрид, Испания), Chengdu Sanlian Tianquan Chemical ( округ Тяньцюань , Сычуань, Китай), Hongze Yinzhu Chemical Group ( район Хунцзэ , Цзянсу, Китай), Nafine Chemical Industry Group  [ zh ] (Шаньси, Китай), провинция Сычуань Chuanmei Mirabilite (万胜 镇 [ zh ] , округ Донгпо , Мэйшань , Сычуань, Китай) и Kuchuksulphat JSC (Алтайский край, Сибирь, Россия). [16] [18]

Безводный сульфат натрия встречается в засушливых средах как минерал тенардит . Во влажном воздухе медленно превращается в мирабилит. Сульфат натрия также встречается в виде глауберита , минерала сульфата кальция и натрия. Оба минерала встречаются реже мирабилита. [ необходима цитата ]

Химическая индустрия

Около одной трети мирового сульфата натрия производится как побочный продукт других процессов в химической промышленности. Большая часть этого производства химически присуща первичному процессу и лишь незначительно экономична. Таким образом, благодаря усилиям промышленности производство сульфата натрия как побочного продукта сокращается.

Наиболее важным химическим производством сульфата натрия является производство соляной кислоты либо из хлорида натрия (соли) и серной кислоты в процессе Мангейма , либо из диоксида серы в процессе Харгривса . [20] Получающийся в результате этих процессов сульфат натрия известен как соляной кек .

Мангейм: 2 NaCl + H 2 SO 4 → 2 HCl + Na 2 SO 4
Харгривз: 4 NaCl + 2 SO 2 + O 2 + 2 H 2 O → 4 HCl + 2 Na 2 SO 4.

Второе из основных производства сульфата натрия являются процессами , где излишки гидроксид натрия является нейтрализован с помощью серной кислоты, в применении в больших масштабах в производстве вискозы . Этот метод также является регулярно применяемым и удобным лабораторным препаратом.

2 NaOH ( водн. ) + H 2 SO 4 (водн.) → Na 2 SO 4 (водн.) + 2 H 2 O ( л ) ΔH = -112,5 кДж (сильно экзотермический)

В лаборатории его также можно синтезировать в результате реакции между бикарбонатом натрия и сульфатом магния .

2 NaHCO 3 + MgSO 4 → Na 2 SO 4 + Mg (OH) 2 + 2 CO 2

Однако, поскольку коммерческие источники легко доступны, лабораторный синтез нечасто практикуется. Раньше сульфат натрия был также побочным продуктом производства дихромата натрия , когда серная кислота добавлялась к раствору хромата натрия, образуя дихромат натрия, или впоследствии хромовую кислоту. В качестве альтернативы сульфат натрия образуется или был образован при производстве карбоната лития , хелатирующих агентов , резорцина , аскорбиновой кислоты , кремнеземных пигментов, азотной кислоты и фенола . [16]

Объемный сульфат натрия обычно очищается через декагидратную форму, поскольку безводная форма имеет тенденцию притягивать соединения железа и органические соединения . Безводную форму легко получить из гидратированной формы путем осторожного нагревания.

Основные производители побочного продукта сульфата натрия с производительностью 50–80 Мт / год в 2006 г. включают Elementis Chromium (хромовая промышленность, Castle Hayne, Северная Каролина, США), Lenzing AG (200 Мт / год, районная промышленность, Ленцинг, Австрия), Addiseo (ранее Rhodia, метиониновая промышленность, Ле-Рош-Руссильон, Франция), Elementis (хромовая промышленность, Стоктон-он-Тис, Великобритания), Shikoku Chemicals (Токусима, Япония) и Visko-R (районная промышленность, Россия). [16]

"> Воспроизвести медиа
Сульфат натрия используется для сушки органической жидкости. Здесь образуются комки, указывающие на присутствие воды в органической жидкости.
"> Воспроизвести медиа
Дальнейшим применением сульфата натрия жидкость может быть доведена до высыхания, на что здесь указывает отсутствие комкования.

Товарные отрасли

При цене в США 30 долларов за тонну в 1970 году, до 90 долларов за тонну для соляного жмыха и 130 долларов за более качественные сорта сульфат натрия является очень дешевым материалом. Чаще всего используется в качестве наполнителя в порошковых стиральных порошках для стирки дома, расход прибл. 50% мирового производства. Это использование сокращается, поскольку домашние потребители все чаще переходят на компактные или жидкие моющие средства, не содержащие сульфата натрия. [16]

Еще одно ранее основное применение сульфата натрия, особенно в США и Канаде, - это крафт-процесс для производства древесной массы . Органические вещества, присутствующие в «черном щелоке» этого процесса, сжигаются для получения тепла, необходимого для восстановления сульфата натрия до сульфида натрия . Однако благодаря достижениям в области термической эффективности процесса извлечения крафт-бумаги в начале 1960-х годов было достигнуто более эффективное извлечение серы, и потребность в подпитке сульфатом натрия резко снизилась. [21] Таким образом, использование сульфата натрия в целлюлозной промышленности США и Канады снизилось с 1 400 000 тонн в год в 1970 г. до всего лишь прибл. 150 000 тонн в 2006 г. [16]

Стекла промышленность обеспечивает еще одно существенного применение для сульфата натрия, в качестве второго по величине применения в Европе. Сульфат натрия используется в качестве осветлителя , помогающего удалить мелкие пузырьки воздуха из расплавленного стекла. Он придает стеклу флюс и предотвращает образование накипи от расплава стекла во время рафинирования. Стекольная промышленность Европы потребляла с 1970 по 2006 год стабильно 110 000 тонн в год. [16]

Сульфат натрия важен при производстве текстильных изделий , особенно в Японии, где он находит самое широкое применение. Сульфат натрия добавляется для увеличения ионной силы раствора и, таким образом, помогает в «выравнивании», уменьшая отрицательные электрические заряды на текстильных волокнах, так что красители могут проникать равномерно (см. Теорию двойного диффузного слоя (DDL), разработанную Гуи и Чепменом). ). В отличие от альтернативного хлорида натрия , он не вызывает коррозии сосудов из нержавеющей стали, используемых при крашении. Это приложение в Японии и США потребило в 2006 г. около 100 000 тонн. [16]

Пищевая промышленность

Сульфат натрия используется как разбавитель пищевых красителей. [22] Он известен как добавка числа E E514 .

Тепловое хранение

Высокая теплоемкость при фазовом переходе от твердого тела к жидкости и выгодная температура фазового перехода 32 ° C (90 ° F) делают этот материал особенно подходящим для хранения низкопотенциального солнечного тепла для последующего использования в системах обогрева помещений. В некоторых приложениях материал включается в тепловые плитки, которые размещаются на чердаке, в то время как в других случаях соль вводится в ячейки, окруженные водой, нагретой солнечными батареями. Фазовый переход позволяет существенно уменьшить массу материала, необходимую для эффективного аккумулирования тепла (теплота плавления декагидрата сульфата натрия составляет 82 кДж / моль или 252 кДж / кг [23] ), с дополнительным преимуществом консистенции температура до тех пор, пока имеется достаточное количество материала в соответствующей фазе.

Для охлаждения смесь с поваренной солью хлорида натрия (NaCl) снижает температуру плавления до 18 ° C (64 ° F). Теплота плавления NaCl · Na 2 SO 4 · 10H 2 O фактически незначительно увеличивается до 286 кДж / кг. [24]

Маломасштабные приложения

В лаборатории безводный сульфат натрия широко используется в качестве инертного осушающего агента для удаления следов воды из органических растворов. [25] Он более эффективен, но действует медленнее, чем аналогичный агент сульфат магния . Он эффективен только при температуре ниже 30 ° C, но его можно использовать с различными материалами, поскольку он химически довольно инертен. К раствору добавляют сульфат натрия до тех пор, пока кристаллы не перестанут слипаться; два видеоклипа (см. выше) демонстрируют, как кристаллы слипаются, когда они еще влажные, но некоторые кристаллы текут свободно, когда образец высыхает.

Глауберова соль, декагидрат, используется как слабительное . Он эффективен для выведения из организма некоторых лекарств, таких как парацетамол (ацетаминофен), например, после передозировки. [26] [27]

В 1953 году сульфат натрия был предложен для аккумулирования тепла в системах пассивного солнечного отопления . Это позволяет использовать его необычные свойства растворимости и высокую теплоту кристаллизации (78,2 кДж / моль). [28]

Другие применения сульфата натрия включают размораживание окон, производство крахмала , в качестве добавки к освежителям ковров и в качестве добавки к корму для крупного рогатого скота.

По крайней мере, одна компания, Thermaltake, производит охлаждающий коврик для портативных компьютеров (iXoft Notebook Cooler), используя декагидрат сульфата натрия внутри стеганой пластиковой прокладки. Материал медленно превращается в жидкость и рециркулирует, выравнивая температуру ноутбука и действуя как изоляция. [29]

Хотя сульфат натрия обычно считается нетоксичным [22], с ним следует обращаться осторожно. Пыль может вызвать временную астму или раздражение глаз; этот риск можно предотвратить, используя защитные очки и бумажную маску. Транспортировка не ограничена, и фраза риска или фраза безопасности не применяются. [30]

  1. ^ Национальный центр биотехнологической информации. Краткое описание соединения PubChem для CID 24436, сульфат натрия. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Sodium-sulfate . Доступ 2 ноября 2020 г.
  2. ^ Захариасен, WH; Циглер, Г.Е. (1932). «Кристаллическая структура безводного сульфата натрия Na2SO4». Zeitschrift für Kristallographie, Kristallgeometrie, Kristallphysik, Kristallchemie . Висбаден: Akademische Verlagsgesellschaft. 81 : 92–101. DOI : 10.1524 / zkri.1932.81.1.92 . S2CID  102107891 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Гельмольд Плессен (2000). «Сульфаты натрия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a24_355 . ISBN 978-3527306732.
  4. ^ Шидло, Збигнев (1994). Вода, не смачивающая руки: Алхимия Михаила Сендивогия . Лондон – Варшава: Польская академия наук.
  5. ^ Вестфол, Ричард С. (1995). «Глаубер, Иоганн Рудольф» . Проект Галилео. Архивировано 18 ноября 2011 года.
  6. ^ Афталион, Фред (1991). История международной химической промышленности . Филадельфия: Пенсильванский университет Press. С. 11–16. ISBN 978-0-8122-1297-6.
  7. ^ Справочник по химии и физике (71-е изд.). Анн-Арбор,Мичиган:CRC Press. 1990 г.
  8. ^ Индекс Merck (7-е изд.). Рэуэй, Нью-Джерси, США: Merck & Co., 1960.
  9. ^ Нечамкин, Ховард (1968). Химия элементов . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл .
  10. ^ Липсон, Генри ; Биверс, Калифорния (1935 г.). «Кристаллическая структура квасцов» . Труды Королевского общества А . 148 (865): 664–80. Bibcode : 1935RSPSA.148..664L . DOI : 10.1098 / RSPA.1935.0040 .
  11. ^ Гаррет, Дональд Э. (2001). Сульфат натрия: справочник по месторождениям, обработке, свойствам и применению . Сан-Диего: Academic Press. ISBN 978-0-12-276151-5.
  12. ^ Меллор, Джозеф Уильям (1961). Подробный трактат Меллора по неорганической и теоретической химии . Том II (под ред. Нового впечатления). Лондон: Лонгманс. С. 656–673. ISBN 978-0-582-46277-9. |volume=имеет дополнительный текст ( справка )
  13. ^ Linke, W. F .; А. Зайдель (1965). Растворимость неорганических и металлоорганических соединений (4-е изд.). Ван Ностранд. ISBN 978-0-8412-0097-5.
  14. ^ Хелена В. Рубен, Дэвид Х. Темплтон, Роберт Д. Розенштейн, Ивар Оловссон, «Кристаллическая структура и энтропия декагидрата сульфата натрия», J. Am. Chem. Soc. 1961 г., том 83, стр. 820–824. DOI : 10.1021 / ja01465a019 .
  15. ^ Brodale, G .; В. Ф. Джиуке (1958). «Теплота гидратации сульфата натрия. Низкотемпературная теплоемкость и энтропия декагидрата сульфата натрия». Журнал Американского химического общества . 80 (9): 2042–2044. DOI : 10.1021 / ja01542a003 .
  16. ^ Б с д е е г ч I Суреш, Бала; Казутеру Йокосе (май 2006 г.). Сульфат натрия . Отчет о маркетинговых исследованиях CEH . Цюрих: Справочник по химической экономике SRI Consulting. pp. 771.1000A – 771.1002J. Архивировано 14 марта 2007 года.
  17. ^ а б в «Статистический сборник сульфата натрия» . Рестон, Вирджиния: Геологическая служба США , информация о полезных ископаемых. 1997. Архивировано 07 марта 2007 года . Проверено 22 апреля 2007 .
  18. ^ а б Экономика сульфата натрия (Восьмое изд.). Лондон: Информационные службы Роскилла. 1999 г.
  19. ^ Производство сульфата натрия . Лондон: Chem Systems International. Ноябрь 1984 г.
  20. ^ Баттс, Д. (1997). Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . v22 (4-е изд.). С. 403–411.
  21. ^ Смук, Гэри (2002). Справочник для технологов целлюлозы и бумаги . п. 143. Архивировано 7 августа 2016 года.
  22. ^ а б «Сульфат натрия (серия пищевых добавок ВОЗ 44)» . Всемирная организация здравоохранения . 2000. Архивировано 4 сентября 2007 года . Проверено 6 июня 2007 .
  23. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала на 2015-09-24 . Проверено 19 июня 2014 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  24. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала на 2015-09-24 . Проверено 19 июня 2014 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ) стр.8
  25. ^ Фогель, Артур I .; Б.В. Смит; Н. М. Уолдрон (1980). Элементарная практическая органическая химия Фогеля 1 Препараты (3-е изд.). Лондон: Longman Scientific & Technical.
  26. ^ Коккетто, DM; Г. Леви (1981). «Абсорбция перорально введенного сульфата натрия у людей». J Pharm Sci . 70 (3): 331–3. DOI : 10.1002 / jps.2600700330 . PMID  7264905 .
  27. ^ Прескотт, LF; Critchley, JAJH (1979). «Лечение отравления ацетаминофеном». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 23 : 87–101. DOI : 10.1146 / annurev.pa.23.040183.000511 . PMID  6347057 .
  28. ^ Телкес, Мария (1953). Улучшения в устройстве и составе вещества для аккумулирования тепла или относящиеся к нему . Патент Великобритании № GB694553 .
  29. ^ «Спецификация IXoft» . Thermaltake Technology Co., Ltd. Архивировано 12 марта 2016 года . Проверено 15 августа 2015 .
  30. ^ «MSDS сульфат натрия безводный» . Джеймс Т. Бейкер. 2006. Архивировано 19 июня 2003 года . Проверено 21 апреля 2007 .

  • Калькуляторы: поверхностное натяжение , плотность, молярность и моляльность водного раствора сульфата натрия.