stringtranslate.com

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. При годовом производстве 6 миллионов тонн декагидрат является основным товарным химическим продуктом. В основном он используется в качестве наполнителя при производстве порошкообразных домашних стиральных порошков и в крафт-процессе целлюлозной массы для получения сильнощелочных сульфидов . [3]

Формы

История

Декагидрат сульфата натрия известен как глауберова соль в честь голландско - немецкого химика и аптекаря Иоганна Рудольфа Глаубера (1604–1670), который обнаружил его в австрийской родниковой воде в 1625 году. Он назвал ее sal mirabilis (чудесная соль) из-за ее содержания. лечебные свойства: кристаллы использовались в качестве слабительного средства общего назначения , пока в 1900-х годах не появились более сложные альтернативы. [4] [5] Однако позже Й. Кункель утверждал, что он был известен как секретное лекарство в Саксонии уже в середине 16 века. [6]

В XVIII веке глауберову соль стали использовать как сырье для промышленного производства кальцинированной соды ( карбоната натрия ), путем реакции с поташем ( карбонатом калия ). Спрос на кальцинированную соду увеличился, и соответственно пришлось увеличить предложение сульфата натрия. Поэтому в 19 веке крупномасштабный процесс Леблана , производящий синтетический сульфат натрия в качестве ключевого промежуточного продукта, стал основным методом производства кальцинированной соды. [7]

Химические свойства

Сульфат натрия представляет собой типичный ионный сульфат с электростатическими связями. На существование свободных сульфат-ионов в растворах 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 и восстановителей . При высоких температурах его можно превратить в сульфид натрия путем карботермического восстановления (также известного как термохимическая сульфатредукция (ТСР), высокотемпературное нагревание углем и т. д.): [8]

Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Эта реакция была использована в процессе Леблана , несуществующем промышленном пути получения карбоната натрия .

Сульфат натрия реагирует с серной кислотой с образованием кислой соли бисульфата натрия : [9] [10]

Na 2 SO 4 + H 2 SO 4 ⇌ 2 NaHSO 4

Сульфат натрия проявляет умеренную склонность к образованию двойных солей . Единственными квасцами , образующимися с обычными трехвалентными металлами, являются NaAl(SO 4 ) 2 (нестабилен при температуре выше 39 °C) и NaCr(SO 4 ) 2 , в отличие от сульфата калия и сульфата аммония , которые образуют множество стабильных квасцов. [11] Известны двойные соли с некоторыми другими сульфатами щелочных металлов, включая Na 2 SO 4 ·3K 2 SO 4 , который встречается в природе в виде минерала афтиталита . Образование глазерита реакцией сульфата натрия с хлоридом калия положено в основу способа получения удобрения - сульфата калия . [12] Другие двойные соли включают 3Na 2 SO 4 ·CaSO 4 , 3Na 2 SO 4 ·MgSO 4 (вантоффит) и NaF · Na 2 SO 4 . [13]

Физические свойства

Сульфат натрия имеет необычные характеристики растворимости в воде. [14] Его растворимость в воде увеличивается более чем в десять раз в диапазоне от 0 ° C до 32,384 ° C, где она достигает максимума 49,7 г/100 мл. В этот момент кривая растворимости меняет наклон, и растворимость становится практически 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

Состав

Кристаллы декагидрата состоят из ионов [Na(OH 2 ) 6 ] + с октаэдрической молекулярной геометрией . Эти октаэдры имеют общие ребра, так что 8 из 10 молекул воды связаны с натрием, а 2 других являются межузельными, образуя водородные связи с сульфатом. Эти катионы связаны с сульфат-анионами водородными связями . Расстояния Na–O составляют около 240  пм . [15] Кристаллический декагидрат сульфата натрия также необычен среди гидратированных солей, поскольку имеет измеримую остаточную энтропию (энтропию при абсолютном нуле ) 6,32 Дж/(К·моль). Это объясняется его способностью распределять воду гораздо быстрее по сравнению с большинством гидратов. [16]

Производство

Мировое производство сульфата натрия, почти исключительно в форме декагидрата, составляет примерно 5,5–6 миллионов тонн в год (Мт/год). В 1985 году добыча составляла 4,5 млн тонн в год, половина из природных источников и половина из химического производства. После 2000 г., на стабильном уровне до 2006 г., естественная добыча увеличилась до 4 млн т/год, а химическая снизилась до 1,5-2 млн т/год, всего 5,5-6 млн т/год. [17] [18] [19] [20] Для всех применений сульфат натрия, полученный естественным и химическим путем, практически взаимозаменяемы.

Природные источники

Две трети мирового производства декагидрата (глауберовой соли) происходит из природного минерала мирабилита , например, обнаруженного на дне озер на юге Саскачевана . В 1990 году Мексика и Испания были основными производителями природного сульфата натрия в мире (около 500 000  тонн каждый ), а Россия , США и Канада — около 350 000 тонн каждый. [18] Природные ресурсы оцениваются более чем в 1 миллиард тонн. [17] [18]

Основными производителями от 200 000 до 1 500 000 тонн в год в 2006 году были 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 известные как Grupo Crimidesa (Бургос, Испания), Minera de Santa Marta (Толедо, Испания), Sulquisa (Мадрид, Испания), Chengdu Sanlian Tianquan Chemical ( уезд Тяньцюань , Сычуань, Китай), Hongze Yinzhu Chemical Group ( район Хунцзе , Цзянсу, Китай), Nafine Chemical Industry Group  [zh] (Шаньси, Китай), провинция Сычуань Chuanmei Mirabilite (万胜镇 [zh] , район Дунпо , Мэйшань , Сычуань, Китай) и АО «Кучуксульфат» (Алтайский край, Сибирь, Россия). [17] [19]

Безводный сульфат натрия встречается в засушливых средах в виде минерала тенардита . Во влажном воздухе он медленно превращается в мирабилит. Сульфат натрия также встречается в виде глауберита , минерала сульфата кальция и натрия. Оба минерала менее распространены, чем мирабилит. [ нужна цитата ]

Химическая индустрия

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

Наиболее важное химическое производство сульфата натрия происходит при производстве соляной кислоты либо из хлорида натрия (соли) и серной кислоты в Мангеймском процессе , либо из диоксида серы в процессе Харгривса . [21] Получающийся в результате этих процессов сульфат натрия известен как соляной пирог .

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

Вторым крупным производством сульфата натрия являются процессы, в которых избыток гидроксида натрия нейтрализуется серной кислотой с получением сульфата ( SO2-4) с использованием сульфата меди (CuSO 4 ) (который исторически широко применялся при производстве вискозы с использованием гидроксида меди (II) ). 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 (высоко экзотермический)

В лаборатории его также можно синтезировать реакцией бикарбоната натрия и сульфата магния путем осаждения карбоната магния .

2 NaHCO 3 + MgSO 4 → Na 2 SO 4 + MgCO 3 + CO 2 + H 2 O

Однако, поскольку коммерческие источники легко доступны, лабораторный синтез практикуется нечасто. Раньше сульфат натрия также был побочным продуктом производства дихромата натрия , когда серную кислоту добавляют к раствору хромата натрия с образованием дихромата натрия или, впоследствии, хромовой кислоты. Альтернативно, сульфат натрия образуется или образовывался при производстве карбоната лития , хелатирующих агентов , резорцина , аскорбиновой кислоты , кремнеземных пигментов, азотной кислоты и фенола . [17]

Сульфат натрия обычно очищают в декагидратной форме, поскольку безводная форма имеет тенденцию притягивать соединения железа и органические соединения . Безводную форму легко получить из гидратной формы путем осторожного нагревания.

Крупнейшие производители побочных продуктов сульфата натрия с объемом производства 50–80 млн тонн в год в 2006 году включают Elementis Chromium (хромовая промышленность, Касл-Хейн, Северная Каролина, США), Lenzing AG (200 млн тонн в год, районная промышленность, Ленцинг, Австрия), Addiseo (ранее называвшаяся «Родиа», метиониновая промышленность, Ле-Рош-Руссильон, Франция), «Элементис» (хромовая промышленность, Стоктон-он-Тис, Великобритания), «Сикоку Кемикалс» (Токусима, Япония) и «Виско-Р» (искусственная промышленность, Россия). [17]

Приложения

Сульфат натрия используется для сушки органических жидкостей. Здесь образуются комки, свидетельствующие о наличии воды в органической жидкости.
При дальнейшем применении сульфата натрия жидкость можно довести до сухости, на что указывает отсутствие комков.

Сырьевые отрасли

При цене в США в 30 долларов за тонну в 1970 году, до 90 долларов за тонну за соленый шрот и до 130 долларов за тонну более высокого качества, сульфат натрия является очень дешевым материалом. Наибольшее использование — в качестве наполнителя в порошкообразных моющих средствах для домашней стирки , на которые приходится около 50% мирового производства. Это использование сокращается, поскольку отечественные потребители все чаще переходят на компактные или жидкие моющие средства, не содержащие сульфат натрия. [17]

Производство бумаги

Еще одно важное применение сульфата натрия, особенно в США и Канаде, — это крафт- процесс производства древесной массы . Органические вещества, присутствующие в «черном щелоке» в результате этого процесса, сжигаются для получения тепла, необходимого для восстановления сульфата натрия до сульфида натрия . Однако благодаря достижениям в области термической эффективности процесса крафт-регенерации в начале 1960-х годов была достигнута более эффективная регенерация серы, и потребность в подпитке сульфатом натрия резко сократилась. [22] Таким образом, использование сульфата натрия в целлюлозной промышленности США и Канады снизилось с 1 400 000 тонн в год в 1970 году до лишь прибл. 150 000 тонн в 2006 году. [17]

Производство стекла

Стекольная промышленность обеспечивает еще одно важное применение сульфата натрия, занимая второе место по объему применения в Европе . Сульфат натрия используется в качестве осветлителя , помогающего удалить мелкие пузырьки воздуха из расплавленного стекла. Он флюсует стекло и предотвращает образование накипи в расплаве стекла во время рафинирования. Стекольная промышленность Европы с 1970 по 2006 год потребляла стабильные 110 000 тонн в год. [17]

Текстиль

Сульфат натрия важен при производстве текстиля , особенно в Японии, где он применяется наиболее широко. Сульфат натрия добавляется для увеличения ионной силы раствора и, таким образом, помогает «выравнивать», то есть уменьшать отрицательные электрические заряды на текстильных волокнах, чтобы красители могли проникать равномерно (см. теорию диффузного двойного слоя (DDL), разработанную Гуи и Чепмен ). В отличие от альтернативного хлорида натрия , он не разъедает сосуды из нержавеющей стали , используемые при крашении. Это приложение в Японии и США потребляло в 2006 году около 100 000 тонн. [17]

Пищевая промышленность

Сульфат натрия используется в качестве разбавителя пищевых красителей. [23] Он известен как добавка к номеру E E514 .

Аккумулирование тепла

Высокая способность аккумулирования тепла при фазовом переходе от твердого состояния к жидкому, а также выгодная температура фазового перехода 32 °C (90 °F) делают этот материал особенно подходящим для хранения низкопотенциального солнечного тепла для последующего использования в системах отопления помещений. В некоторых случаях материал включается в термоплитки, которые размещаются на чердаке, в то время как в других случаях соль включается в ячейки, окруженные водой, нагретой солнцем. Фазовый переход позволяет существенно уменьшить массу материала, необходимую для эффективного хранения тепла (теплота плавления декагидрата сульфата натрия составляет 82 кДж/моль или 252 кДж/кг [24] ), с дополнительным преимуществом консистенции температуре до тех пор, пока доступно достаточное количество материала в соответствующей фазе.

Для охлаждения смесь с обычной солью хлорида натрия (NaCl) снижает температуру плавления до 18 ° C (64 ° F). Теплота плавления NaCl·Na 2 SO 4 ·10H 2 O действительно несколько увеличивается до 286 кДж/кг. [25]

Малые приложения

В лаборатории безводный сульфат натрия широко используется как инертный осушающий агент , для удаления следов воды из органических растворов. [26] Он более эффективен, но действует медленнее, чем аналогичный препарат сульфат магния . Он эффективен только при температуре ниже 30 °C, но его можно использовать с различными материалами, поскольку он химически достаточно 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 свободно текут, когда образец высыхает.

Глауберова соль, декагидрат, используется как слабительное средство . Он эффективен для выведения из организма некоторых лекарств, например, парацетамола (ацетаминофена); таким образом, его можно использовать после передозировки. [27] [28]

В 1953 году сульфат натрия был предложен для хранения тепла в пассивных солнечных системах отопления. При этом используются его необычные свойства растворимости и высокая теплота кристаллизации ( 78,2 кДж/моль). [29]

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

По крайней мере, одна компания, Thermaltake, производит охлаждающий коврик для ноутбука (iXoft Notebook Cooler), используя декагидрат сульфата натрия внутри стеганой пластиковой прокладки. Материал медленно превращается в жидкость и циркулирует, выравнивая температуру ноутбука и действуя как изоляция. [30]

Безопасность

Хотя сульфат натрия обычно считается нетоксичным, [23] с ним следует обращаться осторожно. Пыль может вызвать временную астму или раздражение глаз; этот риск можно предотвратить, используя средства защиты глаз и бумажную маску. Транспортировка не ограничена, и не применяются никакие фразы риска или фразы безопасности . [31]

Рекомендации

  1. ^ Национальный центр биотехнологической информации. Краткое описание соединений PubChem для CID 24436, Сульфат натрия. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Sodium-sulfate. По состоянию на 2 ноября 2020 г.
  2. ^ Захариасен WH, Циглер GE (1932). «Кристаллическая структура безводного сульфата натрия Na2SO4». Zeitschrift für Kristallographie, Kristallgeometry, Kristallphysik, Kristallchemie . Висбаден: Akademische Verlagsgesellschaft . 81 (1–6): 92–101. дои :10.1524/zkri.1932.81.1.92. S2CID  102107891.
  3. ^ Гельмольд Плессен (2000). «Сульфаты натрия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a24_355. ISBN 978-3527306732.
  4. ^ Шидло, Збигнев (1994). Вода, которая не смачивает руки: Алхимия Михаила Сендивогия . Лондон – Варшава: Польская академия наук.
  5. ^ Вестфолл, Ричард С. (1995). «Глаубер, Иоганн Рудольф». Проект Галилео. Архивировано из оригинала 18 ноября 2011 г.
  6. ^ Чисхолм, Хью , изд. (1911). «Глауберова соль». Британская энциклопедия (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. 
  7. ^ Афталион, Фред (1991). История международной химической промышленности . Филадельфия: Издательство Пенсильванского университета. стр. 11–16. ISBN 978-0-8122-1297-6.
  8. ^ Справочник по химии и физике (71-е изд.). Анн-Арбор, Мичиган: CRC Press . 1990. ISBN 9780849304712.
  9. ^ Индекс Merck (7-е изд.). Рэуэй, Нью-Джерси, США: Merck & Co., 1960.
  10. ^ Нечамкин, Ховард (1968). Химия элементов . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл .
  11. ^ Липсон, Генри ; Биверс, Калифорния (1935). «Кристаллическая структура квасцов». Труды Королевского общества А. 148 (865): 664–80. Бибкод : 1935RSPSA.148..664L. дои : 10.1098/rspa.1935.0040 .
  12. ^ Гарретт, Дональд Э. (2001). Сульфат натрия: справочник по месторождениям, переработке, свойствам и использованию . Сан-Диего: Академическая пресса. ISBN 978-0-12-276151-5.
  13. ^ Меллор, Джозеф Уильям (1961). Всеобъемлющий трактат Меллора по неорганической и теоретической химии . Том. II (новое впечатление, ред.). Лондон: Лонгманс. стр. 656–673. ISBN 978-0-582-46277-9.
  14. ^ Линке, WF; А. Зейделл (1965). Растворимость неорганических и металлоорганических соединений (4-е изд.). Ван Ностранд. ISBN 978-0-8412-0097-5.
  15. ^ Хелена В. Рубен, Дэвид Х. Темплтон, Роберт Д. Розенштейн, Ивар Оловссон, «Кристаллическая структура и энтропия декагидрата сульфата натрия», J. Am. хим. Соц. 1961, том 83, стр. 820–824. дои : 10.1021/ja01465a019.
  16. ^ Бродейл, Г.; В. Ф. Джаук (1958). «Теплота гидратации сульфата натрия. Низкотемпературная теплоемкость и энтропия декагидрата сульфата натрия». Журнал Американского химического общества . 80 (9): 2042–2044. дои : 10.1021/ja01542a003.
  17. ^ abcdefghi Суреш, Бала; Кадзутеру Ёкосе (май 2006 г.). Сульфат натрия. Цюрих: Справочник по химической экономике SRI Consulting. стр. 771.1000A–771.1002J. Архивировано из оригинала 14 марта 2007 г. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
  18. ^ abc «Статистический сборник Сульфат натрия». Рестон, Вирджиния: Геологическая служба США , Информация о полезных ископаемых. 1997. Архивировано из оригинала 7 марта 2007 г. Проверено 22 апреля 2007 г.
  19. ^ ab Экономика сульфата натрия (Восьмое изд.). Лондон: Информационные службы Роскилла. 1999.
  20. ^ Бизнес по производству сульфата натрия . Лондон: Chem Systems International. Ноябрь 1984 года.
  21. ^ Баттс, Д. (1997). Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . Том. v22 (4-е изд.). стр. 403–411.
  22. ^ Смук, Гэри (2002). Справочник для технологов целлюлозно-бумажной промышленности. п. 143. Архивировано из оригинала 7 августа 2016 г.
  23. ^ ab «Сульфат натрия (серия ВОЗ по пищевым добавкам 44)» . Всемирная организация здравоохранения . 2000. Архивировано из оригинала 4 сентября 2007 г. Проверено 6 июня 2007 г.
  24. ^ «Материалы с фазовым переходом для низкотемпературных солнечных тепловых установок» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 19 июня 2014 г.
  25. ^ «Материалы с фазовым переходом для низкотемпературных солнечных тепловых установок» (PDF) . п. 8. Архивировано (PDF) из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 19 июня 2014 г.
  26. ^ Фогель, Артур И.; Б.В. Смит; Н. М. Уолдрон (1980). Элементарная практическая органическая химия Фогеля 1. Препараты (3-е изд.). Лондон: Longman Scientific & Technical.
  27. ^ Коккетто, DM; Г. Леви (1981). «Абсорбция перорально принимаемого сульфата натрия у человека». J Pharm Sci . 70 (3): 331–3. дои : 10.1002/jps.2600700330. ПМИД  7264905.
  28. ^ Прескотт, LF; Кричли, JAJH (1979). «Лечение отравления ацетаминофеном». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 23 : 87–101. doi : 10.1146/annurev.pa.23.040183.000511. ПМИД  6347057.
  29. ^ Телкес, Мария (1953). Усовершенствования устройства и состава вещества для хранения тепла или относящиеся к нему. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
  30. ^ «Спецификация IXoft» . Thermaltake Technology Co., Ltd. Архивировано из оригинала 12 марта 2016 г. Проверено 15 августа 2015 г.
  31. ^ "Безводный сульфат натрия" . Джеймс Т. Бейкер. 2006. Архивировано из оригинала 19 июня 2003 г. Проверено 21 апреля 2007 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )

Внешние ссылки