stringtranslate.com

Карбонат натрия

Карбонат натрия (также известный как стиральная сода , кальцинированная сода и кристаллы соды ) — неорганическое соединение с формулой Na2CO3 и его различные гидраты . Все формы представляют собой белые , не имеющие запаха, водорастворимые соли, которые дают щелочные растворы в воде. Исторически он извлекался из золы растений, выращенных на богатых натрием почвах, и поскольку зола этих богатых натрием растений заметно отличалась от золы древесины (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 способу Сольве , а также путем карбонизации гидроксида натрия, который производится с использованием хлорщелочного процесса .

Гидраты

Карбонат натрия получают в виде трех гидратов и безводной соли:

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, давая моногидрат. Сообщалось о других гидратах, например, с 2,5 единицами воды на единицу карбоната натрия («пентагемигидрат»). [14]

Стиральная сода

Декагидрат карбоната натрия ( Na2CO3 · 10H2O ), также известный как стиральная сода, является наиболее распространенным гидратом карбоната натрия, содержащим 10 молекул кристаллизационной воды . Кальцинированную соду растворяют в воде и кристаллизуют для получения стиральной соды.

Это один из немногих карбонатов металлов , растворимых в воде.

Приложения

Некоторые распространенные области применения карбоната натрия включают:

Производство стекла

Карбонат натрия служит флюсом для кремнезема ( SiO 2 , температура плавления 1713 °C), понижая температуру плавления смеси до чего-то достижимого без специальных материалов. Это «натриевое стекло» слабо растворяется в воде, поэтому в расплавленную смесь добавляют немного карбоната кальция , чтобы сделать стекло нерастворимым. Бутылочное и оконное стекло (« натриево-известковое стекло » с температурой перехода ~570 °C) изготавливается путем плавления таких смесей карбоната натрия, карбоната кальция и кварцевого песка ( диоксида кремния (SiO 2 )). При нагревании этих материалов карбонаты выделяют углекислый газ. Таким образом, карбонат натрия является источником оксида натрия. Натриево-известковое стекло было наиболее распространенной формой стекла на протяжении столетий. Оно также является ключевым сырьем для производства стеклянной посуды. [15]

Умягчение воды

Жесткая вода обычно содержит ионы кальция или магния. Карбонат натрия используется для удаления этих ионов и замены их ионами натрия. [16]

Карбонат натрия является водорастворимым источником карбоната. Ионы кальция и магния образуют нерастворимые твердые осадки при обработке ионами карбоната :

Са2 + + СО22−3 → CaCO3 ( т)

Вода смягчается, поскольку она больше не содержит растворенных ионов кальция и ионов магния. [16]

Пищевая добавка и кулинария

Карбонат натрия имеет несколько применений в кулинарии, в основном потому, что он является более сильным основанием, чем пищевая сода ( бикарбонат натрия ), но слабее, чем щелок (который может относиться к гидроксиду натрия или, реже, гидроксиду калия ). Щелочность влияет на выработку клейковины в замешанном тесте, а также улучшает потемнение, снижая температуру, при которой происходит реакция Майяра . Чтобы воспользоваться первым эффектом, карбонат натрия является одним из компонентов кансуй (かん水) , раствора щелочных солей, используемого для придания японской лапше рамен их характерного вкуса и жевательной текстуры; аналогичный раствор используется в китайской кухне для приготовления лагмана по аналогичным причинам. Кантонские пекари аналогичным образом используют карбонат натрия в качестве замены щелочной воды, чтобы придать лунным пряникам их характерную текстуру и улучшить потемнение. В немецкой кухне (и в центральноевропейской кухне в целом) хлеб, такой как крендели и булочки со щелоком, традиционно обрабатываемые щелоком для улучшения потемнения, можно вместо этого обработать карбонатом натрия; Карбонат натрия не дает такого сильного потемнения, как щелок, но с ним гораздо безопаснее и проще работать. [18]

Карбонат натрия используется в производстве порошка для щербета . Ощущение охлаждения и шипения возникает в результате эндотермической реакции между карбонатом натрия и слабой кислотой, обычно лимонной , с выделением углекислого газа, что происходит, когда щербет смачивается слюной.

Карбонат натрия также находит применение в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки (E500) как регулятор кислотности, антислеживатель , разрыхлитель и стабилизатор. Он также используется в производстве снюса для стабилизации pH конечного продукта.

Хотя вероятность возникновения химических ожогов у него ниже, чем у щелочи, при работе с карбонатом натрия на кухне все равно следует соблюдать осторожность, поскольку он вызывает коррозию алюминиевой посуды, столовых приборов и фольги. [19]

Другие приложения

Карбонат натрия также используется как относительно сильное основание в различных областях. Как обычная щелочь, он предпочтителен во многих химических процессах, поскольку он дешевле гидроксида натрия и гораздо безопаснее в обращении. Его мягкость особенно рекомендует его использование в бытовых целях.

Например, он используется в качестве регулятора pH для поддержания стабильных щелочных условий, необходимых для действия большинства проявителей фотопленки . Он также является распространенной добавкой в ​​воде бассейнов и аквариумов для поддержания желаемого pH и карбонатной жесткости (KH). При окрашивании волокнисто-реактивными красителями карбонат натрия (часто под названием фиксатор кальцинированной соды или активатор кальцинированной соды) используется для обеспечения надлежащей химической связи красителя с целлюлозными (растительными) волокнами, как правило, перед окрашиванием (для tie dye), в смеси с красителем (для окраски красителем) или после окрашивания (для иммерсионного окрашивания). Он также используется в процессе пенной флотации для поддержания благоприятного pH в качестве флотационного кондиционера наряду с CaO и другими слабощелочными соединениями.

Предшественник других соединений

Бикарбонат натрия (NaHCO 3 ) или пищевая сода, также являющаяся компонентом огнетушителей, часто образуется из карбоната натрия. Хотя NaHCO 3 сам по себе является промежуточным продуктом процесса Сольве, нагревание, необходимое для удаления аммиака, который его загрязняет, разлагает часть NaHCO 3 , что делает более экономичным реагирование готового Na 2 CO 3 с CO 2 :

Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O → 2NaHCO 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

Такое применение стало более распространенным, особенно там, где на станциях необходимо соблюдать строгие требования по контролю выбросов.

Карбонат натрия используется в хлопковой промышленности для нейтрализации серной кислоты, необходимой для кислотного удаления пуха с ворсистых семян хлопка.

Его также используют для образования карбонатов других металлов путем ионного обмена, часто с сульфатами других металлов.

Разнообразный

Карбонат натрия используется в кирпичной промышленности в качестве смачивающего агента для уменьшения количества воды, необходимой для выдавливания глины. В литье его называют «связующим агентом» и используют для того, чтобы позволить влажному альгинату прилипнуть к гелеобразному альгинату. Карбонат натрия используется в зубных пастах, где он действует как пенообразователь и абразив, а также для временного повышения pH полости рта.

Карбонат натрия также используется при обработке и дублении шкур животных. [20]

Физические свойства

Интегральная энтальпия раствора карбоната натрия составляет −28,1 кДж/моль для 10%-ного водного раствора. [21] Твердость по Моосу моногидрата карбоната натрия составляет 1,3. [6]

Распространение в виде природного минерала

Структура моногидрата при 346 К

Карбонат натрия растворим в воде и может встречаться в природе в засушливых регионах, особенно в минеральных отложениях ( эвапоритах ), образующихся при испарении сезонных озер. Месторождения минерала натрона добывались со дна сухих озер в Египте с древних времен, когда натрон использовался при изготовлении мумий и в раннем производстве стекла.

Безводная минеральная форма карбоната натрия встречается довольно редко и называется нитритом. Карбонат натрия также извергается из Ol Doinyo Lengai , уникального вулкана Танзании, и предполагается, что он извергался из других вулканов в прошлом, но из-за нестабильности этих минералов на поверхности Земли, вероятно, подвергается эрозии. Все три минералогические формы карбоната натрия, а также трона , тринатрийгидрогендикарбонатдигидрат, также известны из ультращелочных пегматитовых пород , которые встречаются, например, на Кольском полуострове в России.

За пределами Земли известный карбонат натрия встречается редко. Отложения были идентифицированы как источник ярких пятен на Церере , внутренний материал, который был вынесен на поверхность. [22] Хотя на Марсе есть карбонаты , и ожидается, что они включают карбонат натрия, [23] отложения еще не подтверждены, некоторые объясняют это отсутствие глобальным доминированием низкого pH в ранее водной марсианской почве . [24]

Производство

Первая крупномасштабная химическая процедура была разработана в Англии в 1823 году для производства кальцинированной соды. [17]

Добыча полезных ископаемых

Трона , также известная как тринатрийгидрокарбонатдигидрат ( Na3HCO3CO3 · 2H2O ), добывается в нескольких районах США и обеспечивает почти все потребление карбоната натрия в США. Крупные природные месторождения, обнаруженные в 1938 году, такие как месторождение около Грин -Ривер, штат Вайоминг , сделали добычу более экономичной, чем промышленное производство в Северной Америке. В Турции имеются значительные запасы троны; [25] из запасов около Анкары было извлечено два миллиона тонн кальцинированной соды.

Барилла и водоросли

Несколько видов растений « галофитов » (устойчивых к соли) и морских водорослей могут быть обработаны для получения неочищенной формы карбоната натрия, и эти источники преобладали в Европе и других местах до начала 19 века. Наземные растения (обычно солянки или солянки ) или морские водоросли (обычно виды фукуса ) собирали, высушивали и сжигали. Затем золу « выщелачивали » (промывали водой) для образования щелочного раствора. Этот раствор выпаривали досуха, чтобы создать конечный продукт, который назывался «кальцинированная сода»; это очень старое название происходит от арабского слова soda , в свою очередь применяемого к Salsola soda , одному из многих видов прибрежных растений, собираемых для производства. «Barilla» — это коммерческий термин, применяемый к неочищенной форме поташа , полученного из прибрежных растений или ламинарии . [26]

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 , производимой из солянок в Испании. Растительные и водорослевые источники кальцинированной соды, а также связанной с ней щелочи « поташ », становились все более недостаточными к концу XVIII века, и поиск коммерчески выгодных путей синтеза кальцинированной соды из соли и других химикатов усилился. [27]

процесс Леблана

В 1792 году французский химик Николя Леблан запатентовал процесс получения карбоната натрия из соли, серной кислоты , известняка и угля. На первом этапе хлорид натрия обрабатывается серной кислотой в процессе Мангейма . В результате этой реакции получается сульфат натрия ( соляной пирог ) и хлористый водород :

2NaCl + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + 2HCl

Соляной пирог и измельченный известняк ( карбонат кальция ) были восстановлены путем нагревания с углем . [15] Это преобразование включает в себя две части. Первая - это карботермическая реакция , в которой уголь, источник углерода , восстанавливает сульфат до сульфида :

Na 2 SO 4 + 2C → Na 2 S + 2CO 2

Вторая стадия — реакция получения карбоната натрия и сульфида кальция :

Na 2 S + CaCO 3 → Na 2 CO 3 + CaS

Эта смесь называется черной золой . Кальцинированная сода извлекается 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 представлял проблемы утилизации отходов. Тем не менее, это оставалось основным методом производства карбоната натрия до конца 1880-х годов. [27] [28]

процесс Сольвея

В 1861 году бельгийский промышленный химик Эрнест Сольве разработал метод получения карбоната натрия путем первой реакции хлорида натрия , аммиака , воды и диоксида углерода для получения бикарбоната натрия и хлорида аммония : [15]

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

Полученный бикарбонат натрия затем путем нагревания преобразовывали в карбонат натрия, выделяя воду и диоксид углерода:

2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Тем временем аммиак регенерировали из побочного продукта хлорида аммония путем обработки его известью ( оксидом кальция ), оставшейся после получения диоксида углерода:

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

Процесс Сольвея перерабатывает аммиак. Он потребляет только рассол и известняк, а хлорид кальция является его единственным отходом. Процесс существенно более экономичен, чем процесс Леблана, который производит два отхода: сульфид кальция и хлористый водород . Процесс Сольвея быстро стал доминировать в производстве карбоната натрия во всем мире. К 1900 году 90% карбоната натрия производилось процессом Сольвея, а последний завод по процессу Леблана закрылся в начале 1920-х годов. [15]

Второй этап процесса Сольве, нагревание бикарбоната натрия, используется в небольших масштабах домашними поварами и в ресторанах для приготовления карбоната натрия для кулинарных целей (включая крендели и щелочную лапшу ). Этот метод привлекателен для таких пользователей, поскольку бикарбонат натрия широко продается как пищевая сода, а требуемые температуры (от 250 °F (121 °C) до 300 °F (149 °C)) для преобразования пищевой соды в карбонат натрия легко достигаются в обычных кухонных печах . [18]

Процесс Хоу

Этот процесс был разработан китайским химиком Хоу Дебангом в 1930-х годах. Более ранний побочный продукт парового риформинга — диоксид углерода — прокачивался через насыщенный раствор хлорида натрия и аммиака для получения бикарбоната натрия посредством следующих реакций:

СН 4 + 2 Н 2 О → СО 2 + 4 Н 2
3H2 + N2 → 2NH3​​​​
NH 3 + CO 2 + H 2 O → NH 4 HCO 3
NH 4 HCO 3 + NaCl → NH 4 Cl + NaHCO 3

Бикарбонат натрия был собран в виде осадка из-за его низкой растворимости, а затем нагрет примерно до 80 °C (176 °F) или 95 °C (203 °F) для получения чистого карбоната натрия, аналогичного последнему этапу процесса Сольве. К оставшемуся раствору хлоридов аммония и натрия добавляют больше хлорида натрия; также в этот раствор закачивают больше аммиака при 30-40 °C. Затем температуру раствора понижают до уровня ниже 10 °C. Растворимость хлорида аммония выше, чем у хлорида натрия при 30 °C и ниже при 10 °C. Из-за этой зависящей от температуры разницы растворимости и эффекта общего иона хлорид аммония осаждается в растворе хлорида натрия.

Китайское название процесса Хоу, lianhe zhijian fa (联合制碱法), означает «связанный щелочной метод производства»: процесс Хоу сопряжен с процессом Хабера и обеспечивает лучшую атомную экономию за счет устранения производства хлорида кальция, поскольку аммиак больше не нужно регенерировать. Побочный продукт хлорид аммония может быть продан в качестве удобрения.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Харпер, JP (1936). Антипов, Евгений; Бисмайер, Ульрих; Хуппертц, Хьюберт; Петричек, Вацлав; Петтген, Райнер; Шмаль, Вольфганг; Тикинк, ERT; Цзоу, Сяодун (ред.). «Кристаллическая структура моногидрата карбоната натрия, Na2CO3. H2O». Zeitschrift für Kristallographie - Кристаллические материалы . 95 (1): 266–273. дои :10.1524/zkri.1936.95.1.266. ISSN  2196-7105 . Проверено 25 июля 2014 г.
  2. ^ abcdefg Лид, Дэвид Р., ред. (2009). CRC Handbook of Chemistry and Physics (90-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press . ISBN 978-1-4200-9084-0.
  3. ^ ab Seidell, Atherton; Linke, William F. (1919). Растворимость неорганических и органических соединений (2-е изд.). Нью-Йорк : D. Van Nostrand Company. стр. 633.
  4. ^ ab Comey, Arthur Messinger; Hahn, Dorothy A. (февраль 1921 г.). Словарь химической растворимости: неорганическая (2-е изд.). Нью-Йорк: The MacMillan Company. С. 208–209.
  5. ^ abcd Анатольевич, Кипер Руслан. "карбонат натрия". chemister.ru . Получено 25.07.2014 .
  6. ^ abc Pradyot, Patnaik (2003). Справочник по неорганическим химикатам . McGraw-Hill. стр. 861. ISBN 978-0-07-049439-8.
  7. ^ abcd Dusek, Michal; Chapuis, Gervais; Meyer, Mathias; Petricek, Vaclav (2003). "Sodium carbone revisited" (PDF) . Acta Crystallographica Section B . 59 (3): 337–352. Bibcode :2003AcCrB..59..337D. doi :10.1107/S0108768103009017. ISSN  0108-7681. PMID  12761404 . Получено 25.07.2014 .
  8. ^ abc Betzel, C.; Saenger, W.; Loewus, D. (1982). "Гептагидрат карбоната натрия". Acta Crystallographica Section B. 38 ( 11): 2802–2804. Bibcode :1982AcCrB..38.2802B. doi :10.1107/S0567740882009996.
  9. ^ abc Sigma-Aldrich Co. , Карбонат натрия. Получено 06.05.2014.
  10. ^ Чемберс, Майкл. «ChemIDplus - 497-19-8 - CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L - Карбонат натрия [NF] - Поиск похожих структур, синонимы, формулы, ссылки на ресурсы и другая химическая информация».
  11. ^ "Паспорт безопасности материала – Карбонат натрия, безводный" (PDF) . conservationsupportsystems.com . ConservationSupportSystems . Получено 25.07.2014 .
  12. ^ "Статистика и информация о кальцинированной соде". Географическая служба США . Получено 2024-03-03 .
  13. ^ TWRichards и AH Fiske (1914). «О температурах перехода температур перехода гидратов карбоната натрия как фиксированных точках в термометрии». Журнал Американского химического общества . 36 (3): 485–490. doi :10.1021/ja02180a003.
  14. ^ А. Пабст. «О гидратах карбоната натрия» (PDF) .
  15. ^ abcde Кристиан Тиме (2000). "Карбонаты натрия". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a24_299. ISBN 978-3527306732.
  16. ^ abc "Показания жесткости воды" (PDF) . Корнелльский центр исследований материалов .
  17. ^ abc Himmelblau, David M.; Riggs, James B. (2022). Основные принципы и расчеты в химической инженерии . Международная серия по физико-химическим наукам (Девятое изд.). Бостон: Pearson. ISBN 978-0-13-732717-1.
  18. ^ ab McGee, Harold (24 сентября 2010 г.). «Для старомодного вкуса запеките пищевую соду». The New York Times . Получено 25 апреля 2019 г.
  19. ^ "Sodium Carbonate". Corrosionpedia . Janalta Interactive . Получено 9 ноября 2020 г. .
  20. ^ "Home Tanning Hides and Furs" (PDF) . Получено 16 апреля 2024 г. .
  21. ^ "Tatachemicals.com/north-america/product/images/fig_2_1.jpg" .
  22. ^ De Sanctis, MC; et al. (29 июня 2016 г.). «Яркие карбонатные отложения как свидетельство водных изменений на (1) Церере». Nature . 536 (7614): 54–57. Bibcode :2016Natur.536...54D. doi :10.1038/nature18290. PMID  27362221. S2CID  4465999.
  23. ^ Джеффри С. Каргель (23 июля 2004 г.). Марс — более теплая и влажная планета. Springer Science & Business Media. стр. 399–. ISBN 978-1-85233-568-7.
  24. ^ Гротцингер, Дж. и Р. Милликен (ред.) 2012. Осадочная геология Марса. SEPM
  25. ^ "Ciner взвешивает возможность продажи доли в $5-миллиардном подразделении по производству кальцинированной соды". Bloomberg.com . 2021-08-09 . Получено 2023-12-04 .
  26. ^ Хупер, Роберт (1802). Lexicon Medicum (ред. 1848 г.). Лондон: Longman. стр. 1198–9. OCLC  27671024.
  27. ^ ab Clow, Archibald и Clow, Nan L. (июнь 1952 г.). Химическая революция . Ayer. стр. 65–90. ISBN 0-8369-1909-2 . 
  28. ^ Кифер, Дэвид М. (январь 2002 г.). «Все дело в щелочи». Today's Chemist at Work . 11 (1): 45–6.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Карбонат натрия .