Карбонат натрия (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 без запаха, образующие в воде щелочные растворы. Исторически его добывали из золы растений, выращенных на богатых натрием почвах, а поскольку зола этих богатых натрием растений заметно отличалась от золы древесины (некогда использовавшейся для производства поташа ) , карбонат натрия стал известен как «кальцинированная сода». ". [12] [ нужна полная цитата ] Его производят в больших количествах из хлорида натрия и известняка с помощью процесса Сольве , а также путем карбонизации гидроксида натрия, который производится с использованием хлор-щелочного процесса.
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 °С, гептагидрат - в узком диапазоне от 32,0 до 35,4 °С, 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 («пента-полугидрат»). [14]
Декагидрат карбоната натрия (Na 2 CO 3 ·10H 2 O), также известный как стиральная сода, представляет собой наиболее распространенный гидрат карбоната натрия, содержащий 10 молекул кристаллизационной воды . Кальцинированную соду растворяют в воде и кристаллизуют, получая стиральную соду.
Это один из немногих карбонатов металлов , растворимых в воде.
Некоторые распространенные применения карбоната натрия включают:
Карбонат натрия служит флюсом для кремнезема ( SiO 2 , температура плавления 1713 °C), снижая температуру плавления смеси до уровня, 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 °С) изготавливают путем плавления таких смесей карбоната натрия, карбоната кальция и кварцевого песка ( диоксида кремния (SiO 2 )). Когда эти материалы нагреваются, карбонаты выделяют углекислый газ. Таким образом, карбонат натрия является источником оксида натрия. Натриево-известковое стекло на протяжении веков было наиболее распространенной формой стекла. Это также ключевой ресурс для производства посуды из стекла. [15]
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 при обработке ионами карбоната образуют нерастворимые твердые осадки :
Вода смягчается, поскольку в ней больше не содержатся растворенные ионы кальция и ионы магния. [16]
Карбонат натрия имеет несколько применений в кухне, главным образом потому, что он является более сильным основанием, чем пищевая сода ( бикарбонат натрия ), но более слабым, чем щелок (который может относиться к гидроксиду натрия или, реже, гидроксиду калия ). Щелочность влияет на выработку клейковины в замешанном тесте, а также улучшает подрумянивание за счет снижения температуры, при которой происходит реакция Майяра . Чтобы воспользоваться первым эффектом, карбонат натрия является одним из компонентов кансуи (かん水) , раствора щелочных солей, используемого для придания японской лапше рамэн характерного вкуса и жевательной текстуры; аналогичный раствор используется в китайской кухне для приготовления ламяна по тем же причинам. Кантонские пекари также используют карбонат натрия вместо щелочной воды, чтобы придать лунным пирогам характерную текстуру и улучшить подрумянивание. В немецкой кухне (и в центральноевропейской кухне в более широком смысле) хлеб, такой как крендели с солью и булочки с щелоком, традиционно обрабатываемый щелочью для улучшения подрумянивания, вместо этого можно обрабатывать карбонатом натрия; Карбонат натрия не дает такого сильного потемнения, как щелочь, но с ним гораздо безопаснее и легче работать. [17]
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 , с выделением углекислого газа, которая возникает, когда шербет смачивается слюной.
Карбонат натрия также находит применение в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки (Е500), регулятора кислотности, антислеживателя , разрыхлителя и стабилизатора. Он также используется при производстве снюса для стабилизации pH конечного продукта.
Хотя он менее склонен вызывать химические ожоги, чем щелочь, все же следует соблюдать осторожность при работе с карбонатом натрия на кухне, поскольку он вызывает коррозию алюминиевой посуды, столовых приборов и фольги. [18]
Карбонат натрия также используется как относительно сильное основание в различных областях. Как обычную щелочь, ее предпочитают во многих химических процессах, поскольку она дешевле гидроксида натрия и с ней гораздо безопаснее обращаться. Его мягкость особенно рекомендует его использование в домашних условиях.
Например, он используется в качестве регулятора pH для поддержания стабильной щелочной среды, необходимой для действия большинства проявителей фотопленки . Это также распространенная добавка в плавательные бассейны и аквариумную воду для поддержания желаемого уровня pH и карбонатной жесткости (KH). При окрашивании красителями, реагирующими с волокнами, карбонат натрия (часто под таким названием, как фиксатор кальцинированной соды или активатор кальцинированной соды) используется для обеспечения надлежащего химического связывания красителя с целлюлозными (растительными) волокнами, обычно перед крашением (для красителей для галстуков). , смешанный с красителем (для окраски красителем), или после окрашивания (для иммерсионного крашения). Он также используется в процессе пенной флотации для поддержания благоприятного pH в качестве кондиционера для флотации помимо CaO и других слабоосновных 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 загрязняющего его аммиака, разлагает некоторое количество NaHCO 3 , что делает более экономичным взаимодействие готового Na 2 CO 3 с CO 2 :
В аналогичной реакции карбонат натрия используется для получения бисульфита натрия (NaHSO 3 ), который используется в «сульфитном» методе отделения лигнина от целлюлозы. Эту реакцию используют для удаления диоксида серы из дымовых газов на электростанциях:
Это применение стало более распространенным, особенно там, где станции должны соблюдать строгие меры контроля выбросов.
Карбонат натрия используется в хлопковой промышленности для нейтрализации серной кислоты, необходимой для кислотной очистки ворсистых семян хлопчатника.
Он также используется для образования карбонатов других металлов путем ионного обмена, часто с сульфатами других металлов.
Карбонат натрия используется в кирпичной промышленности в качестве смачивающего агента для уменьшения количества воды, необходимой для экструзии глины. При литье его называют «связующим агентом» и используют для обеспечения сцепления влажного альгината с гелеобразным альгинатом. 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. [ нужна цитата ]
Интегральная энтальпия раствора карбоната натрия составляет -28,1 кДж/моль для 10% водного раствора. [19] Твердость моногидрата карбоната натрия по шкале Мооса составляет 1,3. [6]
Карбонат натрия растворим в воде и может встречаться в природе в засушливых регионах, особенно в минеральных отложениях ( эвапоритах ), образующихся при испарении сезонных озер. Месторождения минерального натрона добывались на дне высохших 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 Ол Дойньо Ленгаи , уникального вулкана Танзании, и предполагается, что в прошлом он извергался из других вулканов, но из-за нестабильности этих минералов на земной поверхности, вероятно, подвергнется эрозии. Все три минералогические формы карбоната натрия, а также трона , дигидрат гидрогендикарбоната натрия, известны также из ультращелочных пегматитовых пород , встречающихся, например, на Кольском полуострове в России.
За пределами Земли известный карбонат натрия встречается редко. Отложения были идентифицированы как источник ярких пятен на Церере , внутреннем материале, который был вынесен на поверхность. [20] Хотя на Марсе есть карбонаты , и ожидается, что они будут включать карбонат натрия, [21] отложения еще не подтверждены, это отсутствие некоторые объясняют глобальным преобладанием низкого pH в ранее водной марсианской почве. . [22]
Трона , также известная как дигидрат гидрогендикарбоната тринатрия (Na 3 HCO 3 CO 3 ·2H 2 O), добывается в нескольких районах США и обеспечивает почти все потребление карбоната натрия в США. 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 имеются важные запасы троны; [23] Из запасов под Анкарой добыто два миллиона тонн кальцинированной соды.
Некоторые « галофитные » (солеустойчивые) виды растений и виды 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 морские водоросли (обычно виды Fucus ) собирали, сушили и сжигали. Затем золу « выщелачивали » (промывали водой) с образованием раствора щелочи. Этот раствор кипятили досуха, чтобы получить конечный продукт, получивший название «кальцинированная сода»; это очень старое название происходит от арабского слова « сода» , которое, в свою очередь, применяется к соде Salsola , одному из многих видов прибрежных растений, собираемых для производства. «Барилла» — это коммерческий термин, применяемый к нечистой форме поташа, полученной из прибрежных растений или водорослей . [24]
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, произведенной из растений солянки в Испании. К концу 18-го века источники кальцинированной соды, а также связанного с ней щелочного поташа из растений и морских водорослей становились все более неадекватными, и поиск коммерчески жизнеспособных путей синтеза кальцинированной соды из соли и других химикатов активизировался. [25]
В 1792 году французский химик Николя Леблан запатентовал процесс получения карбоната натрия из соли, серной кислоты , известняка и угля. На первом этапе хлорид натрия обрабатывают серной кислотой по Мангеймскому процессу . В результате этой реакции образуется сульфат натрия ( соляной осадок ) и хлористый водород :
Соляной пирог и измельченный известняк ( карбонат кальция ) восстанавливали нагреванием углем . [15] Это преобразование состоит из двух частей. Во-первых, это карботермическая реакция , при которой уголь, источник углерода , восстанавливает сульфат до сульфида :
Второй этап — это реакция с образованием карбоната натрия и сульфида кальция :
Эту смесь называют черной золой . Кальцинированную соду экстрагируют 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 с утилизацией отходов. Однако он оставался основным методом производства карбоната натрия до конца 1880-х годов. [25] [26]
В 1861 году бельгийский промышленный химик Эрнест Сольвей разработал метод получения карбоната натрия путем первой реакции хлорида натрия , аммиака , воды и углекислого газа с образованием бикарбоната натрия и хлорида аммония : [15]
Полученный бикарбонат натрия затем превращали в карбонат натрия путем его нагревания с выделением воды и углекислого газа:
Тем временем аммиак был регенерирован из побочного продукта хлорида аммония путем обработки его известью ( оксидом кальция ), оставшейся от образования углекислого газа:
Процесс Solvay перерабатывает аммиак. Он потребляет только рассол и известняк, а единственным отходом его производства является хлорид кальция . Этот процесс существенно более экономичен, чем процесс Леблана, при котором образуются два побочных продукта: сульфид кальция и хлористый водород . Процесс Сольвея быстро стал доминировать в производстве карбоната натрия во всем мире. К 1900 году 90% карбоната натрия производилось по процессу Сольве, 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 ресторанами для приготовления карбоната натрия для кулинарных целей (включая крендели и щелочную лапшу ). Этот метод привлекателен для таких пользователей, поскольку бикарбонат натрия широко продается в виде пищевой соды, а температура, необходимая (от 250 ° F (121 ° C) до 300 ° F (149 ° C)) для преобразования пищевой соды в карбонат натрия, легко достигается. в обычных кухонных духовках . [17]
Этот процесс был разработан китайским химиком Хоу Дебаном в 1930-х годах. Более ранний побочный продукт парового риформинга, диоксид углерода, прокачивали через насыщенный раствор хлорида натрия и аммиака для получения бикарбоната натрия по следующим реакциям:
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), чтобы получить чистый карбонат натрия, аналогично последней стадии процесса Сольвея. К оставшемуся раствору хлоридов аммония и натрия добавляют еще хлорида натрия; кроме того, в этот раствор закачивают больше аммиака при температуре 30–40 °C. Затем температуру раствора понижают до уровня ниже 10°C. Растворимость хлорида аммония выше, чем у хлорида натрия при 30°С и ниже при 10°С. Из-за этой температурно-зависимой 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 «метод совместного производства щелочи»: процесс Хоу связан с процессом Габера и обеспечивает лучшую экономию атомов за счет исключения производства хлорида кальция, поскольку аммиак больше не нуждается в быть возрожденным. Побочный продукт, хлорид аммония, можно продавать в качестве удобрения.
