Карбонат натрия

Карбонат натрия
Общие
Систематическое наименование	Карбонат натрия
Традиционные названия	кальцинированная сода, углекислый натрий; декагидрат — стиральная сода
Хим. формула	Na2CO3
Физические свойства
Молярная масса	105,99 г/моль
Плотность	2,53 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	854 °C
• разложения	1000 °C
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты $pK_{a}$	10,33
Растворимость
• в воде при 20 °C	21,8 г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	497-19-8
PubChem	10340 и 516885
Рег. номер EINECS	207-838-8
SMILES	C(=O)([O-])[O-].[Na+].[Na+]
InChI	InChI=1S/CH2O3.2Na/c2-1(3)4;;/h(H2,2,3,4);;/q;2*+1/p-2 CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L
Кодекс Алиментариус	E500(i) и E500
RTECS	VZ4050000
ChEBI	29377
ChemSpider	9916
Безопасность
ЛД50	4 г/кг (крысы, орально)
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 1 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Не следует путать с гидрокарбонатом натрия (пищевой содой).

Не следует путать с гидроксидом натрия (каустической содой).

Карбона́т на́трия (кальцинированная сода) — неорганическое соединение, натриевая соль угольной кислоты с химической формулой Na₂CO₃. Бесцветные кристаллы или белый порошок, хорошо растворимый в воде. Сода кальцинированная — гигроскопичный продукт, на воздухе поглощает водяной пар и углекислоту с образованием кислой соли Гидрокарбоната натрия, слеживается при хранении на открытом воздухе. Выпускают соду кальцинированную марки А (гранулированная), марки Б (порошкообразная) и из нефелиновой руды (ГОСТ 10689-75).

В промышленности в основном получают из хлорида натрия по методу Сольве. Применяют при изготовлении стекла, для производства моющих средств, используют в процессе получения алюминия из бокситов и при очистке нефти.

Свойства

Имеет вид бесцветных кристаллов или белого порошка. Существует в нескольких разных модификациях: α-модификация с моноклинной кристаллической решеткой образуется при температуре до 350°C, затем, при нагреве выше этой температуры и до 479°C переходит в β-модификацию, также имеющую моноклинную кристаллическую решетку. Твердость по шкале Мооса моногидрата карбоната натрия составляет 1,3 При увеличении температуры выше 479°C соединение переходит γ-модификацию с гексагональной решеткой. Плавится при 854°C, при нагреве выше 1000 °C разлагается с образованием оксида натрия и диоксида углерода.

Кристаллогидраты карбоната натрия существуют в разных формах: бесцветный моноклинный Na₂CO₃·10H₂O, при 32,017 °C переходит в бесцветный ромбический Na₂CO₃·7H₂O, последний при нагревании до 35,27°C бесцветный переходит в ромбический Na₂CO₃·H₂O. В интервале 100−120 °C моногидрат теряет воду.

Свойства карбоната натрия

параметр	безводный карбонат натрия	декагидрат Na2CO3·10H2O
молекулярная масса	105,99 а.е.м.	286,14 а.е.м.
температура плавления	854°C	32°C
растворимость	не растворим в ацетоне и сероуглероде; малорастворим в этаноле; хорошо растворим в глицерине и воде
плотность $\rho$	2,53 г/см³ (при 20 °C)	1,446 г/см³ (при 17°C)
стандартная энтальпия образования ΔH	−1131 кДж/моль (т) (при 297 К)	−4083,5 кДж/моль ((т) (при 297К)
стандартная энергия Гиббса образования G	−1047,5 кДж/моль (т) (при 297 К)	−3242,3 кДж/моль ((т) (при 297К)
стандартная энтропия образования S	136,4 Дж/моль·K (т) (при 297К)
стандартная мольная теплоёмкость Cp	109,2 Дж/моль·K (жг) (при 297К)

Растворимость карбоната натрия в воде

температура, °C	0	10	20	25	30	40	50	60	80	100	120	140
растворимость, г Na2CO3 на 100 г H2O	7	12,2	21,8	29,4	39,7	48,8	47,3	46,4	45,1	44,7	42,7	39,3

В водном растворе карбонат натрия гидролизуется, что обеспечивает щелочную реакцию среды. Уравнение гидролиза (в ионной форме):

${\mathsf {CO_{3}^{2-}+H_{2}O\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+OH^{-}}}$

Первая константа диссоциации угольной кислоты равна 4,5⋅10⁻⁷. Все кислоты, более сильные, чем угольная, вытесняют её в реакции с карбонатом натрия. Так как угольная кислота крайне нестойкая, она тут же разлагается на воду и углекислый газ:

${\mathsf {Na_{2}CO_{3}+H_{2}SO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}$

Гидраты

Карбонат натрия можно выделить в виде трех различных гидратов и безводной соли:

• декагидрат карбоната натрия (натрон), Na₂CO₃·10H₂O
• гептагидрат карбоната натрия (минеральная форма неизвестна), Na₂CO₃·7H₂O
• моногидрат карбоната натрия (термонатрит), Na₂CO₃·H₂O
• 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, гептагидрата в узком диапазоне от 32,0 до 35,4 ° C, а выше этой температуры образуется моногидрат.

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»).

Нахождение в природе

В природе сода встречается в золе некоторых морских водорослей, а также в виде минералов:

• нахколит NaHCO₃
• трона Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O
• натрит (сода) Na₂CO₃·10H₂O
• термонатрит Na₂CO₃·Н₂O.

Современные минеральные содовые озёра известны в Забайкалье и в Западной Сибири; большой известностью пользуется озеро Натрон в Танзании и озеро Сирлс в Калифорнии. Трона, имеющая промышленное значение, открыта в 1938 в составе эоценовой толщи Грин-Ривер (Вайоминг, США). Вместе с троной в этой осадочной толще обнаружено много ранее считавшихся редкими минералов, в том числе давсонит, который рассматривается как сырьё для получения соды и глинозёма. В США природная сода добывается 4 компаниями в Вайоминге и одной в Калифорнии, около половины экспортируется. Около четверти используемой в мире соды добывается из природных источников, 90% их них добывается в США.

Получение

До начала XIX века карбонат натрия получали преимущественно из золы некоторых морских водорослей, прибрежных и солончаковых растений путём перекристаллизации относительно малорастворимого NaHCO₃ из щёлока.

Барилла и водоросли

Некоторые виды растений-галофитов и морских водорослей могут быть переработаны для получения неочищенной формы карбоната натрия. Этот промышленный источник получения кальцинированной соды преобладал в Европе и других странах до начала 19 века.

Наземные растения (обычно англ. saltwort) или водоросли (обычно виды фукусов) собирали, сушили и сжигали. Затем золу «выщелачивали» (промывали водой) с образованием щелочного раствора. Этот раствор кипятили до сухого остатка, чтобы создать конечный продукт, который назвался «кальцинированной содой»; это очень старое название происходит от арабского слова «Soda», которое, в свою очередь, применяется к «соляной соде» — одному из многих видов прибрежных растений, собираемых для выращивания. «Барилла» — это коммерческий термин, применяемый к технической форме карбоната натрия, полученной из золы прибрежных растений или водорослей.

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 (англ. saltwort) в Испании. Источники кальцинированной соды, а также связанная с ней щелочь «поташ» из растений и морских водорослей, к концу 18 века становились все менее адекватными источниками, и начался поиск коммерчески жизнеспособных путей синтеза кальцинированной соды из поваренной соли и других распространённых химических реагентов.

Из нефелиновой руды

Российские ученые разработали процесс получения глинозема из нефелинового концентрата, особенностью которого является отсутствие побочных продуктов. В процессе переработки из нефелинов и известняка получают цемент, кальцинированную соду, поташ и глинозем. Производится спекание нефелина с известняком, и продукт обрабатывается с целью извлечения оксида алюминия, кальцинированной соды и оксида калия. Затем, после выщелачивания, белитовый шлам используется для производства цемента. С нефелинами связаны месторождения апатита, из которого извлекается уран, и титано-ниобиевых руд.

В качестве полезного ископаемого

Трона, дигидрат тринатрийгидрогендикарбоната (Na₃HCO₃CO₃·2H₂O) добывается в Турции. Разработкой богатейшего месторождения троны в Бейпазары возле Анкары занимается компания Eti Soda, входящая в состав группы Ciner Holding. два миллиона тонн кальцинированной соды были извлечены из месторождения возле Анкары.

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. 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 разработку троны в качестве полезных ископаемых более экономичной, чем промышленное производство в Северной Америке.

Способ Леблана

В 1791 году французский химик Николя Леблан получил патент на «Способ превращения глауберовой соли в соду». По этому способу при температуре около 1000 °C запекается смесь сульфата натрия («глауберовой соли»), мела или известняка (карбоната кальция) и древесного угля. Уголь восстанавливает сульфат натрия до сульфида:

${\mathsf {Na_{2}SO_{4}+2C\rightarrow Na_{2}S+2CO_{2}}}$

Сульфид натрия реагирует с карбонатом кальция:

${\mathsf {Na_{2}S+CaCO_{3}\rightarrow Na_{2}CO_{3}+CaS}}$

Полученный расплав обрабатывают водой, при этом карбонат натрия переходит в раствор, сульфид кальция отфильтровывают, затем раствор карбоната натрия упаривают. Сырую соду очищают перекристаллизацией. Процесс Леблана даёт соду в виде кристаллогидрата (см. выше), поэтому полученную соду обезвоживают кальцинированием.

Сульфат натрия получали обработкой каменной соли (хлорида натрия) серной кислотой:

${\mathsf {2NaCl+H_{2}SO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+2HCl}}$

Выделявшийся в ходе реакции хлороводород частично улавливался водой с получением соляной кислоты, но сама соляная кислота оставалась основным источником загрязнения воздуха.

Первый содовый завод такого типа в России был основан промышленником М. Прангом и появился в Барнауле в 1864 году.

После появления более экономичного (не остаётся в больших количествах побочный сульфид кальция) и технологичного способа Сольве, заводы, работающие по способу Леблана, стали закрываться. К 1900 году 90 % предприятий производили соду по методу Сольве, а последние фабрики, работающие по методу Леблана, закрылись в начале 1920-х.

Промышленный аммиачный способ (способ Сольве)

Карбонат натрия

В 1861 году бельгийский инженер-химик Эрнест Сольве запатентовал метод производства соды, который используется и по сей день.

В насыщенный раствор хлорида натрия пропускают эквимолярные количества газообразных аммиака и диоксида углерода, то есть как бы вводят гидрокарбонат аммония NH₄HCO₃:

${\mathsf {NH_{3}+CO_{2}+H_{2}O+NaCl\rightarrow NaHCO_{3}+NH_{4}Cl}}$

Выпавший остаток малорастворимого (9,6 г на 100 г воды при 20 °C) гидрокарбоната натрия отфильтровывают и кальцинируют (обезвоживают) нагреванием до 140—160 °C, при этом он переходит в карбонат натрия:

${\mathsf {2NaHCO_{3}{\xrightarrow[{}]{^{o}t}}Na_{2}CO_{3}+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}$

Образовавшийся CO₂ возвращают в производственный цикл. Хлорид аммония NH₄Cl обрабатывают гидроксидом кальция Ca(OH)₂:

${\mathsf {2NH_{4}Cl+Ca(OH)_{2}\rightarrow CaCl_{2}+2NH_{3}+2H_{2}O}}$

Полученный NH₃ также возвращают в производственный цикл.

Таким образом, единственным отходом производства является хлорид кальция.

Первый содовый завод такого типа в мире был открыт в 1863 в Бельгии; первый завод такого типа в России был основан в районе уральского города Березники фирмой «Любимов, Сольве и Ко» в 1883 году. Его производительность составляла 20 тысяч тонн соды в год.

До сих пор этот способ остаётся основным способом получения соды во всех странах.

Способ Хоу

Разработан китайским химиком Хоу (Hou Debang) в 1930-х годах. Отличается от процесса Сольве тем, что не использует гидроксид кальция.

По способу Хоу в раствор хлорида натрия при температуре 40 градусов подается диоксид углерода и аммиак. Менее растворимый гидрокарбонат натрия в ходе реакции выпадает в осадок (как и в методе Сольве). Затем раствор охлаждают до 10 градусов. При этом выпадает в осадок хлорид аммония, а раствор используют повторно для производства следующих порций соды.

Сравнение способов

По методу Хоу в качестве побочного продукта образуется NH₄Cl вместо CaCl₂ по методу Сольве.

Способ Сольве был разработан до появления процесса Габера, в то время аммиак был в дефиците, поэтому регенерировать его из NH₄Cl было необходимо. Метод Хоу появился позже, необходимость регенерации аммиака уже не стояла так остро, соответственно, аммиак можно было не извлекать, а использовать его как азотное удобрение в виде соединения NH₄Cl.

Тем не менее NH₄Cl содержит хлор, избыток которого вреден для многих растений, поэтому использование NH₄Cl в качестве удобрения ограничено. В свою очередь рис хорошо переносит избыток хлора, и в Китае, где применяется NH₄Cl для рисоводства, метод Хоу, дающий NH₄Cl в качестве побочного продукта, более широко представлен по сравнению с другими регионами.

В настоящее время в ряде стран практически весь искусственно производящийся карбонат натрия вырабатывается по методу Сольве (включая метод Хоу как модификацию), а именно в Европе 94 % искусственно производимой соды, во всем мире — 84 % (2000 год).

Применение

Мыловарении и производстве стиральных и чистящих порошков; эмалей, для получения ультрамарина. Также он применяется для обезжиривания металлов и десульфатизации доменного чугуна. Карбонат натрия — исходный продукт для получения NaOH, Na₂B₄O₇, Na₂HPO₄. Может использоваться в сигаретных фильтрах.

В пищевой промышленности карбонаты натрия зарегистрированы в качестве пищевой добавки E500, — регулятора кислотности, разрыхлителя, препятствующего комкованию и слёживанию. Карбонат натрия (кальцинированная сода, Na₂CO₃) имеет код 500i, гидрокарбонат натрия (пищевая сода, NaHCO₃) — 500ii, их смесь — 500iii.

Одна из новейших технологий повышения нефтеотдачи пластов — АСП заводнение, в котором применяется сода в сочетании с ПАВ для снижения межфазного натяжения между водой и нефтью.

В фотографии используется в составе проявителей как ускоряющее средство.

Самостоятельно добавляется в моторное масло для предотвращения полимеризации. Концентрация 2 г на 1 л масла.

Производство стекла

Карбонат натрия используют в стекольном производстве. Карбонат натрия служит флюсом для кремнезема, понижая температуру плавления диоксида кремния от +2500 °C до +500 °C. Получвшееся стекло слабо растворимо в воде, поэтому в расплавленную смесь добавляют ещё ~10 % карбоната кальция, чтобы сделать стекло нерастворимым.

Стеклодувная мастерская

Стекло для бутылок и окон (натриево-известковое стекло) изготавливается путем плавления таких смесей карбоната натрия, карбоната кальция и кварцевого песка (диоксида кремния (SiO₂)). При нагреве компонентов смеси происходит разложение карбонатов на оксиды металлов (Na₂O и CaO) и диоксид углерода (CO₂). Таким образом, карбонат натрия традиционно является источником оксида натрия. Натриевое стекло на протяжении веков было самой распространенной формой стекла.

Снижение жесткости воды

Карбонат натрия применяется для смягчения воды паровых котлов и вообще уменьшения жёсткости воды. Жесткая вода содержит растворенные соединения, обычно соединения кальция или магния. Карбонат натрия используется для снятия временной и постоянной жесткости воды.

Карбонат натрия является водорастворимым источником карбонат-ионов для катионов магния Mg²⁺ и кальция Ca²⁺. Эти ионы образуют нерастворимые твердые осадки при обработке карбонат- ионами:

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

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

Сходным образом, ${\ce {Mg^2+(aq) + Na2CO3(aq) -> MgCO3(s) + 2Na+(aq)}}$ Вода смягчается, поскольку в ней больше нет растворенных ионов кальция и ионов магния.

Безопасность

Предельно допустимая концентрация аэрозоли кальцинированной соды в воздухе производственных помещений — 2 мг/м³. Кальцинированная сода относится к веществам 3-го класса опасности. Аэрозоль кальцинированной соды при попадании на влажную кожу и слизистые оболочки глаз и носа может вызвать раздражение, а при длительном воздействии — дерматит.

Тривиальные названия

Сода — общее название технических натриевых солей угольной кислоты.

• Na₂CO₃ (карбонат натрия) — кальцинированная сода, бельевая сода
• Na₂CO₃·10H₂O (декагидрат карбоната натрия, содержит 62,5 % кристаллизационной воды) — стиральная сода; иногда выпускается в виде Na₂CO₃·H₂O или Na₂CO₃·7H₂O
• NaHCO₃ (гидрокарбонат натрия) — пищевая сода, натрий двууглекислый, бикарбонат натрия

«Сода» в европейских языках происходит, вероятно, от арабского «suwwad» — общего названия различных видов солянок, растений, из золы которых её добывали в средние века; существуют и другие версии. Кальцинированная сода (карбонат натрия) называется так потому, что для получения её из бикарбоната последний «кальцинируют» (лат. calcinatio, от calx, по сходству с процессом обжига извести), то есть прокаливают.

Литература

• Гурлев Д. С. Справочник по фотографии (обработка фотоматериалов). — Киев: Тэхника, 1988.
• Рукк Н. С. Натрия карбонат // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Меди — Полимерные. — С. 182. — 639 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.

Ссылки

• ГОСТ 5100-85 Сода кальцинированная техническая. Технические условия (с Изменением N 1).  (неопр.) Государственный комитет СССР по стандартам. Дата обращения: 11 апреля 2019.
• Аликберова Л. Ю. Натрия карбонат  (рус.). Большая Российская Энциклопедия. Министерство культуры Российской Федерации. Дата обращения: 11 апреля 2019.