Węglan sodu - Sodium carbonate

Węglan sodu
Szkieletowa formuła węglanu sodu
Próbka węglanu sodu
Nazwy
Nazwa IUPAC
Węglan sodu
Preferowana nazwa IUPAC
Węglan disodowy
Inne nazwy
Soda kalcynowana, soda do prania, kryształy sody, trioksowęglan sodu
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
CZEBI
CHEMBL
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA 100.007.127 Edytuj to na Wikidata
Numer WE
Numer E E500(i) (regulatory kwasowości, ...)
Identyfikator klienta PubChem
Numer RTECS
UNII
  • InChI=1S/CH2O3.2Na/c2-1(3)4;;/h(H2,2,3,4);;/q;2*+1/p-2 sprawdzaćTak
    Klucz: CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L sprawdzaćTak
  • InChI=1/NaHCO3.2Na/c2-1(3)4;;/h(H2,2,3,4);;/q;2*+1/p-2
    Klucz: CDBYLPFSWZWCQE-NUQVWONBAP
  • [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O
Nieruchomości
Na 2 CO 3
Masa cząsteczkowa 105,9888  g/mol (bezwodny)
286,1416  g/mol (dekahydrat)
Wygląd zewnętrzny Białe ciało stałe, higroskopijne
Zapach Bezwonny
Gęstość
Temperatura topnienia 851 °C (1564 °F; 1124 K) (bezwodny)
100 °C (212 °F; 373 K)
rozkłada się (monohydrat)
33,5 °C (92,3 °F; 306,6 K)
rozkłada się (heptahydrat)
34 °C (93 ° F; 307 K)
(dekahydrat)
Bezwodny, g/100 ml:
Rozpuszczalność Rozpuszczalny w aq. zasady , glicerol
Słabo rozpuszczalny w aq. alkohol
Nierozpuszczalny w CS 2 , acetonie , octanach alkilowych , alkoholu , benzonitrylu , ciekłym amoniaku
Rozpuszczalność w glicerynie 98,3  g/100 g (155 °C)
Rozpuszczalność w etanodiolu 3,46  g/100 g (20 °C)
Rozpuszczalność w dimetyloformamidzie 0,5  g/kg
Kwasowość (p K a ) 10.33
-4,1 x 10 -5 cm 3 / mol
1.485 (bezwodny)
1.420 (monohydrat)
1.405 (dekahydrat)
Lepkość 3,4 cP (887°C)
Struktura
Jednoskośny (forma γ, forma β, forma δ, bezwodna)
rombowy (monohydrat, heptahydrat)
C2/m, nr 12 (forma γ, bezwodna, 170 K)
C2/m, nr 12 (forma β, bezwodna, 628 K)
P2 1 /n, nr 14 (forma δ, bezwodna, 110 K)
Pca2 1 , nr 29 (monohydrat)
Pbca, nr 61 (heptahydrat)
2/m (forma γ, forma β, forma δ, bezwodna)
mm2 (monohydrat)
2/m 2/m 2/m (heptahydrat)
a  = 8,920 (7) Å, b  = 5,245 (5) Å, c  = 6,050 (5) Å (forma γ, bezwodna, 295 K)
α = 90°, β = 101,35(8)°, γ = 90°
Oktaedryczny (Na + , bezwodny)
Termochemia
112,3  J/mol·K
135  J/mol·K
-1130,7  kJ/mol
-1044,4  kJ/mol
Zagrożenia
Główne zagrożenia Drażniący
Arkusz danych dotyczących bezpieczeństwa MSDS
Piktogramy GHS GHS07: Szkodliwy
Hasło ostrzegawcze GHS Ostrzeżenie
H319
P305+351+338
NFPA 704 (ognisty diament)
2
0
0
Dawka lub stężenie śmiertelne (LD, LC):
LD 50 ( mediana dawki )
4090 mg/kg (szczur, doustnie)
Związki pokrewne
Inne aniony
Wodorowęglan sodu
Inne kationy
Węglan litu Węglan
potasu Węglan
rubidu Węglan
cezu
Związki pokrewne
Seskwiwęglan sodu Nadwęglan
sodu
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
☒n zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćTak☒n
Referencje do infoboksu

Węglan sodu , Na 2 CO 3· 10 H 2 O, (znany również jako soda do prania , soda kalcynowana i kryształy sody ) jest związkiem nieorganicznym o wzorze Na 2 CO 3 i jego różnymi hydratami. Wszystkie formy są białymi, bezwonnymi, rozpuszczalnymi w wodzie solami, które dają umiarkowanie alkaliczne roztwory w wodzie. Dawniej wydobywano go z popiołów roślin rosnących na glebach bogatych w sód. Ponieważ popioły tych bogatych w sód roślin wyraźnie różniły się od popiołu drzewnego (kiedyś używanego do produkcji potażu ), węglan sodu stał się znany jako „soda kalcynowana”. Jest produkowany w dużych ilościach z chlorku sodu i wapienia w procesie Solvay .

Hydraty

Węglan sodu otrzymuje się w postaci trzech hydratów oraz w postaci bezwodnej soli:

  • dekahydrat węglanu sodu ( natron ), Na 2 CO 3 · 10 H 2 O, który łatwo wykwita tworząc monohydrat.
  • heptahydrat węglanu sodu (nieznany w postaci mineralnej), Na 2 CO 3 · 7H 2 O.
  • monohydrat węglanu sodu ( termonatryt ), Na 2 CO 3 · H 2 O. Znany również jako węglan krystaliczny .
  • bezwodny węglan sodu, znany również jako soda kalcynowana, powstaje przez ogrzewanie hydratów. Powstaje również podczas ogrzewania (kalcynowania) wodorowęglanu sodu, np. w końcowym etapie procesu Solvaya .

Dekahydrat powstaje z roztworów wodnych krystalizujących w zakresie temperatur od -2,1 do +32,0°C, heptahydrat w wąskim zakresie od 32,0 do 35,4°C, a powyżej tej temperatury tworzy się monohydrat. W suchym powietrzu dekahydrat i heptahydrat tracą wodę, dając monohydrat. Opisano inne hydraty, np. 2,5 jednostki wody na jednostkę węglanu sodu („pentahemihydrat”).

Soda do prania

Dekahydrat węglanu sodu (Na 2 CO 3 · 10 H 2 O), znany również jako soda do płukania, jest najpowszechniejszym wodzianem węglanu sodu zawierającym 10 cząsteczek wody krystalizacyjnej . Soda kalcynowana jest rozpuszczana w wodzie i krystalizowana w celu uzyskania sody do prania.

  • Jest to białe, krystaliczne ciało stałe;
  • Jest jednym z nielicznych węglanów metali rozpuszczalnych w wodzie;
  • Jest alkaliczny; zmienia kolor czerwony lakmus na niebieski;
  • Posiada właściwości detergentowe dzięki procesowi zmydlania, dzięki czemu tłuszcze i tłuszcze mieszają się z wodą.

Aplikacje

Niektóre typowe zastosowania węglanu sodu (lub sody do prania) obejmują:

  • Węglan sodu (lub soda do prania) jest używany jako środek czyszczący do celów domowych, takich jak pranie ubrań. Węglan sodu jest składnikiem wielu suchych proszków mydlanych.
  • Służy do usuwania twardości czasowej i trwałej wody . (patrz zmiękczanie wody ).
  • Wykorzystywany jest do produkcji szkła , mydła i papieru . (patrz produkcja szkła )
  • Wykorzystywany jest do produkcji związków sodu takich jak boraks .

Produkcja szkła

Węglan sodu służy jako topnik dla krzemionki , obniżając temperaturę topnienia mieszaniny do czegoś, co można osiągnąć bez specjalnych materiałów. To „szkło sodowe” jest słabo rozpuszczalne w wodzie, więc do stopionej mieszaniny dodaje się trochę węglanu wapnia, aby szkło stało się nierozpuszczalne. Butelki ze szkła okna ( sodowo-wapniowe ), jest wytwarzana poprzez topienie takich mieszanin węglan sodu, węglan wapnia, krzemionki i piasku ( dwutlenek krzemu (SiO 2 )). Gdy te materiały są podgrzewane, węglany uwalniają dwutlenek węgla. W ten sposób węglan sodu jest źródłem tlenku sodu. Szkło sodowo-wapniowe jest od wieków najpowszechniejszą formą szkła.

Zmiękczanie wody

Twarda woda zawiera rozpuszczone związki, zwykle związki wapnia lub magnezu. Węglan sodu służy do usuwania twardości czasowej i trwałej wody.

Ponieważ węglan sodu jest rozpuszczalny w wodzie, a węglan magnezu i węglan wapnia są nierozpuszczalne, ten pierwszy służy do zmiękczania wody poprzez usuwanie Mg 2+ i Ca 2+ . Jony te tworzą nierozpuszczalne stałe osady po potraktowaniu jonami węglanowymi :

Podobnie,

Woda jest zmiękczona, ponieważ nie zawiera już rozpuszczonych jonów wapnia i magnezu.

Dodatek do żywności i gotowanie

Węglan sodu ma kilka zastosowań w kuchni, głównie dlatego, że jest mocniejszą bazą niż soda oczyszczona ( wodorowęglan sodu ), ale słabszy niż ług (co może odnosić się do wodorotlenku sodu lub rzadziej wodorotlenku potasu ). Zasadowość wpływa na produkcję glutenu w ugniatanym cieście, a także poprawia brązowienie poprzez obniżenie temperatury, w której zachodzi reakcja Maillarda . Aby wykorzystać ten pierwszy efekt, węglan sodu jest zatem jednym ze składników kansui (かん水) , roztworu soli alkalicznych używanego do nadawania japońskim makaronom ramen charakterystycznego smaku i ciągliwej tekstury; podobne rozwiązanie stosuje się w kuchni chińskiej do robienia lamianu , z podobnych powodów. Podobnie kantońscy piekarze używają węglanu sodu jako substytutu wody ługowej, aby nadać ciastkom księżycowym charakterystyczną konsystencję i poprawić brązowienie. W kuchni niemieckiej (i szerzej kuchni środkowoeuropejskiej) pieczywo, takie jak precle i bułki z ługiem, które tradycyjnie traktuje się ługiem w celu poprawy brązowienia, można zamiast tego traktować węglanem sodu; węglan sodu nie powoduje tak silnego brązowienia jak ług, ale jest o wiele bezpieczniejszy i łatwiejszy w obróbce.

Węglan sodu jest używany do produkcji sorbetu w proszku. Uczucie chłodu i musowania jest wynikiem endotermicznej reakcji między węglanem sodu a słabym kwasem, najczęściej kwasem cytrynowym , uwalniającym gazowy dwutlenek węgla, do którego dochodzi, gdy sorbet jest zwilżony śliną.

Węglan sodu znajduje również zastosowanie w przemyśle spożywczym jako dodatek do żywności (E500) jako regulator kwasowości, środek przeciwzbrylający, środek spulchniający i stabilizator. Wykorzystywany jest również w produkcji snusu do stabilizacji pH produktu końcowego.

Chociaż jest mniej prawdopodobne, że spowoduje oparzenia chemiczne niż ług, nadal należy zachować ostrożność podczas pracy z węglanem sodu w kuchni, ponieważ działa on korozyjnie na aluminiowe naczynia kuchenne, przybory i folię.

Niedroga, słaba baza

Węglan sodu jest również używany jako stosunkowo mocna baza w różnych dziedzinach. Jako zwykła zasada jest preferowana w wielu procesach chemicznych, ponieważ jest tańsza niż wodorotlenek sodu i znacznie bezpieczniejsza w obsłudze. Jego łagodność szczególnie poleca zastosowanie w zastosowaniach domowych.

Na przykład jest stosowany jako regulator pH w celu utrzymania stabilnych warunków alkalicznych niezbędnych do działania większości środków wywołujących błonę fotograficzną . Jest również powszechnym dodatkiem w basenach i wodzie akwariowej w celu utrzymania pożądanego pH i twardości węglanowej (KH). W barwieniu barwnikami reagującymi z włóknami stosuje się węglan sodu (często pod nazwą utrwalacza sody kalcynowanej lub aktywatora sody kalcynowanej) w celu zapewnienia prawidłowego chemicznego wiązania barwnika z włóknami celulozowymi (roślinnymi), zazwyczaj przed barwieniem (w przypadku barwników wiążących) , zmieszany z barwnikiem (do malowania barwnikiem) lub po barwieniu (do barwienia zanurzeniowego). Jest również stosowany w procesie flotacji pianowej w celu utrzymania korzystnego pH jako odżywka flotacyjna oprócz CaO i innych lekko zasadowych związków.

Prekursor innych związków

Wodorowęglan sodu ( NaHCO 3 ) lub soda oczyszczona, również składnik gaśnic, jest często wytwarzany z węglanu sodu. Chociaż sam NaHCO 3 jest produktem pośrednim procesu Solvaya, ogrzewanie potrzebne do usunięcia amoniaku, który go zanieczyszcza, powoduje rozkład części NaHCO 3 , dzięki czemu reakcja gotowego Na 2 CO 3 z CO 2 jest bardziej ekonomiczna :

Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O → 2NaHCO 3

W odpowiedniej reakcji, węglan sodowy jest używany do wodorosiarczynem sodu (NaHSC 3 ), który jest używany jako „siarczyn” metody oddzielania ligniny z celulozy. Ta reakcja jest wykorzystywana do usuwania dwutlenku siarki ze spalin w elektrowniach:

Na 2 CO 3 + SO 2 + H 2 O → NaHCO 3 + NaHSO 3

Ta aplikacja stała się bardziej powszechna, zwłaszcza tam, gdzie stacje muszą spełniać rygorystyczne kontrole emisji.

Węglan sodu jest używany przez przemysł bawełniany do neutralizacji kwasu siarkowego potrzebnego do kwaśnego odlinowania rozmytych nasion bawełny.

Różnorodny

Węglan sodu jest używany w przemyśle cegielnianym jako środek zwilżający w celu zmniejszenia ilości wody potrzebnej do wyciskania gliny. W odlewaniu określa się go jako „środek wiążący” i stosuje się go w celu umożliwienia przylegania mokrego alginianu do zżelowanego alginianu. Węglan sodu jest stosowany w pastach do zębów, gdzie działa jako środek pieniący i ścierający oraz tymczasowo podwyższający pH jamy ustnej.

Węglan sodu jest również stosowany w przetwarzaniu i garbowaniu skór zwierzęcych.

Właściwości fizyczne

Entalpia całkowa roztworu węglanu sodu wynosi -28,1 kJ/mol dla 10% wag./wag. roztworu wodnego. Twardości Mohsa z monohydratu węglanu sodowego wynosi 1,3.

Występowanie jako naturalny minerał

Struktura monohydratu w 346 K.

Węglan sodu jest rozpuszczalny w wodzie i może występować naturalnie w regionach suchych, zwłaszcza w złożach mineralnych ( ewaporatach ) powstających podczas parowania sezonowych jezior. Złoża mineralnego natronu wydobywano z suchego dna jezior w Egipcie od czasów starożytnych, kiedy to używano natronu do przygotowania mumii i we wczesnej produkcji szkła.

Bezwodna forma mineralna węglanu sodu jest dość rzadka i nazywana natrytem. Węglan sodu wybucha również z Ol Doinyo Lengai , unikalnego wulkanu Tanzanii i przypuszcza się, że wybuchł z innych wulkanów w przeszłości, ale ze względu na niestabilność tych minerałów na powierzchni ziemi prawdopodobnie ulegną erozji. We wszystkich trzech form mineralogicznych węglanu sodu, a także trona trisodowy hydrogendicarbonate dihydratu są także znane z ultra alkalicznych pegmatitic skał , które występują na przykład w Peninsula Kola w Rosji.

Pozaziemsko znany węglan sodu jest rzadkością. Osady zostały zidentyfikowane jako źródło jasnych plam na Ceres , wewnętrznym materiale, który został wyniesiony na powierzchnię. Chociaż na Marsie znajdują się węglany , a oczekuje się, że będą one zawierać węglan sodu, osady nie zostały jeszcze potwierdzone, niektórzy tłumaczą tę nieobecność jako globalną dominację niskiego pH w uprzednio wodnej marsjańskiej glebie .

Produkcja

Górnictwo

Trona , dihydrat wodorodiwęglanu trisodowego (Na 3 HCO 3 CO 3 · 2H 2 O), jest wydobywany w kilku obszarach USA i zapewnia prawie całe krajowe zużycie węglanu sodu. Duże złoża naturalne odkryte w 1938 r., takie jak to w pobliżu Green River w stanie Wyoming , sprawiły, że wydobycie stało się bardziej ekonomiczne niż produkcja przemysłowa w Ameryce Północnej. W Turcji znajdują się ważne rezerwy trony; Z rezerw pod Ankarą wydobyto dwa miliony ton sody kalcynowanej. Jest również wydobywany z niektórych jezior alkalicznych, takich jak jezioro Magadi w Kenii, poprzez pogłębianie. Gorące źródła solankowe stale uzupełniają sól w jeziorze, więc pod warunkiem, że tempo pogłębiania nie jest większe niż tempo uzupełniania, źródło jest w pełni zrównoważone.

Barilla i wodorosty morskie

Kilka „ halofitów ” (tolerujących sól) gatunków roślin i gatunków wodorostów może być przetwarzanych w celu uzyskania nieczystej formy węglanu sodu, a źródła te dominowały w Europie i poza nią aż do początku XIX wieku. Rośliny lądowe (zwykle glassworts lub saltworts ) lub wodorostów (zazwyczaj Fucus gatunków) zebrano, wysuszono i spalona. Popiół następnie „ rozmyto ” (przemyto wodą) z wytworzeniem roztworu alkalicznego. Ten roztwór gotowano na sucho, aby uzyskać produkt końcowy, który nazwano „sodą kalcynowaną”; ta bardzo stara nazwa wywodzi się od arabskiego słowa soda , które z kolei odnosi się do salsola soda , jednego z wielu gatunków roślin przybrzeżnych zbieranych do produkcji. „Barilla” to termin handlowy odnoszący się do nieczystej postaci potażu uzyskanego z roślin przybrzeżnych lub wodorostów .

Stężenie węglanu sodu w sodzie kalcynowanej było bardzo zróżnicowane, od 2-3 procent w przypadku formy pochodzącej z wodorostów morskich (" kelp ") do 30 procent w przypadku najlepszej barilli produkowanej z roślin solnych w Hiszpanii. Roślinne i wodorostowe źródła sody kalcynowanej, a także pokrewnego „ potażualkalicznego , stały się coraz bardziej niewystarczające pod koniec XVIII wieku, a poszukiwania opłacalnych komercyjnie sposobów syntezy sody kalcynowanej z soli i innych chemikaliów nasiliły się.

Proces Leblanc

W 1792 roku francuski chemik Nicolas Leblanc opatentował proces produkcji węglanu sodu z soli, kwasu siarkowego , wapienia i węgla. W pierwszym etapie chlorek sodu jest traktowany kwasem siarkowym w procesie Mannheima . W wyniku tej reakcji powstaje siarczan sodu ( placek solny ) i chlorowodór :

2NaCl + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + 2HCl

Placek solny i pokruszony wapień ( węglan wapnia ) zostały zredukowane przez ogrzewanie węglem . Ta konwersja obejmuje dwie części. Pierwszym z nich jest karbotermicznej reakcji , przy czym węgiel, źródło węgla , zmniejsza się siarczan do siarczku :

Na 2 SO 4 + 2C → na 2 S + 2CO 2

Drugi etap to reakcja wytwarzania węglanu sodu i siarczku wapnia :

Na 2 S + CaCO 3 → Na 2 CO 3 + CaS

Ta mieszanina nazywana jest czarnym popiołem . Soda kalcynowana jest ekstrahowana wodą z czarnego popiołu. Odparowanie tego ekstraktu daje stały węglan sodu. Ten proces ekstrakcji nazwano ługowaniem .

Kwas solny wytwarzany w procesie Leblanc był głównym źródłem zanieczyszczenia powietrza, a produkt uboczny siarczku wapnia również stwarzał problemy z usuwaniem odpadów. Jednak pozostała główną metodą produkcji węglanu sodu do końca lat 80. XIX wieku.

Proces Solvaya

W 1861 roku belgijski chemik przemysłowy Ernest Solvay opracował metodę wytwarzania węglanu sodu przez reakcję chlorku sodu , amoniaku , wody i dwutlenku węgla w celu wytworzenia wodorowęglanu sodu i chlorku amonu :

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

Powstały wodorowęglan sodu został następnie przekształcony w węglan sodu przez podgrzanie go, uwalniając wodę i dwutlenek węgla:

2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

W międzyczasie amoniak był regenerowany z produktu ubocznego chlorku amonu, traktując go wapnem ( tlenkiem wapnia ) pozostałym po wytwarzaniu dwutlenku węgla:

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

Proces Solvay polega na recyklingu amoniaku. Zużywa tylko solankę i wapień, a jedynym odpadem jest chlorek wapnia . Proces jest znacznie bardziej ekonomiczny niż proces Leblanc, w którym powstają dwa produkty odpadowe, siarczek wapnia i chlorowodór . Proces Solvaya szybko zdominował produkcję węglanu sodu na całym świecie. Do 1900 roku 90% węglanu sodu zostało wyprodukowane w procesie Solvay, a ostatni zakład przetwórczy Leblanc został zamknięty na początku lat dwudziestych.

Drugi etap procesu Solvay, podgrzewanie wodorowęglanu sodu, jest stosowany na małą skalę przez kucharzy domowych i w restauracjach do wytwarzania węglanu sodu do celów kulinarnych (w tym precli i makaronów alkalicznych). Metoda jest atrakcyjna dla takich użytkowników, ponieważ wodorowęglan sodu jest powszechnie sprzedawany jako soda oczyszczona, a temperatury wymagane (od 121 °C do 300 °F (149 °C)) do przekształcenia sody oczyszczonej w węglan sodu są łatwo osiągane w konwencjonalnych piekarnikach kuchennych .

Proces Hou

Proces ten został opracowany przez chińskiego chemika Hou Debanga w latach 30. XX wieku. Wcześniejszy produkt uboczny reformingu parowego, dwutlenek węgla, był pompowany przez nasycony roztwór chlorku sodu i amoniaku w celu wytworzenia wodorowęglanu sodu w tych reakcjach:

CH 4 + 2 H 2 OCO 2 + 4 H 2
3 H 2 + N 2 → 2 NH 3
NH 3 + CO 2 + H 2 ONH 4 HCO 3
NH 4 HCO 3 + NaClNH 4 Cl + NaHCO 3

Wodorowęglan sodu zebrano jako osad ze względu na jego niską rozpuszczalność, a następnie ogrzano do około 80 °C (176 °F) lub 95 °C (203 °F), aby uzyskać czysty węglan sodu podobny do ostatniego etapu procesu Solvaya. Do pozostałego roztworu chlorków amonu i sodu dodaje się więcej chlorku sodu; ponadto do tego roztworu pompuje się więcej amoniaku w temperaturze 30-40 °C. Temperatura roztworu jest następnie obniżana do poniżej 10°C. Rozpuszczalność chlorku amonu jest wyższa niż chlorku sodu w 30 °C i niższa w 10 °C. Ze względu na tę zależną od temperatury różnicę rozpuszczalności i efekt wspólnego jonu chlorek amonu wytrąca się w roztworze chlorku sodu.

Chińska nazwa procesu Hou, lianhe zhijian fa (联合制碱法), oznacza „połączoną metodę wytwarzania alkaliów”: proces Hou jest połączony z procesem Habera i oferuje lepszą ekonomię atomową , eliminując wytwarzanie chlorku wapnia, ponieważ amoniak już nie potrzebuje do regeneracji. Produkt uboczny, chlorek amonu, może być sprzedawany jako nawóz.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki