Гидрокси́д на́трия (, в Древнем Риме Lixīvĭum; др. названия — каустическая со́да, е́дкий натр, гидроо́кись на́трия, хим. формула — NaOH) — неорганическое химическое соединение, являющееся самой распространённой щёлочью. В год в мире производится и потребляется около 57 миллионов тонн едкого натра, имеет очень широкое применение в промышленности. Гигроскопичен, токсичен, вызывает химические ожоги, при попадании в глаза может вызвать слепоту, водный раствор разрушает алюминий. При работе с веществом в лаборатории требуется использование защитных перчаток и защитных очков.
История
История тривиальных названий как гидроксида натрия, так и других щелочей основывается на их свойствах. Название «едкая щёлочь» обусловлено свойством вещества разъедать кожу (вызывая сильные химические ожоги), бумагу и другие органические вещества. До XVII века щёлочью () называли также карбонаты натрия и калия. В 1736 году французский учёный Анри Дюамель дю Монсо впервые указал на различие этих веществ: гидроксид натрия получил название «каустическая сода», карбонат натрия — «кальцинированная сода», а карбонат калия — «поташ».
В настоящее время содой принято называть натриевые соли угольной кислоты. В английском и французском языках означает «натрий», а potassium — «калий».
Физические свойства Гидроксид натрия — белое твёрдое вещество. Сильно гигроскопичен, на воздухе «расплывается», активно поглощая пары воды и углекислый газ из воздуха. Хорошо растворяется в воде, при этом выделяется большое количество теплоты. Раствор едкого натра мылок на ощупь.
Термодинамика растворов
ΔH0 растворения для бесконечно разбавленного водного раствора −44,45 кДж/моль.
Из водных растворов при +12,3…+61,8 °C кристаллизуется моногидрат (ромбическая сингония), температура плавления +65,1 °C; плотность 1,829 г/см3; ΔH0обр −425,6 кДж/моль), в интервале от −28 до −24 °C — гептагидрат, от −24 до −17,7 °C — пентагидрат, от −17,7 до −5,4 °C — тетрагидрат (α-модификация). Растворимость в метаноле 23,6 г/л (t = +28 °C), в этаноле 14,7 г/л (t = +28 °C). NaOH·3,5Н2О (температура плавления +15,5 °C).
Химические свойства Гидроксид натрия (едкая щёлочь) — сильное химическое основание (к сильным основаниям относят гидроксиды, молекулы которых полностью диссоциируют в воде), к которым относят гидроксиды щелочных и щёлочноземельных металлов подгрупп IА и IIА периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, KOH (едкое кали), Ba(OH)2 (едкий барит), LiOH, RbOH, CsOH, а также гидроксид одновалентного таллия TlOH. Щёлочность (основность) определяется валентностью металла, радиусом внешней электронной оболочки и электрохимической активностью: чем больше радиус электронной оболочки (увеличивается с порядковым номером), тем легче металл отдаёт электроны, и тем выше его электрохимическая активность и тем левее располагается элемент в электрохимическом ряду активности металлов, в котором за ноль принята активность водорода. Водные растворы NaOH имеют сильную щелочную реакцию (pH 1%-го раствора = 13,4). Основными методами определения щелочей в растворах являются реакции на гидроксид-ион (OH−), (c фенолфталеином — малиновое окрашивание и метиловым оранжевым (метилоранжем) — жёлтое окрашивание). Чем больше гидроксид-ионов находится в растворе, тем сильнее щёлочь и тем интенсивнее окраска индикатора.
Гидроксид натрия вступает в следующие реакции:
с кислотами, амфотерными оксидами и гидроксидами c кислотами — с образованием солей и воды:
(кислая соль, при отношении 1:1);
(в избытке NaOH).
Общая реакция в ионном виде:
с амфотерными оксидами обладающими как основными, так и кислотными свойствами, и способностью реагировать с щелочами, как с твёрдыми при сплавлении:
— в растворе;
с амфотерными гидроксидами
— при сплавлении;
— в растворе;
с солями в растворе:
Гидроксид натрия используется для осаждения гидроксидов металлов. К примеру, так получают гелеобразный гидроксид алюминия, действуя гидроксидом натрия на сульфат алюминия в водном растворе, при этом избегая избытка щёлочи и растворения осадка. Его и используют, в частности, для очистки воды от мелких взвесей.
c неметаллами
например, с фосфором — с образованием гипофосфита натрия:
с серой
с галогенами
(дисмутация хлора в разбавленном растворе при комнатной температуре);
(дисмутация хлора при нагревании в концентрированном растворе).
с металламиГидроксид натрия вступает в реакцию с алюминием, цинком, титаном. Он не реагирует с железом и медью (металлами, которые имеют низкий электрохимический потенциал). Алюминий легко растворяется в едкой щёлочи с образованием хорошо растворимого комплекса — тетрагидроксоалюмината натрия и водорода:
Эта реакция использовалась в первой половине XX века в воздухоплавании: для заполнения водородом аэростатов и дирижаблей в полевых (в том числе боевых) условиях, так как данная реакция не требует источников электроэнергии, а исходные реагенты для неё могут легко транспортироваться.
Гидроксид натрия используется в солях для перевода из одного кислотного остатка в другой:
с эфирами, амидами и алкилгалогенидами (гидролиз)
с жирами (омыление) такая реакция необратима, так как получающаяся кислота со щёлочью образует мыло и глицерин. Глицерин впоследствии извлекается из подмыльных щёлоков путём вакуум-выпарки и дополнительной дистилляционной очистки полученных продуктов. Этот способ получения мыла был известен на Ближнем Востоке с VII века.
В результате взаимодействия жиров с гидроксидом натрия получают твёрдые мыла (они используются для производства кускового мыла), а с гидроксидом калия либо твёрдые, либо жидкие мыла в зависимости от состава жира.
с многоатомными спиртами — с образованием алкоголятов:
Качественное определение ионов натрия
По цвету пламени горелки — атомы натрия придают пламени жёлтую окраску. С использованием специфических реакций на ионы натрия.
+РеагентФторид аммонияНитрит цезия-калия-висмутаАцетат магнияАцетат цинкаПикро- лоновая кислотаДиокси- винная кислотаБромбензол- сульфокислотаАцетат уранила-цинка Цвет осадка белый бледно-жёлтый жёлто-зелёный жёлто-зелёный белый белый бледно-жёлтый зеленовато-жёлтый+
Методы получения Гидроксид натрия может получаться в промышленности химическими и электрохимическими методами.
Химические методы получения гидроксида натрия К химическим методам получения гидроксида натрия относятся пиролитический, известковый и ферритный.
Химические методы получения гидроксида натрия имеют существенные недостатки: расходуется большое количество энергоносителей, получаемый едкий натр сильно загрязнён примесями.
В настоящее время эти методы почти полностью вытеснены электрохимическими методами производства.
Пиролитический метод Пиролитический метод получения гидроксида натрия является наиболее древним и начинается с получения оксида натрия Na2О путём прокаливания карбоната натрия (например, в муфельной печи). В качестве сырья может быть использован и гидрокарбонат натрия, разлагающийся при нагревании на карбонат натрия, углекислый газ и воду:
Полученный оксид натрия охлаждают и очень осторожно (реакция происходит с выделением большого количества тепла) добавляют в воду:
Известковый метод Известковый метод получения гидроксида натрия заключается во взаимодействии раствора соды с гашеной известью при температуре около 80 °С. Этот процесс называется каустификацией и проходит по реакции:
В результате реакции получается раствор гидроксида натрия и осадок карбоната кальция. Карбонат кальция отделяется от раствора фильтрацией, затем раствор упаривается до получения расплавленного продукта, содержащего около 92 % масс. NaOH. Затем NaOH плавят и разливают в железные барабаны, где он кристаллизуется.
Ферритный метод Ферритный метод получения гидроксида натрия состоит из двух этапов:
Первая реакция представляет собой процесс спекания кальцинированной соды с окисью железа при температуре 800—900 °С. При этом образуется спёк — феррит натрия и выделяется двуокись углерода. Далее спёк обрабатывают (выщелачивают) водой по второй реакции; получается раствор гидроксида натрия и осадок Fe2O3nH2О, который после отделения его от раствора возвращается в процесс. Получаемый раствор щёлочи содержит около 400 г/л NaOH. Его упаривают до получения продукта, содержащего около 92 % масс. NaOH, а затем получают твёрдый продукт в виде гранул или хлопьев.
Электрохимические методы получения гидроксида натрия Способ основан на электролизе растворов галита' (минерала, состоящего в основном из поваренной соли NaCl) с одновременным получением водорода и хлора. Этот процесс можно представить суммарной формулой:
Едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них — электролиз с твёрдым катодом (диафрагменный и мембранный методы), третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод).
В мировой производственной практике используются все три метода получения хлора и каустика с явной тенденцией к увеличению доли мембранного электролиза.
Показатель на 1 тонну NaOH Ртутный метод Диафрагменный метод Мембранный метод Выход хлора, % 99 96 98,5 Электроэнергия, кВт·ч 3150 3260 2520 Концентрация NaOH, % 50 12 35 Чистота хлора, % 99,2 98 99,3 Чистота водорода, % 99,9 99,9 99,9 Массовая доля O2 в хлоре, % 0,1 1—2 0,3 Массовая доля Cl− в NaOH, % 0,003 1—1,2 0,005
В России приблизительно 35 % от всего выпускаемого каустика вырабатывается электролизом с ртутным катодом и 65 % — электролизом с твёрдым катодом.
Диафрагменный метод
Наиболее простым из электрохимических методов в плане организации процесса и конструкционных материалов для электролизера является диафрагменный метод получения гидроксида натрия.
Раствор соли в диафрагменном электролизере непрерывно подаётся в анодное пространство и протекает через, как правило, нанесённую на стальную катодную сетку асбестовую диафрагму, в которую иногда добавляют небольшое количество полимерных волокон.
Во многих конструкциях электролизеров катод полностью погружен под слой анолита (электролита из анодного пространства), а выделяющийся на катодной сетке водород отводится из под катода при помощи газоотводных труб, не проникая через диафрагму в анодное пространство благодаря противотоку.
Противоток — очень важная особенность устройства диафрагменного электролизера. Именно благодаря противоточному потоку, направленному из анодного пространства в катодное через пористую диафрагму, становится возможным раздельное получение щёлоков и хлора. Противоточный поток рассчитывается так, чтобы противодействовать диффузии и миграции OH- ионов в анодное пространство. Если величина противотока недостаточна, тогда в анодном пространстве в больших количествах начинает образовываться гипохлорит-ион (ClO-), который затем может окисляться на аноде до хлорат-иона ClO3-. Образование хлорат-иона серьёзно снижает выход по току хлора и является основным побочным процессом в этом методе получения гидроксида натрия. Также вредит и выделение кислорода, которое, к тому же, ведёт к разрушению анодов и, если они из углеродных материалов, попаданию в хлор примесей фосгена.
На аноде — основной процесс;
На катоде — основной процесс;
В качестве анода в диафрагменных электролизерах может использоваться графитовый или угольный электроды. На сегодня их, в основном, заменили титановые аноды с окисидно-рутениево-титановым покрытием (аноды ОРТА) или другие малорасходуемые аноды.
На следующей стадии электролитический щёлок упаривают и доводят содержание в нём NaOH до товарной концентрации 42—50 % масс. в соответствии со стандартом.
Поваренная соль, сульфат натрия и другие примеси при повышении их концентрации в растворе выше их предела растворимости выпадают в осадок. Раствор едкой щёлочи декантируют от осадка и передаётся в качестве готового продукта на склад или продолжают стадию упаривания для получения твёрдого продукта, с последующим плавлением, превращением в чешуйки или гранулы.