Карбона́т на́трия, углеки́слый на́трий, арх. кальцинированная сода — средняя соль натрия и угольной кислоты. Бесцветные кристаллы или белый порошок, гигроскопична, хорошо растворима в воде. Растворы имеют сильнощелочную реакцию. Образует три основных кристаллогидрата — декагидрат Na2CO3·10H2O, гептагидрат Na2CO3·7H2O и моногидрат Na2CO3·H2O.
В промышленности в основном получают из хлорида натрия по аммиачно-хлоридному способу (метод Сольве). Технический карбонат натрия выпускается в виде кальцинированной соды, содержащей от 87,0 до 99,4 % .
Применяют при изготовлении стекла, для производства моющих средств, используют в процессе получения алюминия из бокситов, в качестве нейтрализующего агента при очистке нефтепродуктов, а также в пищевой промышленности.
Этимология «Сода» в европейских языках происходит, вероятно, от арабского «сууад — чернушка, черноватая» — общего названия различных видов солянок, растений, из золы которых её добывали в средние века; существуют и другие версии. Кальцинированной сода (карбонат натрия) называется так потому, что для получения её из кристаллогидрата последний «кальцинируют» (, от calx, по сходству с процессом обжига извести), то есть прокаливают.
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. Твёрдость 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 Карбонат натрия можно выделить в виде трех различных гидратов: декагидрат карбоната натрия (натрон), Na2CO3·10H2O; гептагидрат карбоната натрия (минеральная форма неизвестна), Na2CO3·7H2O; моногидрат карбоната натрия (термонатрит), Na2CO3·H2O. 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 с образованием безводного карбоната натрия.
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.
Сообщалось о других гидратах, например, с 2,5 единицами воды на единицу карбоната натрия («пентагемигидрат»).
+ Свойства карбоната натрияпараметрбезводный карбонат натриядекагидрат Na2CO3·10H2Oмолекулярная масса105,99 а. е. м.286,14 а. е. м.температура плавления854 °C32 °Cрастворимостьне растворим в ацетоне и сероуглероде; малорастворим в этаноле; хорошо растворим в глицерине и водеплотность 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 S136,4 Дж/моль·K (т) (при 297К)стандартная мольная теплоёмкость Cp109,2 Дж/моль·K (жг) (при 297К)
+ Растворимость карбоната натрия в водетемпература, °C01020253040506080100120140растворимость, г Na2CO3 на 100 г H2O712,221,829,439,748,847,346,445,144,742,739,3
Гидролиз В водном растворе карбонат натрия гидролизуется, что обуславливает щелочную реакцию среды. Уравнение гидролиза (в ионной форме):
Взаимодействие с кислотами Первая константа диссоциации угольной кислоты равна 4,5. 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:
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 известны в Забайкалье и в Западной Сибири; большой известностью пользуется озеро Натрон в Танзании и озеро Сирлс в Калифорнии — Litres 2019 isbn 5040325053. 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 % из 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 ) 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 % для формы, полученной из морских водорослей («ламинария»), до 30 % для лучшей бариллы, полученной из растений солянки () в Испании. Источники кальцинированной соды, а также связанная с ней щелочь «поташ» из растений и морских водорослей, к концу 18 века становились все более дорогостоящими источниками, и начался поиск более коммерчески обоснованных методов получения 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.
В качестве полезного ископаемого Трона, минерал, дигидрат тринатрийгидрогендикарбоната (Na3HCO3CO3·2H2O) добывается в Турции. Разработкой богатейшего месторождения троны в Бейпазары возле Анкары занимается компания , входящая в состав группы . Два миллиона тонн кальцинированной соды добыты в месторождении возле Анкары.
Его также добывают в некоторых щелочных озёрах, 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 возобновляемым.
Также добывается в нескольких районах США и обеспечивает почти все внутреннее потребление страны в карбонате натрия. Крупные природные месторождения, обнаруженные в 1938 году, — 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 смесь сульфата натрия («глауберовой соли»), мела или известняка (карбоната кальция) и древесного угля запекается при температуре около 1000 °C. Уголь восстанавливает сульфат натрия до сульфида:
Сульфид натрия далее реагирует с карбонатом кальция:
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:
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«Тогда в хвосте их появятся и русские».
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-хClow, Archibald and Clow, Nan L. (1952). Chemical Revolution, (Ayer Co Pub, June 1952), pp. 65-90. ..
Промышленный аммиачный способ (способ Сольве)
В 1861 году бельгийский инженер-химик Эрнест Сольве запатентовал метод производства соды, который используется и по сей деньGlobal soda ash industry — emerging dynamics — Blogs — Televisory.
В насыщенный раствор хлорида натрия пропускают эквимолярные количества газообразных аммиака и диоксида углерода:
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:
Образовавшийся CO2 возвращают в производственный цикл. Хлорид аммония NH4Cl обрабатывают гидроксидом кальция Ca(OH)2, полученный NH3 также возвращают в производственный цикл:
.Таким образом, единственным побочным продуктом 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, Государственный архив Пермской области, 1997. 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 в то время, когда отсутствовали промышленные методы получения аммиака, поэтому его было необходимо регенерировать из NH4Cl . Метод Хоу появился позже, когда аммиак производился по процессу Габера, поэтому необходимость регенерации аммиака уже не стояла так остро, а получаемый побочно NH4Cl возможно стало использовать как азотное удобрение.