Карбонат натрия¶

Карбонат натрия (Na₂CO₃, кальцинированная сода) — неорганическое химическое соединение, натриевая соль угольной кислоты. Представляет собой белый кристаллический порошок без запаха, хорошо растворимый в воде с образованием щелочной среды. Является важным продуктом химической промышленности, широко используется в производстве стекла, мыла, бумаги, а также в быту в качестве моющего и чистящего средства.

¶Физические свойства

Безводный карбонат натрия представляет собой бесцветные кристаллы ромбической сингонии с плотностью около 2,54 г/см³. Температура плавления составляет 854 °C, при дальнейшем нагревании соединение разлагается на оксид натрия и углекислый газ. В воде карбонат натрия растворяется с выделением тепла; растворимость при 20 °C составляет около 21,5 г на 100 г воды.

При кристаллизации из водных растворов образует кристаллогидраты. Наиболее известен декагидрат Na₂CO₃·10H₂O, называемый кристаллической или стиральной содой, а также гептагидрат Na₂CO₃·7H₂O и моногидрат Na₂CO₃·H₂O. Прокаливанием (кальцинацией) кристаллогидратов получают безводный продукт, что и дало название «кальцинированная сода».

¶Химические свойства

В водном растворе карбонат натрия подвергается гидролизу по аниону, создавая сильнощелочную среду (pH 1%-ного раствора составляет около 11,3). По этой причине водные растворы соды реагируют с кислотами с выделением углекислого газа:

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑

При пропускании углекислого газа через раствор карбоната натрия образуется гидрокарбонат натрия (питьевая сода, NaHCO₃):

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃

Карбонат натрия вступает в реакции обмена с растворимыми солями кальция, магния и других металлов, осаждая их нерастворимые карбонаты. Это свойство используется для умягчения воды. При сплавлении с оксидом кремния(IV) карбонат натрия образует силикат натрия, что лежит в основе производства стекла.

¶История открытия и производства

Природная сода была известна человечеству с древности. Её добывали из содовых озёр Египта и использовали при мумификации, изготовлении стекла и мыла. На протяжении столетий единственным источником соды оставалась зола морских водорослей и некоторых растений.

В 1791 году французский химик Никола Леблан разработал первый промышленный способ получения соды из поваренной соли, серной кислоты и известняка. Метод Леблана доминировал в Европе на протяжении всего XIX века, однако был экологически грязным и энергозатратным. В 1861 году бельгийский инженер Эрнест Сольве запатентовал аммиачно-содовый процесс, который позволил получать соду более дёшево и с меньшим количеством отходов. Метод Сольве, основанный на реакции хлорида натрия с аммиаком и углекислым газом, стал основным в мировой промышленности и используется до сих пор.

В России первый содовый завод был построен в 1864 году в Барнауле. Крупнейшим производителем соды в Российской империи стало Березниковское содовое предприятие на Урале (ныне АО «Березниковский содовый завод», Пермский край), основанное в 1883 году. В советский период были построены крупные заводы в Крыму, на Донбассе и в Поволжье.

¶Способы получения

¶Аммиачно-содовый процесс (метод Сольве)

Основной промышленный метод. Насыщенный раствор хлорида натрия обрабатывают аммиаком и углекислым газом. В результате образуется труднорастворимый гидрокарбонат натрия, который отфильтровывают и прокаливают:

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑

Аммиак регенерируется и возвращается в цикл. Процесс отличается высокой экономичностью, однако его недостатком является образование больших количеств хлорида кальция как отхода. Сырьём служат поваренная соль и известняк.

¶Из природного сырья

Значительная часть мировой соды добывается из природных месторождений: троны (минерала Na₃H(CO₃)₂·2H₂O), нахколита и содовых озёр. Крупнейшие залежи троны находятся в США (штат Вайоминг), Турции, Кении и Китае. В России промышленная добыча природной соды ведётся в Сибири (озеро Танатар, Алтайский край) и в Забайкалье (Доронинское месторождение). Природную трону очищают, растворяя и перекристаллизовывая, либо прокаливают непосредственно.

¶Лабораторные методы

В лабораторных условиях карбонат натрия получают прокаливанием гидрокарбоната натрия или действием углекислого газа на гидроксид натрия.

¶Применение

¶Стекольная промышленность

Главный потребитель кальцинированной соды — производство стекла. Сода выступает флюсом, понижающим температуру плавления кварцевого песка и придающим стеклу прозрачность. На производство стекла приходится около половины мирового потребления Na₂CO₃.

¶Химическая промышленность

Карбонат натрия используется для синтеза других соединений натрия: гидрокарбоната, силикатов, фосфатов, хроматов. Применяется в производстве синтетических моющих средств как щелочной компонент, а также в процессах нейтрализации кислот.

¶Целлюлозно-бумажная отрасль

В производстве целлюлозы сода используется в сульфатном процессе варки древесины, а также для регенерации щёлоков и отбеливания бумажной массы.

¶Водоподготовка

Благодаря способности осаждать ионы кальция и магния карбонат натрия применяется для умягчения воды в промышленных и бытовых системах, а также для корректировки pH.

¶Текстильная и кожевенная промышленность

Сода используется для замачивания и обезжиривания шкур, а также для подготовки тканей к крашению и отбеливанию.

¶Пищевая промышленность

Карбонат натрия зарегистрирован как пищевая добавка E500(i). Применяется как регулятор кислотности в производстве какао-порошка, мороженого, хлебобулочных изделий. В отличие от гидрокарбоната натрия (E500ii), карбонат натрия используется в пищевой отрасли в ограниченных объёмах из-за высокой щёлочности.

¶Бытовая химия

Кальцинированная сода входит в состав стиральных порошков, чистящих паст и средств для прочистки труб. Она эффективно удаляет жировые загрязнения, смягчает воду и усиливает действие поверхностно-активных веществ. В быту применяется также кристаллическая сода (декагидрат).

¶Пожаротушение

Сухой карбонат натрия используется в составе огнетушащих порошков для тушения пожаров классов B и C.

¶Мировое производство

Мировое производство кальцинированной соды составляет около 60 миллионов тонн в год. Крупнейшим производителем является Китай, обеспечивающий более половины мирового объёма. Значительными производителями также являются США, Турция, Индия и Россия. В России действуют предприятия в Пермском крае (Березники), Башкортостане (Стерлитамак) и Крыму. Отрасль характеризуется высокой концентрацией производства: себестоимость соды сильно зависит от доступности сырья и энергоресурсов.

¶Безопасность

Карбонат натрия относится к веществам III класса опасности (умеренно опасным). При попадании на кожу и слизистые оболочки вызывает раздражение и химические ожоги из-за щелочной реакции. При работе с порошком необходимо использовать защитные очки, перчатки и респиратор. Проглатывание концентрированных растворов опасно для здоровья. Хранят соду в сухих помещениях в герметичной таре, поскольку она гигроскопична и поглощает влагу и углекислый газ из воздуха.