Карбонат натрия

Карбона́т на́трия, углеки́слый на́трий, арх. кальцинированная сода Na₂CO₃ — 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 % Na₂CO₃.

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.

«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 кристаллогидрата последний «кальцинируют» (лат. calcinatio, от calx, по сходству с процессом обжига извести), то есть прокаливают.

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.

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 вод 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»).

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

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

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:

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

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 % из них добывается в США.

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

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 % для формы, полученной из морских водорослей («ламинария»), до 30 % 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 более дорогостоящими источниками, и начался поиск более коммерчески обоснованных методов получения кальцинированной соды из поваренной соли и других распространённых химических реагентов.

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.

Трона, минерал, 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 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.

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:

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

Сульфид натрия далее реагирует с карбонатом кальция:

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

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:

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

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.

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:

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

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:

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

Образовавшийся CO₂ возвращают в производственный цикл. Хлорид аммония NH₄Cl обрабатывают гидроксидом кальция Ca(OH)₂, полученный NH₃ также возвращают в производственный цикл:

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

.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. Его производительность составляла 20 тысяч тонн соды в год.

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

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.

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.

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).

Сода кальцинированная — технический карбонат натрия, выпускают в виде марки А (гранулированная) и марки Б (порошкообразная) по ГОСТ 5100-85 с содержанием Na₂CO₃ от 99,0 до 99,4 %, а также и из нефелиновой руды (ГОСТ 10689-75) с содержанием Na₂CO₃ от 87,0 до 96,5 %. Гигроскопичный продукт, на воздухе поглощает водяной пар и углекислоту с образованием кислой соли гидрокарбоната натрия, слеживается при хранении на открытом воздухе.

Карбонат натрия применяют в мыловарении и производстве стиральных и чистящих порошков; эмалей, для получения ультрамарина. Также он применяется для обезжиривания металлов и десульфатизации доменного чугуна. Карбонат натрия — исходный реагент для получения NaOH, Na₂B₄O₇, Na₂HPO₄. Может использоваться в сигаретных фильтрах. В фотографии используется в составе проявителей как ускоряющее средство.

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.

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

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.

Карбонат натрия применяется для смягчения воды паровых котлов и 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:

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

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

Сходным образом реагируют катионы магния:

${\displaystyle {\ce {Mg^2+(aq) + Na2CO3(aq) -> MgCO3(s) + 2Na+(aq)}}}$.

Вода смягчается, поскольку в ней уменьшается концентрация ионов кальция и магния.

Предельно допустимая концентрация аэрозоля 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.

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

• Химическая энциклопедия : [рус.] : в 5 т. / под ред. И. Л. Кнунянца. — М. : Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — 639 с. — ISBN 5-85270-039-8.

• Гурлев Д. С. Справочник по фотографии (обработка фотоматериалов). — К.: 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.

• НА́ТРИЯ КАРБОНА́Т : [арх. 6 сентября 2022] / Аликберова Л. Ю. // Нанонаука — Николай Кавасила. — М. : Большая российская энциклопедия, 2013. — С. 130. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 22). — ISBN 978-5-85270-358-3.
• ГОСТ 5100-85 Сода кальцинированная техническая. Технические условия (с Изменением N 1).  (неопр.) Государственный комитет СССР по стандартам. Дата обращения: 11 апреля 2019.
• ГОСТ 83-79 Натрий углекислый Технические условия.  (неопр.) Государственный комитет СССР по стандартам. Дата обращения: 29 декабря 2021.

1. Гидрокарбонат натрия
2. Гидроксид натрия
3. Карбонат калия-натрия
4. Карбонаты
5. Ортофосфат натрия
6. Ацетат натрия
7. Перкарбонат натрия
8. Карбонат калия
9. Хлорат натрия
10. Тиосульфат натрия
11. Тетраборат натрия
12. Глутамат натрия
13. Натрий
14. Хлорид натрия
15. Сода
16. Сульфат натрия
17. Карбонат серебра(I)
18. Пирофосфат натрия
19. Нитрат натрия
20. Пероксид натрия