Карбонат натрия, характеристика, свойства и получение, химические реакции

Карбонат натрия, характеристика, свойства и получение, химические реакции.

 

 

Карбонат натрия – неорганическое вещество, имеет химическую формулу Na₂CO₃.

 

Краткая характеристика карбоната натрия

Физические свойства карбоната натрия  

Получение карбоната натрия  

Химические свойства карбоната натрия  

Химические реакции карбоната натрия

Применение и использование карбоната натрия  

 

Краткая характеристика карбоната натрия:

Карбонат натрия (кальцинированная сода) – неорганическое вещество белого цвета.

Химическая формула карбоната кальция Na₂CO₃.

Карбонат натрия  (кальцинированная сода) – неорганическое соединение, натриевая соль угольной кислоты.

Карбонат натрия  не следует путать с гидрокарбонатом натрия (пищевой содой) NaHCO₃ и с гидроксидом натрия (каустической содой) NaOH.

Карбонат натрия – бесцветные кристаллы, в обычных условиях представляет собой порошок белого цвета, которые плавятся при температуре 854 °C без разложения и разлагаются при дальнейшем нагревании – при температуре свыше 1000 °C.

Карбонат натрия имеет три модификации:

– α-модификация. Имеет моноклинную кристаллическую решетку,  образуется при температуре до 350 °C;

– β-модификация. Образуется при нагреве свыше 350 °C и до 479 °C. Также имеет моноклинную кристаллическую решетку;

– γ-модификация. Образуется при нагреве свыше 479 °C. Имеет гексагональную кристаллическую решетку.

Хорошо растворяется в воде, создавая сильнощелочную среду, а также в глицерине. Малорастворим в этаноле. Не растворим в ацетоне и сероуглероде.

В природе карбонат натрия встречается в виде минералов:

– нахколита, имеющего химическую формулу NaHCO₃. Нахколит – минерал подкласса карбонатов, кристаллическая форма бикарбоната натрия. Название образовано по первым буквам символов химических элементов, входящих в его состав: Na, H, C и О;

– трона, имеющего химическую формулу  Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O. Название трон происходит от арабского названия природной соли. Другое название трона – египетская соль;

– натрита, имеющего химическую формулу  Na₂CO₃·10H₂O. Натрит – это декагидрат карбоната натрия. Другое название натрита – натрон, кристаллическая сода или сода;

– термонатрита, имеющего химическую формулу Na₂CO₃·Н₂O. Термонатрит – моногидрат карбоната натрия. Образуется при дегидратации декагидрата карбоната натрия Na₂CO₃·10H₂O. Другое название термонатрита – сода или кристаллическая сода.

Карбонат натрия также встречается в золе некоторых морских водорослей. 

В пищевой промышленности используется 3 типа карбоната натрия:

– добавка Е500(i) – карбонат натрия (Sodium Carbonate) с химической формулой Na₂CO₃;

– добавка Е500(ii) – гидрокарбонат натрия (Sodium bicarbonate, Sodium hydrogen carbonate) с химической формулой NaHCO₃. Гидрокарбонат натрия именуется также питьевой содой, пищевой содой, двууглекислой содой, натрием двууглекислым, бикарбонатом натрия.

– добавка Е500(iii) – смесь карбоната и гидрокарбоната натрия (Sodium Sesquicarbonate).

 

Физические свойства карбоната натрия:

Наименование параметра:	Значение:
Химическая формула	Na2CO3
Синонимы и названия иностранном языке	sodium carbonate (англ.) натрий углекислый (рус.) сода кальцинированная (рус.)
Тип вещества	неорганическое
Внешний вид	бесцветные моноклинные кристаллы
Цвет	бесцветный, белый
Вкус	—*
Запах	—
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)	твердое вещество
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при 20 °C), г/см3	2,53
Температура разложения, °C	1000
Температура плавления, °C	854
Растворимость в воде, при 20 0С, г/100 мл	21,8
Константа диссоциации кислоты, pKa	10,33
Молярная масса, г/моль	105,99

* Примечание:

— нет данных.

 

Получение карбоната натрия:

В промышленности карбонат натрия получают несколькими способами:

1. 1. способом Сольве (аммиачный способ):

NaCl + H₂O + NH₃ + CO₂ → NaHCO₃ + NH₄Cl;

NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O (t = 140-160 °C).

Через насыщенный раствор хлорида натрия пропускают смесь газов, состоящую из аммиака и оксида углерода, в результате образуется малорастворимый гидрокарбонат натрия (9,6 г на 100 г воды при 20 °C), который затем  отфильтровывают и кальцинируют (обезвоживают) нагреванием до 140-160 °C. В результате образуется карбонат натрия.

Образовавшийся CO₂ возвращают в производственный цикл.

Хлорид аммония NH₄Cl обрабатывают гидроксидом кальция Ca(OH)₂:

NH₄Cl + Са(ОН)₂ → СаCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O.

Полученный NH₃ также возвращают в производственный цикл.

Таким образом, единственным отходом производства является хлорид кальция.

2. 2. способом Хоу.

NaCl + H₂O + NH₃ + CO₂ → NaHCO₃ + NH₄Cl;

NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O (t = 140-160 °C).

Способ Хоу отличается от процесса Сольве тем, что не используется гидроксид кальция.

По способу Хоу в раствор хлорида натрия при температуре 40 °C 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 °C. При этом выпадает в осадок хлорид аммония, а раствор используют повторно для производства следующих порций соды. Данный способ отличается от процесса Сольве тем, что не использует гидроксид кальция.

Образовавшийся хлорид аммония NH₄Cl используют в дальнейшем как самостоятельный продукт в качестве удобрения.

В лаборатории карбонат натрия получают:

3. 3. в результате реакции взаимодействия карбоната кальция с сульфидом натрия:

Na₂S + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaS (t = 1200 ^oС).

 

Химические свойства карбоната натрия. Химические реакции карбоната натрия:

Карбонат натрия – это средняя соль, образованная слабой кислотой – угольной (H₂CO₃) и сильным основанием – гидроксидом натрия (NaOH).

Водные растворы Na₂CO₃ имеют щелочную реакцию.

Для карбоната натрия характерны следующие химические реакции:

1. реакция карбоната натрия и углерода:

Na₂CO₃ + 2C → 2Na + 3CO (t = 900-1000 ^oС).

В результате реакции образуются оксид углерода и натрий.

2. реакция карбоната натрия и брома:

3Br₂ + 3Na₂CO₃ → 5NaBr + NaBrO₃ + 3CO₂.

В результате реакции образуются бромид натрия, бромат натрия и углекислый газ. В ходе реакции карбонат натрия используется в виде концентрированного горячего раствора.

3. реакция карбоната натрия и йода:

3Na₂CO₃ + 3I₂ → 5NaI + NaIO₃ + 3CO₂.

В результате реакции образуются йодид натрия, йодат натрия и углекислый газ. В ходе реакции карбонат натрия используется в виде концентрированного горячего раствора.

4. реакция карбоната натрия и хлора:

3Na₂CO₃ + 3Cl₂ → 5NaCl + NaClO₃ + 3CO₂.

В результате реакции образуются хлорид натрия, хлорат натрия и углекислый газ. В ходе реакции карбонат натрия используется в виде концентрированного горячего раствора.

5. реакция карбоната натрия и азотной кислоты:

Na₂CO₃ + 2HNO₃ → 2NaNO₃ + CO₂ + H₂O.

В результате реакции образуются нитрат натрия, углекислый газ и вода. В ходе реакции азотная кислота используется в виде разбавленного раствора.

6. реакция карбоната натрия и угольной кислоты:

H₂CO₃ + Na₂CO₃ → 2NaHCO₃.

В результате реакции образуется гидрокарбонат натрия.

7. реакция карбоната натрия и ортофосфорной кислоты:

Na₂CO₃ + H₃PO₄ → Na₂HPO₄ + H₂O + CO₂,

Na₂CO₃ + 2H₃PO₄ → 2NaH₂PO₄ + H₂O + CO₂,

3Na₂CO₃ + 2H₃PO₄ → 2Na₃PO₄ + 3H₂O + 3CO₂ (t^o).

В результате реакции в первом случае образуются гидроортофосфат натрия, углекислый газ и вода, во втором случае – дигидроортофосфат натрия, углекислый газ и вода, в третьем случае – ортофосфат натрия, углекислый газ и вода. В ходе реакции в первом и третьем случае ортофосфорная кислота используется в виде разбавленного раствора, во втором – в виде концентрированного раствора. Карбонат натрия в первой и второй реакциях используется в виде разбавленного раствора, в ходе третьей – в виде концентрированного раствора. Третья реакция протекает при кипении.

Аналогичные реакции протекают и с другими кислотами.

8. реакция карбоната натрия и фтороводорода:

Na₂CO₃ + 2HF → 2NaF + CO₂ + H₂O.

В результате реакции образуются фторид натрия, углекислый газ и вода. В ходе реакции фтороводород используется в виде разбавленного раствора.

9. реакция карбоната натрия и оксида кремния:

Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂ (t = 1150 ^oС).

В результате реакции образуются углекислый газ и метасиликат натрия.

10. реакция карбоната натрия и оксида серы:

SO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SO₃ + CO₂,

2SO₂ + Na₂CO₃ → Na₂S₂O₅ + CO₂ (t = 40-60^oС).

В первом случае в результате реакции образуются углекислый газ и сульфат натрия. В ходе реакции карбонат натрия используется в виде концентрированного раствора. Реакция протекает при комнатной температуре.

В первом случае в результате реакции образуются углекислый газ и дисульфит натрия. В ходе реакции карбонат натрия используется в виде концентрированного раствора. Реакция протекает при температуре 40-60^oС.

11. реакция карбоната натрия и оксида алюминия:

Al₂O₃ + Na₂CO₃ → 2NaAlO₂ + CO₂ (t = 1000-1200 ^oС).

В результате реакции образуются углекислый газ и алюминат натрия.

12. реакция карбоната натрия и оксида железа:

Fe₂O₃ + Na₂CO₃ → 2NaFeO₂ + CO₂ (t = 800-900 ^oС).

В результате реакции образуются углекислый газ и феррит натрия.

13. реакция карбоната натрия и воды (гидролиза карбоната натрия):

Na₂CO₃ + H₂O ⇄ NaHCO₃ + NaOH.

В результате реакции образуются гидрокарбонат натрия и гидроксид натрия. Реакция носит обратимый характер.

14. реакция карбоната натрия, оксида кальция и воды:

Na₂CO₃ + CaO + H₂O → CaCO₃ + 2NaOH.

В результате реакции образуются карбонат кальция и гидроксид натрия.

15. реакция карбоната натрия, оксида углерода и воды:

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃.

В результате реакции образуется гидрокарбонат натрия. Данная реакция представляет собой способ получения питьевой соды путем пропускания оксида углерода через холодный раствор карбоната натрия.

16. реакция карбоната натрия и гидроксида кальция (каустификации соды):

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + 2NaOH.

В результате реакции образуются карбонат кальция и гидроксид натрия. Данная реакция представляет собой  метод получения гидроксида натрия. Равновесие реакции смещено в сторону образования NaOH за счет плохой растворимости CaCO₃.

17. реакция термического разложения карбоната натрия:

Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂ (t = 1000 ^oС).

В результате реакции образуются углекислый газ и оксид натрия.

 

Применение и использование карбоната натрия:

Карбонат натрия используется во множестве отраслей промышленности и для бытовых нужд:

– в стекольном производстве;

– в бытовой химии: в стиральных и чистящих порошках;

– в мыловарении;

– в производстве эмалей для получения ультрамарина;

– для смягчения воды паровых котлов;

– для уменьшения жёсткости воды;

– для обезжиривания металлов и десульфатизации доменного чугуна;

– в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки E500 – регулятора кислотности, разрыхлителя, препятствующего комкованию и слёживанию;

– в нефтяной промышленности в сочетании с поверхностно-активными веществами для снижения межфазного натяжения между водой и нефтью;

– в химической промышленности как исходный продукт для получения NaOH, Na₂B₄O₇, Na₂HPO₄;

– в табачной промышленности (в сигаретных фильтрах);

– в фотографии в составе проявителей как ускоряющее средство;

– в моторном масле для предотвращения полимеризации (концентрация 2 г на 1 л масла).

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 

карбонат натрия реагирует кислота 1 2 3 4 5 вода
уравнение реакций соединения масса взаимодействие карбоната натрия  
реакции