Производство и производители пищевой соды. Гидрокарбонат натрия. Натрий двууглекислый.

На протяжении многих лет повышенное внимание учёных привлекает к себе кристаллическая сода. Специалисты, занимающиеся исследованием этого компонента, находят всё новые и новые области его применения. Однако ни для кого не секрет, что подобные открытия требуют определённых знаний, и, в первую очередь, из области химии. Поговорим несколько подробнее о тех химических свойствах, которыми характеризуется данное природное вещество.

Применение вещества

Благодаря научным исследованиям, было открыто множество способов использования кристаллической соды, в связи с чем данное вещество по праву можно назвать универсальным средством. Наиболее широкое применение сода получила в промышленной сфере, в быту и кулинарии, в медицине и косметологии.

Промышленная отрасль отдаёт своё предпочтение едкому натру, именно там данное вещество задействуется в следующих целях:

• для придания чистоты тканям;
• для производства бумаги и картона;
• для очищения нефтепродуктов и изготовления масляной продукции;
• для нейтрализации ядовитых газов;
• для укрепления фундамента строящихся здания;
• для очистки оборудования промышленных предприятий;
• для обезжиривания инструментов;
• для создания косметических средств.

Любой из видов кристаллической соды является традиционным средством, применяющимся дома в качестве очистителя от различного рода загрязнений. Так, с помощью этого вещества можно удалить пятна с кафеля, раковины, сантехники, посуды или ковров. Некоторые современные порошки могут разрушить своим агрессивным воздействием поверхность линолеума, мрамора, раковин, изготовленных из искусственного камня, однако подобное явление не касается кристаллической соды.

Кроме этого, можно запросто избавиться от накипи на нагревательных элементах стиральной машины, и в этом случае более всего подойдёт кальцинированная сода. Устранить засор в канализационных трубах, избавиться от неприятных запахов в холодильнике, отбелить постельное бельё – всё это проблемы, решить которые также может кристаллическая сода, являющаяся настоящим помощником каждой хозяйки.

В сфере косметологии используется преимущественно питьевая сода, её применение позволяет решить следующие проблемы:

• сбросить лишние килограммы;
• устранить ороговевшие клетки кожи;
• ликвидировать прыщи и угревые высыпания;
• избавиться от отёчности под глазами: удалить жирный блеск с лица, уменьшить жирность волос.

Кроме этого, раствором соды можно обрабатывать инструменты для макияжа или маникюра – это не только очистит их от загрязнений, но и удалит микробы с поверхностей.

Благодаря способности разрушительным образом воздействовать на бактерии и патогенные микроорганизмы, сода применяется в медицине для лечения различных заболеваний, вызванных подобными возбудителями, однако известно использование порошка и в процессе терапии некоторых самостоятельных болезней, а также их сопутствующих симптомов.

В данной сфере кристаллическая сода и, в частности, пищевая выполняет ряд определённых задач: избавляет от грибковых заболеваний:

• молочницы, онихомикоза;
• устраняет изжогу;
• уменьшает отёчность и зуд при укусах насекомых или при возникновении аллергической реакции;
• снимает болевой синдром при ожогах и способствует быстрой регенерации тканей;
• восстанавливает утраченную организмом жидкость при отравлении, предупреждает обезвоживание;
• избавляет от инфекций, локализующихся в полости рта;
• борется с мочекаменной болезнью;
• предотвращает появление кариеса;
• отбеливает эмаль зубов.

И, конечно же, наиболее известным применением кристаллической соды по-прежнему остаётся её использование в кулинарии. Однако в данной сфере может быть задействована исключительно питьевая сода, то есть гидрокарбонат натрия, поскольку именно это вещество характеризуется слабой щелочной реакцией. За счёт происхождения реакции натрия двууглекислого с кислой средой, выделяется углекислый газ, придающий кондитерским изделиям или, к примеру, омлету рыхлую, пористую структуру и пышный вид.

Химическая формула

Натриевые соли угольной кислоты выражаются разными химическими формулами и характеризуются наборами свойств, которые отличаются друг от друга в зависимости от вида вещества.

Так, питьевая сода имеет обозначение NaHCO3, она отлично растворяется в воде, но при этом не имеет способности гореть. В процессе нагревания, когда температура превышает отметку 70 С, порошок начинает разлагаться на карбонат натрия, углекислый газ и воду.

Формулой Na2CO3 принято фиксировать кальцинированную соду. Так же, как и натрий двууглекислый, этот тип соли характеризуется своей нерастворимостью в этиловом спирте и ацетоне, однако данное вещество полностью растворимо в воде, при этом, чем выше температура жидкости, тем больше образуемая концентрация. В результате подобного процесса гидроксильная группа соединения начинает взаимодействовать с натрием, что приводит к получению каустической соды, едкого натра (NaOH), использующегося в качестве чистящего средства. Отличительное свойство кальцинированной соды – способность поглощать водяные пары, именно этим объясняется её слеживание на открытом воздухе в плотные комки.

Кристаллической соде в целом присуща общая формула ‒ Na2CO3, однако более точная запись выглядит следующим образом: Na2CO3-10H2O.

Что это такое?

Кристаллическая сода представляет собой кристалл непрозрачного белого цвета, который добывают из отложений минералов и содовых озер. Согласно государственному стандарту различают соду марки А и В, соответственно гранулированную и порошкообразную. Кристаллы вещества относятся к 3 –му классу опасности в связи с активными химическими связями. Однако, не считаются пожаро- и взрывоопасными. Сода способна быстро впитывать влагу (повышенная гигроскопичность), при соединении с водой приобретает агрессивные свойства. Поэтому в условиях высокой влажности с ней надо работать очень внимательно. На открытом воздухе она при поглощении влаги и углекислоты образует кислую соль. Поэтому ее надо хранить в помещении с контролем влажности. Термин «сода» произошел от растения с аналогичным названием Soda, ее добывали из его золы. Кристаллической или кальцинированной она называется из-за способа получения: кристаллогидрат нужно нагреть для образования соды. Природным источником также считаются морские водоросли и минералы: термонатрит, натрон, нахколит.

Отличия от пищевой соды

Кристаллическая сода отличается от остальных видов другим составом, показателем водорода. Ее нельзя принимать во внутрь, она может вызывать аллергические реакции, дерматиты. Общими признаками являются противомикробные свойства.

Способы ее получения

Кристаллическую соду получают от природного сырья, аммиачным способом, из нефелина, путем карбонизации гидроксида натрия. Широко известные из них:

• Получение из природного сырья стало возможным благодаря открытиям залежей вещества в Соединенных Штатах. Метод заключается в переработке щелока и рапы, причем выделяют не только углекислый натрий, но и другие компоненты.
• Способ Леблана заключается в сплавке смеси угля натрия сульфата при высоких температурах в специальных вращающихся печах. Происходит образование сырой соды, которая постепенно выщелачивается в результате реакции с водой.

Определение понятия

Кристаллическая сода не что иное, как та самая пищевая сода, которую мы используем в кулинарии – такое представление, наверняка, имеет большая часть людей. Однако это не совсем верно. На самом деле понятие «кристаллическая сода» служит для обозначения натриевых солей угольной кислоты и является их общим названием. В зависимости от типа соединения выделяют 3 основные разновидности.

1. Питьевая или пищевая сода, представляющая собой белый мелкокристаллический порошок, который практически не имеет запаха. Основное название данного компонента – гидрокарбонат или бикарбонат натрия.
2. Кальцинированная сода – кристаллообразное вещество, характеризующееся белым цветом или вовсе не имеющее его.
3. Каустическая сода – наиболее распространённый вид щёлочи, представленной белыми гранулами, которые не имеют запаха, но характеризуются свойством отлично растворяться в воде и выделять при этом теплоту.

Кристаллическая сода относится к полезным ископаемым, её залежи можно встретить в озёрах, воды которых настолько богаты этим сырьём, что вещество скапливается на берегах и образует при этом настоящие сугробы. Ярким примером таких необычных водоёмов являются озёра в Западной Сибири и Забайкалье, в Танзании и Калифорнии. Добыча минерала ведётся также в шахтах, а в древности кристаллическую соду получали из морских водорослей Солянки содоносной ‒ именно от этих слов и произошло название вещества. В 1961 году, благодаря научным разработкам бельгийского химика Эрнеста Гастона Сольве, данный природный компонент начали получать промышленным путём, к слову сказать, принципы и технологии этого метода используются и в настоящее время.

Правила использования

При контакте с содой необходимо придерживаться правил безопасности, использовать средства защиты. Обратите внимание:

• Особенностью применения является предупреждение контакта со слизистыми оболочками. По меньшей мере это чревато раздражением и воспалением, а в худшем случае химическим ожогом. Длительный контакт с химическим соединением провоцирует развитие экземы, поэтому нужно использовать средства индивидуальной защиты: респиратор, очки и защитный костюм.
• В помещениях, где ведутся работы с веществом, должна присутствовать приточно-вытяжная вентиляция, а показатели воздуха соответствовать установленным нормам.
• При попадании ее в глаза, на кожу нужно промыть их большим количеством воды.
• В процессе приготовления пищи карбонат натрия не должен находиться рядом с продуктами питания.

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 осуществляется переход в β-модификацию, также имеющую моноклинную кристаллическую решетку. 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[1][2].

параметр	безводный карбонат натрия	декагидрат Na2CO3·10H2O
молекулярная масса	105,99 а. е. м.	286,14 а. е. м.
температура плавления	854 °C	32 °C
растворимость	не растворим в ацетоне и сероуглероде; малорастворим в этаноле; хорошо растворим в глицерине и воде
плотность ρ {displaystyle rho }	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 297 К)
стандартная энергия Гиббса образования G	−1047,5 кДж/моль (т) (при 297 К)	−3242,3 кДж/моль ((т) (при 297 К)
стандартная энтропия образования S	136,4 Дж/моль·K (т) (при 297 К)
стандартная мольная теплоёмкость Cp	109,2 Дж/моль·K (жг) (при 297 К)

Растворимость карбоната натрия в воде

температура , °C	10	20	25	30	40	50	60	80	100	120	140
растворимость , г Na2CO3 на 100 г H2O	7	12,2	21,8	29,4	39,7	48,8	47,3	46,4	45,1	44,7	42,7	39,3

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

C O 3 2 − + H 2 O ⇄ H C O 3 − + O H − {displaystyle {mathsf {CO_{3}^{2-}+H_{2}Orightleftarrows 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:

N a 2 C O 3 + H 2 S O 4 → N a 2 S O 4 + H 2 O + C O 2 ↑ {displaystyle {mathsf {Na_{2}CO_{3}+H_{2}SO_{4}rightarrow Na_{2}SO_{4}+H_{2}O+CO_{2}uparrow }}}

Как сделать самостоятельно кальцинированную соду из обычной питьевой

Стремление самостоятельно получить обладающую хорошими очищающими, обеззараживающими характеристиками кальцинированную соду может быть реализовано, если использовать в роли исходного сырья питьевую соду.

Рекомендовано для Вас:

Как надуть воздушный шарик с помощью соды и уксуса

Алгоритм действий:

1. Берут глубокую форму, используемую для запекания. На мягкую губку набирают немного геля для посуды и протирают все внутренние плоскости. Это позволит максимально обезжирить их. Промывают прохладной водой, полностью удаляя моющее средство. Вытирают досуха мягкой тканевой салфеткой.
2. Включают духовку, установив температуру в 230˚С.
3. Насыпают в форму пищевую соду, заполняя примерно половину объема.

Ставят в духовку емкость с бикарбонатом натрия и прокаливают, периодически помешивая деревянной лопаткой. Продолжается процесс на протяжении часа.

Достают готовый продукт. Оставляют остывать при комнатных условиях. Хранят домашнюю кальцинированную соду в сухой стеклянной емкости под герметичной крышкой.

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.

Способ Леблана

В 1791 году французский химик Николя Леблан получил патент на «Способ превращения глауберовой соли в соду». По этому способу при температуре около 1000 °C запекается смесь сульфата натрия («глауберовой соли»), мела или известняка (карбоната кальция) и древесного угля. Уголь восстанавливает сульфат натрия до сульфида:

N a 2 S O 4 + 2 C → N a 2 S + 2 C O 2 {displaystyle {mathsf {Na_{2}SO_{4}+2Crightarrow Na_{2}S+2CO_{2}}}}

Сульфид натрия реагирует с карбонатом кальция:

N a 2 S + C a C O 3 → N a 2 C O 3 + C a S {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:

2 N a C l + H 2 S O 4 → N a 2 S O 4 + 2 H C l {displaystyle {mathsf {2NaCl+H_{2}SO_{4}rightarrow Na_{2}SO_{4}+2HCl}}}

Выделявшийся в ходе реакции хлороводород улавливали водой с получением соляной кислоты.

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.

Промышленный аммиачный способ (способ Сольве)

В насыщенный раствор хлорида натрия пропускают эквимолярные количества газообразных аммиака и диоксида углерода, то есть как бы вводят гидрокарбонат аммония NH4HCO3:

N H 3 + C O 2 + H 2 O + N a C l → N a H C O 3 + N H 4 C l {displaystyle {mathsf {NH_{3}+CO_{2}+H_{2}O+NaClrightarrow 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:

2 N a H C O 3 → o t N a 2 C O 3 + H 2 O + C O 2 ↑ {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:

2 N H 4 C l + C a ( O H ) 2 → C a C l 2 + 2 N H 3 + 2 H 2 O {displaystyle {mathsf {2NH_{4}Cl+Ca(OH)_{2}rightarrow CaCl_{2}+2NH_{3}+2H_{2}O}}}

Полученный NH3 также возвращают в производственный цикл.

Таким образом, единственным отходом 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 в 1883 году[7]. 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 до появления процесса Габера, в то время аммиак был в дефиците, поэтому регенерировать его из NH4Cl было необходимо. Метод Хоу появился позже, необходимость регенерации аммиака уже не стояла так остро, соответственно, аммиак можно было не извлекать, а использовать его как азотное удобрение в виде соединения NH4Cl.

Тем не менее NH4Cl содержит хлор, избыток которого вреден для многих растений, поэтому использование NH4Cl в качестве удобрения ограничено. В свою очередь рис хорошо переносит избыток хлора, и в Китае, где применяется NH4Cl для рисоводства, метод Хоу, дающий NH4Cl в качестве побочного продукта, более широко представлен по сравнению с другими регионами.

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)[8].