Карбонат натрия

Основное состояние атома кислорода

У атома кислорода (как и атомы азота, фтора, неона) нет возбужденного состояния, так как отсутствует свободная орбиталь с более
высоким энергетическим уровнем, куда могли бы перемещаться валентные электроны.

Атом кислорода имеется два неспаренных электрона, максимальная валентность II.

Безопасность

Предельно допустимая концентрация аэрозоли 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 ее — дерматит.

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  

Нахождение в природе

В природе сода встречается в золе некоторых морских водорослей, а также в виде минералов:

Современные 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 удовлетворяет более 40 % потребности страны в этом полезном ископаемом.

Общая характеристика элементов via группы

Общее название элементов VIa группы O, S, Se, Te, Po — халькогены. Халькогены (греч. χαλκος — руда γενος —
рождающий) — входят в состав многих минералов. Например, кислород составляет 50% массы земной коры.

От O к Po (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств.
Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону.

Среди элементов VIa группы O, S, Se — неметаллы. Te, Po — металлы.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns2np4:

• O — 2s²2p⁴
• S — 3s²3p⁴
• Se — 4s²4p⁴
• Te — 5s²5p⁴
• Po — 6s²6p⁴

Получение

В промышленности кислород получают из сжиженного воздуха. Также активно применяются кислородные установки, мембрана которых
устроена как фильтр, отсеивающие кислород (мембранная технология).

В лаборатории кислород получают разложением перманганата калия (марганцовки) или бертолетовой соли при нагревании. Применяется реакция
каталитического разложения пероксида водорода.

KMnO4 → K2MnO4 MnO2 O2↑

KClO3 → KCl O2↑

H2O2 → (кат. — MnO2) H2O O2

На подводных лодках для получения кислорода применяют следующую реакцию:

Na2O2 CO2 → Na2CO3 O2↑

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.

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).

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).

Природные соединения

• Воздух — в составе воздуха кислород занимает 21% (это число пригодится в задачах!)
• В форме различных минералов в земной коре кислорода содержится около 50%
• В живых организмов кислород входит в состав органических веществ: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот

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.

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.

Свойства карбоната натрия 

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	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	0	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):

 CO₃²⁻ H₂O ⇄ HCO₃⁻ 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:

 Na₂CO₃ H₂SO₄ → Na₂SO₄ H₂O CO₂↑

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).

Тривиальные названия

Сода — общее название технических натриевых солей угольной кислоты.

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

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.

Химические свойства

Является самым активным неметаллом после фтора, образует бинарные соединения со всеми элементами кроме гелия, неона, аргона. Чаще всего реакции
с кислородом экзотермичны (горение), ускоряются при повышении температуры.

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 (to).

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 = 40-60oС).

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 40-60oС.

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.