碳酸鈉 碳酸鈉(Sodium Carbonate),重要的無(wú)機(jī)化合物,俗稱(chēng)純堿,又稱(chēng)蘇打、堿灰?;瘜W(xué)式為Na 2 CO 3 , 摩爾質(zhì)量 為105.988g/mol。 碳酸鈉分類(lèi)屬于鹽,是一種白色吸濕性粉末,無(wú)味 無(wú)臭,易溶于 水 ,還溶于 甘油 ,不溶于 乙醇 、 乙醚 。水溶液呈強(qiáng)堿性,易與酸發(fā)生 中和反應(yīng) ,放出 二氧化碳 ,在潮濕的空氣里會(huì)吸潮結(jié)塊,部分變?yōu)?/span>碳酸氫鈉 。 碳酸鈉的制法有聯(lián)合制堿法、氨堿法、路布蘭法等,也可由 天然堿 加工精制。碳酸鈉有 一水碳酸鈉 、七水碳酸鈉和 十水碳酸鈉 等水合物,其中十水碳酸鈉可以用作洗滌劑。碳酸鈉是冶金、玻璃、化學(xué)、醫(yī)藥、紡織印染等工業(yè)重要的無(wú)機(jī)化工原料。玻璃工業(yè)是制造玻璃的主要原料;冶金工業(yè)中用作 助溶劑 ;醫(yī)藥上用于合成 安乃近 等藥物;化學(xué)用于制造其他化合物的。
基本信息
別名
俗稱(chēng)純堿,又稱(chēng)蘇打、堿灰
性質(zhì)
危險(xiǎn)性
相關(guān)歷史 古人 蒲林尼 (Pliny)發(fā)現(xiàn)由海藻灰可生產(chǎn)出 硬皂 ,而木灰則可以得到軟皂。這樣的發(fā)現(xiàn)一直未得到進(jìn)展,直到1935年 蒙可尤 (Monceau)才證明海藻灰中的堿含有蘇打,它在化學(xué)上不同于木灰中的堿。 1793年,法國(guó)化學(xué)家 勒布朗 最早發(fā)明了人工合成純堿的方法,并首先獲得專(zhuān)利,后來(lái)被稱(chēng)為勒布朗制堿法。但這種方法所制得的純堿純度不高,還會(huì)消耗大量能源。1861年, 比利時(shí) 化學(xué)家 索爾維 以食鹽、 石灰石 、 氨 為原料制得了碳酸鈉和 氯化鈣 (稱(chēng)為氨堿法)。這種方法得到的純堿純度高、質(zhì)量好;1863年索爾維正式創(chuàng)辦了一家制堿工廠,實(shí)現(xiàn)了氨堿法的工業(yè)化。1867年,以氨堿法制得的純堿在法國(guó)巴黎舉行的世界博覽會(huì)上獲得了銅制獎(jiǎng)?wù)?,因此氨堿法被正式命名為 索爾維制堿法 。這個(gè)消息被英國(guó) 哈琴公司得知后與索爾維簽訂了兩年獨(dú)占索爾維制堿法生產(chǎn)純堿的協(xié)議。1873年,哈琴公司改名為 卜內(nèi)門(mén)公司 ,建立了以索爾維制堿法為制法的大規(guī)模生產(chǎn)純堿的工廠,后來(lái)在法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家相繼建廠。這幾個(gè)國(guó)家后來(lái)成立了索爾維公會(huì),并且決定索爾維制堿法今后的技術(shù)改進(jìn)不再對(duì)外公開(kāi),不申請(qǐng)專(zhuān)利,直接封鎖了索爾維制堿法的對(duì)外應(yīng)用,最終壟斷了純堿的研制、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、價(jià)格。 1943年,中國(guó)科學(xué)家 侯德榜 對(duì)索爾維法進(jìn)行改進(jìn),將純堿和 合成氨 兩大工業(yè)聯(lián)合,同時(shí)生產(chǎn)碳酸鈉和化肥 氯化銨 ,大大提高了食鹽的利用率。 原子的利用率達(dá)到了 100%。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 碳酸鈉為白色吸濕性粉末,密度為2.54g/cm ,熔點(diǎn)為856oC。 碳酸鈉為強(qiáng)電解質(zhì),具有鹽的通性和熱穩(wěn)定性,易溶于水, 還溶于甘油, 不溶于乙醇、乙醚, 在水溶液或熔融狀態(tài)下能導(dǎo)電, 并且水溶液有澀味和滑膩感。
不同溫度下碳酸鈉在水中的溶解度
溫度(oC)
0
20
100
溶解度(%)
7.1
17.8
45.5
水合物 一水碳酸鈉(Na 2 CO 3 ·H 2 O)為無(wú)色正交結(jié)晶或白色結(jié)晶粉末,含有85.48%的碳酸鈉和14.52%的結(jié)晶水。當(dāng)溫度高于35.4℃時(shí),它可以從飽和溶液中析出結(jié)晶;當(dāng)與飽和溶液接觸時(shí),在109℃轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕c。
七水碳酸鈉(Na 2 CO 3 ·7H 2 O),含有45.7%的碳酸鈉和54.3%的結(jié)晶水,它的穩(wěn)定范圍狹小,僅在32℃~35.4℃間存在,所以沒(méi)有工業(yè)價(jià)值。
十水碳酸鈉(Na 2 CO 3 ·10H 2 O)為無(wú)色單斜透明晶體,含有37.06%的碳酸鈉和62.94%的結(jié)晶水,它可以從32℃~-2.1℃的飽和溶液中結(jié)晶出來(lái)。這種結(jié)晶在干燥空氣中容易風(fēng)化,生成一水碳酸鈉。
化學(xué)性質(zhì) 碳酸鈉可以與多種酸、堿、鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 碳酸鈉水溶液呈堿性, 可以使無(wú)色酚酞溶液變紅, 有一定的腐蝕性,能與酸進(jìn)行中和反應(yīng),生成相應(yīng)的鹽并放出二氧化碳。高溫可分解,生成 氧化鈉 和二氧化碳。長(zhǎng)期暴露在空氣中能吸收空氣中的水分和二氧化碳生成碳酸氫鈉,并結(jié)成硬塊。 純堿粉塵對(duì)人體皮膚、呼吸道和眼睛有刺激性作用,其濃溶液可引起皮膚灼傷、壞死等。
碳酸鈉水解 上述反應(yīng)導(dǎo)致溶液中H 減少,剩下電離的OH ,故溶液最終顯堿性。
高溫分解 高溫分解,生成氧化鈉和二氧化碳。
氧化鈉是 堿性氧化物 ,因此碳酸鈉的這一性質(zhì)常被用于制造鈉玻璃、煉鋼時(shí)脫硫和造渣等。
中和反應(yīng) 碳酸鈉能與一切可溶性酸進(jìn)行中和反應(yīng),生成相應(yīng)的鹽并放出二氧化碳。
與鹽反應(yīng) 碳酸鈉與 硫酸鎂 、 硫酸鋅 和硫酸亞鐵等硫酸鹽反應(yīng),生成硫酸鈉和相應(yīng)沉淀。 碳酸鈉與 氯化鎂 、氯化鈣和 氯化鋇 等 氯化物 反應(yīng),生成氯化鈉和相應(yīng)沉淀。
與氧化物反應(yīng) 碳酸鈉長(zhǎng)期暴露在空氣中吸收空氣中的水分和二氧化碳生成碳酸氫鈉,并結(jié)成硬塊。
制備方法 在人工合成純堿之前,古代就發(fā)現(xiàn)某些海藻晾曬后,燒成的灰燼中含有堿類(lèi),用熱水浸取、濾清后可得褐色堿液用來(lái)洗滌。大量的天然堿來(lái)自礦物,以地下埋藏和堿水湖為主。 而人工合成純堿的方法有聯(lián)合制堿法、氨堿法、勒布朗法, 其中勒布朗制堿法所制的碳酸鈉是以碳酸鈉為主要的純堿粗制品,還需要經(jīng)過(guò)浸取、蒸發(fā)、精制、再結(jié)晶、烘干,才能獲得純度約為97%的純堿,這樣會(huì)消耗大量能源,故這種方法慢慢被索爾發(fā)明的氨堿法取代,索爾維的氨堿法制得的純堿純度高、質(zhì)量好, 但是氨堿法會(huì)生成大量的副產(chǎn)物氯化鈣廢料,使得原子利用率僅48.8%左右;而侯氏制堿法產(chǎn)生的副產(chǎn)物氯化銨可以直接當(dāng)成肥料使用,使得原子的利用率達(dá)到了100%。
勒布朗制堿法 1791年,法國(guó)化學(xué)家 勒布朗 成功地以食鹽為原料生產(chǎn)出碳酸鈉。將 氯化鈉 與 濃硫酸 混合,在800℃~900℃下,反應(yīng)產(chǎn)生 氯化氫 氣體,并得到固體 硫酸鈉 ;再將硫酸鈉固體粉碎,并混合于炭和石灰石中,再次放回加熱爐中用1000℃高溫加熱。 反應(yīng)方程如下:
氨堿法 1861年,比利時(shí)化學(xué)工程師 索爾維 (ErnestSolvay,1838-1922)發(fā)明了氨堿法,以食鹽、石灰石和 氨 為主要原料。石灰石在石灰窯中煅燒為 石灰 和 二氧化碳 。將氨及二氧化碳(由石灰石分解而得)先后通入飽和鹽水中生成 碳酸氫鈉 沉淀,再經(jīng)過(guò)濾、洗滌、煅燒等步驟而制得產(chǎn)品純堿。濾液與 石灰乳 混合加熱所蒸出的氨和煅燒碳酸氫鈉所放出的二氧化碳可回收循環(huán)使用。 反應(yīng)方程如下:
侯氏制堿法 1943年, 侯德榜 在索爾維制堿法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),發(fā)明了侯氏制堿法。 侯氏制堿法是將合成氨法與氨堿法工藝聯(lián)合,同時(shí)生產(chǎn)純堿和 氯化銨 的方法。以食鹽、氨和二氧化碳(合成氨工業(yè)的副產(chǎn)品)為原料,將氨與二氧化碳先后通入飽和鹽水中,生成碳酸氫鈉沉淀,經(jīng)過(guò)濾、洗滌、煅燒可以得產(chǎn)品純堿。在濾液中通入氨和加入食鹽并進(jìn)行冷凍,使氯化銨析出,經(jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥而得氯化銨。此時(shí)由食鹽所飽和的濾液,可再通入氨和二氧化碳,循環(huán)使用。 反應(yīng)方程如下:
用途
鋼鐵工業(yè) 煉鋼時(shí)用純堿來(lái)脫硫和加大熔渣的流動(dòng)性,使熔渣和鋼水易于分開(kāi)。生鐵在鑄造過(guò)程中如果沒(méi)有提前除去雜質(zhì),很容易脆裂,造成損失。生鐵中雜質(zhì)以 硫 、 磷 危害最大,在化鐵時(shí)加入純堿,使硫變成 二氧化硫 和 三氧化硫 氣體逸出,此時(shí)純堿中的 氧化鈉 可以與三氧化硫和磷的氧化物反應(yīng),最終變成熔渣除去。
煉鋁工業(yè) 鋁在現(xiàn)代的國(guó)防工業(yè)和生活用品中的需用量很大。純堿是煉鋁工業(yè)的主要原料之一,每煉1噸鋁需純堿400kg左右。在石灰燒結(jié)煉鋁過(guò)程中,利用純堿使 氧化鋁 轉(zhuǎn)化為 鋁酸鈉 ,使礦石中的 氧化硅 轉(zhuǎn)化為不溶性的 硅酸鈣 ,從而與 鋁酸鈉 分離。
玻璃工業(yè) 純堿是玻璃工業(yè)的主要原料,它可以提供玻璃不可或缺的原料氧化鈉,還可以降低 石英砂 的熔化溫度。制造平板玻璃和一般的玻璃器皿,每噸耗純堿達(dá)200kg。由于玻璃制造過(guò)程中工藝和設(shè)備上的要求,一般要求純堿的粒度細(xì)一點(diǎn),含鹽少一點(diǎn)。
化學(xué)工業(yè)
醫(yī)藥工業(yè)
紡織印染工業(yè) 在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行皂洗、除污等工藝常用純堿,還常用純堿來(lái)消除余酸。在印染色布時(shí)也常用 液堿 來(lái)煮洗色布的浮色。
食品 碳酸鈉可以作為一種 食品膨松劑 ,主要應(yīng)用于饅頭、面包等需要經(jīng)過(guò)發(fā)面團(tuán) 的食品制作 過(guò)程中。面團(tuán)在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生酸類(lèi)物質(zhì),加入純堿后,中和了酸,并且在此過(guò)程中產(chǎn)生二氧化碳使面團(tuán)膨松。碳酸鈉還可作為面制品改良劑,在水中加入碳酸鈉,再摻入面粉中,可提高面條的韌性,使之更加筋道,俗稱(chēng) 堿水面 。
攝像 碳酸鈉可以用作黑白及 彩色顯影液 的促進(jìn)劑,可以提高反差,由于它對(duì)感光片膠膜有膨脹作用,且易造成銀粒偏粗現(xiàn)象,因而不適用于微粒顯影液。
安全事宜
安全標(biāo)識(shí) GHS分類(lèi)
GHS
危險(xiǎn)說(shuō)明
危險(xiǎn)等級(jí)
H319
引起嚴(yán)重的眼睛刺激
嚴(yán)重的眼睛損傷/眼睛刺激
貯存與運(yùn)輸 碳酸鈉應(yīng)儲(chǔ)存在通風(fēng)、干燥的庫(kù)房?jī)?nèi)。包裝需要密封,以防止吸水而結(jié)塊。不可與酸類(lèi)物品、 銨鹽 和有毒、有味產(chǎn)品共儲(chǔ)。 運(yùn)輸時(shí)包裝要完整,裝載應(yīng)穩(wěn)妥。運(yùn)輸過(guò)程中要確保容器不泄漏、不倒塌、不墜落、不損壞。嚴(yán)禁與酸類(lèi)、食用化學(xué)品等混裝混運(yùn)。運(yùn)輸途中應(yīng)防曝曬、雨淋,防高溫。車(chē)輛運(yùn)輸完畢應(yīng)進(jìn)行徹底清掃。
毒理學(xué)資料 小鼠經(jīng)口LD 50 的6g/kg,犬連續(xù)3~4周投藥量150g,出現(xiàn)腹瀉、嘔吐致死。 ADI (Acceptable Daily Intake)沒(méi)有特殊規(guī)定,F(xiàn)DA (Food and Drug Administration)將其列為一般公認(rèn)安全物質(zhì)。
健康危害 碳酸鈉粉塵對(duì)皮膚、呼吸道和眼睛有刺激作用,長(zhǎng)時(shí)間接觸本品溶液可能出現(xiàn)濕疹、皮膚松軟、皮炎等病癥。
急救措施 吸入:脫離現(xiàn)場(chǎng)移至空氣清新的 地方進(jìn)行休息,如呼吸困難,進(jìn)行輸氧,然后就醫(yī)。 食入:用水漱口,喝牛奶或蛋清,然后就醫(yī)。
皮膚接觸:立即脫去污染的衣著,用大量流動(dòng)的清水進(jìn)行沖洗至少15分鐘,然后就醫(yī)。
眼睛接觸:立即提起眼瞼,用大量清水或 生理鹽水 清洗至少15分鐘,然后就醫(yī)。