Карбонат натрия (кальцинированная сода): свойства, применение, реакции

Карбонат натрия или кальцинированная сода – это распространенное во многих сферах вещество. Когда-то домохозяйки не могли обойтись без него в процессе мытья посуды, а школьники – в ходе удаления пятен чернил с поверхности столов, за которыми они учились. Сегодня карбонат натрия востребован в химической промышленности и в изготовлении продуктов питания, его используют в производстве стекла и изделий из него, вводят в состав лекарственных препаратов и средств для ухода за проблемной кожей, применяют для добычи нефти.

По внешнему виду вещество представляет собой порошок из мелких, едва различимых кристаллов серовато-белого цвета – многие могли наблюдать его во время школьных опытов. Помимо белого порошка, реагент может также принимать вид бесцветных кристаллов.

Вещество великолепно растворяется в воде и многоатомных спиртах.

Существует две основные разновидности карбоната натрия: промышленная и пищевая. Вторая известна под индексом Е500. Карбонат натрия – это незаменимый помощник, когда речь идет о приготовлении хлебобулочных изделий и десертов.

Однако, если углубиться в особенности соединения, можно узнать, что под названием карбонат натрия скрывается целая группа веществ:

• карбонат натрия, пищевая добавка Е500 (i);
• гидрокарбонат натрия, пищевая добавка Е500 (ii);
• смесь солей двух вышеназванных соединений, пищевая добавка Е500 (iii).

Что такое карбонат натрия

Карбонат натрия – это соединение, принадлежащее к классу неорганических веществ. Внешне вещество представляет собой однородный белый или бело-серый порошок, может принимать вид бесцветных кристаллов. Соединение прекрасно растворяется в обычной воде при комнатной температуре и в многоатомных спиртах. Под воздействием открытого воздуха карбонат натрия легко поглощает водяные пары, при длительном пребывании в такой среде начинается процесс комкования: отдельные крупинки слипаются, порошок изменяет свой вид, темнеет.

До позапрошлого века вещество получали посредством переработки морских водорослей и растущих неподалеку от водных источников растений, основанием для которых служила солончаковая почва. В современном мире технология получения кальцинированной соды изменилась – в середине 19 века произошло внедрение метода Сольве, значительно упростившего процесс добычи вещества.

Карбонат натрия широко применяется в различных отраслях промышленности: химический синтез, переработка нефти, металлургия, производство стекла, цемента, тканей, бумаги, моющих средств. В быту его применяют для удаления въевшихся пятен с различных поверхностей.

Физические характеристики карбоната натрия

Стехиометрический состав соединения описывается следующей формулой – Na₂CO₃, молекулярная масса составляет – 105,99 а.е.м.

Плотность реагента – 2,53 г/см³.

Известны три основные модификации карбоната натрия:

• α–модификация обладает моноклинной кристаллической решеткой, устойчива до 350°C;
• β–модификация существует в диапазоне от 350 до 479°C, преобразование происходит без изменения пространственной структуры;
• γ-модификация отличается гексагональной кристаллической решеткой, для ее получения необходим нагрев выше 479°C.

Вещество плавится при температуре 854C. Нагрев более 1000˚C вызывает разложение карбоната натрия до двух составляющих – оксида натрия (Na₂O) и углекислого газа (CO₂).

Соединение легко растворяется в воде. При 20˚C растворимость реагента составляет 21,8 г на 100 г воды. С повышением температуры этот показатель растет, достигая максимума на отметке 40C (48,8 г), а затем постепенно снижается. Так при 100˚C растворимость равна 44,7 г, 140C – 39,3 г.

Гидролиз карбоната натрия протекает согласно следующее схеме:

CO3^2- + h3O HCO3^– + ОН^–

Кальцинированная сода нерастворима в ацетоне, сероуглероде, слабо растворима в этаноле, зато легко растворяется в простейшем трехатомном спирте.

Способы получения карбоната натрия

Потребность в кальцинированной соде невозможно удовлетворить, используя только природные источники. Для получения в промышленных объемах разработаны следующие способы:

1. Метод Сольве.
2. Метод Хоу.

Первый метод запатентовал бельгийский химик Эрнест Сольве. Этот вариант считается более экономичным и менее трудозатратным, чем способы, применяемые ранее. Процесс получения готового продукта включает несколько стадий.

Образование гидрокарбоната натрия:

NH₃ + CO₂ + H₂O + NaCI → NaHCO₃ + NH₄Cl

Отделение осадка натриевой соли и последующее изменение отметки на термометре до 140-160˚C.

NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Продукты, образующиеся в ходе описанных реакций, используют повторно. Углекислый газ улавливают, а хлористый аммоний предварительно обрабатывают гидроксидом кальция для разложения на аммиак и воду.

NH₄Cl + Ca(ОН)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O

Хлористый кальций (CaCl₂) – единственный продукт, который выводится из системы.

Метод Хоу считается модификацией предыдущего способа. Он отличается тем, что хлорид аммония не используют для регенерации аммиака, а выводят из процесса.

Продукт широко применяют в качестве удобрения для выращивания риса, так-как избыток хлора не оказывает отрицательного влияния на этот злак. Процесс получения вещества описывается следующими уравнениями:

NH₃ + CO₂ + H₂O + NaCl → NaHCO₃ + NH₄Cl

NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Раствор хлорида натрия нагревают до 40C, пропускают через него углекислый газ и аммиак в газообразном виде. Полупродукт гидрокарбонат натрия выделяют из охлажденного раствора (10˚C) благодаря низкой растворимости соединения и подвергают нагреву до 140-160˚C. В результате происходит обезвоживание и удаление избыточного количества оксида углерода (IV).

В лабораторной практике используют и другие способы получения:

• Na₂O + CO₂ → Na₂CO₃ – смешивание оксида натрия с окисью углерода (IV);
• 2NaOH + CO ₂ → Na₂CO₃↓ + H₂O – пропускания диоксида углерода через раствор гидроксида натрия, рассматриваемое соединение остается на дне колбы;
• NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O – взаимодействие пищевой соды с гидроксидом натрия, приводящее к дегидратации;
• Na₂S + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaS – смешивание сульфида натрия с мелом приводит к образованию углекислого натрия и сульфида кальция.

Химические свойства, реакции с карбонатом натрия

Карбонат натрия – это средняя соль сильного основания и слабой кислоты, поэтому водные растворы описываемого соединения имеют среды с высокой концентрацией гидроксид-ионов. Реакция протекает в две ступени.

Na₂CO₃+ H₂O ⇄ NaOH + NaHCO₃, в ионном виде – CO₃^2- + H₂O ⇄ HCO₃^– + OH^–

NaHCO₃ + H₂O ⇄ NaOH + H₂­CO₃, в ионном виде – HCO₃^– + H₂O ⇄ H₂CO₃ + OH^–

Угольная кислота – довольно нестабильное соединение, которое легко разлагается на оксид углерода(IV) и обычную воду.

Кальцинированная сода отличается активностью, способна реагировать как с простыми, так и сложными веществами.

Взаимодействие с углеродом при температуре 900-1000C позволяет получить металлический натрий оксид углерода (II):

Na₂CO₃ + 2C → 2Na + 3CO

При реакции с галогенами (хлором, бромом, йодом) образуется соответствующие натриевые соли и углекислый газ. Уравнение процесса выглядит следующим образом:

3Na₂CO₃ + 3Hal₂ → NaHal + NaHalO₃ + CO₂↑

В реакции используется горячий, концентрированный раствор описываемого вещества.

Хлорид натрия при взаимодействии с карбонатом натрия дает на выходе гипохлорит натрия, одновременно выделяются газообразный оксид углерода(IV) и вода.

Na₂CO₃ + NaCl → NaClO + СО₂↑ + H₂O

Реакции с растворами минеральных кислот протекают с образованием средней соли, воды и углекислого газа. Взаимодействие компонентов описывают следующие схемы:

Na₂CO₃ + 2HCI → 2NaCl + СО₂↑ + H₂O

В случае взаимодействия карбоната натрия с соляной кислотой образуется хлористый натрий.

Na₂CO₃ + H₂SO₄ → 2Na₂SO₄ + CO₂↑ +H₂O

При смешивании соединения с серной кислотой получается сульфат натрия.

Na₂CO₃ + 2HF → 2NaF + H₂O + CO₂↑

При добавлении плавиковой кислоты происходит образование фторида натрия.

Na₂CO₃ + 2HNO₃ → 2NaNO₃ + CO₂↑+ H₂O

Смешивание реагента с азотной кислотой на выходе дает нитрат натрия.

При соединении углекислого натрия и угольной кислоты получается пищевая сода.

Na₂CO₃ + HCO₃ → 2NaHCO₃

Состав продуктов реакции между карбонатом натрия и ортофосфорной кислотой зависит от концентрации последней. При использовании разбавленного раствора получаются кислые соли, процессы описываются следующими уравнениями:

Na₂CO₃ + H₃PO₄ → Na₂HPO₄ + CO₂↑ + H₂O

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

При взаимодействии с концентрированной ортофосфорной кислотой образуется средняя соль (Na₃HPO₄). Для протекания реакции необходимо нагреть реагенты до кипения.

3Na₂CO₃ + 2H₃PO₄ → 2Na₃PO₄ + 3CO₂↑ + 3H₂O

Расплав карбоната натрия способен взаимодействовать с оксидом кремния. Температура расплава составляет 1150˚C, продукты реакции – метасиликат натрия и углекислый газ.

Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑

Кальцинированная сода взаимодействует с оксидом серы(IV). В нормальных условиях образуется сульфит натрия и оксид углерода (IV).

Na₂CO₃ + SO₂ → Na₂SO₃ + CO₂↑

Если реагенты нагреть до температуры 40-60C, то в результате получается дисульфит натрия и углекислый газ.

Na₂CO₃ + 2SO₂ → Na₂S₂O₅ + CO₂↑

В результате реакции кальцинированной соды с оксидом кальция в присутствии воды выделяется карбонат кальция и едкий натр. Метод применяют для получения едкого натра.

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → 2NaOH + CaCO₃

Карбонат натрия вступает в реакции с оксидами металлов (Fe, Al), образуя феррит и алюминат натрия, газообразный оксид углерода (IV). В первом случае компоненты нагревают до 800-900˚C, а во втором – 1000-1200˚C.

Na₂CO₃ + Fe₂O₃ → 2NaFeO₂ + CO₂↑

Na₂CO₃ + Al₂O₃ → 2NaAlO₂ + CO₂↑

Карбонат натрия вступает в реакцию ионного обмена с нитратом калия с образованием нитрата натрия и карбоната калия.

Na₂CO₃ + 2KNO₃ → 2NaNO₃ + K₂CO₃

Допустимые нормы приема карбоната натрия

Описываемое вещество широко используется в качестве пищевой добавки в России, Украине, Беларуси, странах Евросоюза. Количество вводимого соединения строго регламентируется ГОСТом, техническими условиями и другой нормативной документацией. Его содержание в продуктах не способно оказать вред здоровью человека, поскольку содержится в них в минимальных количествах. Рекомендаций относительно суточной нормы употребления пищевой добавки на данный момент нет.

Области применения карбоната натрия

Описываемое вещество широко используется в разнообразных отраслях народного хозяйства и быту. Наибольшей популярности карбонат натрия достиг в промышленности, а частности – в производстве стекла, металлургии, добыче и переработке нефти.

Производство стекла

Карбонат натрия исполняет роль флюса, снижая температуру плавления оксида кремния (IV) с 2500 до 500°C. Необработанное стекло растворяется в воде, поэтому дабы избежать этого к смеси добавляют соду, способствующую снижению способности материала к растворению. Так, карбонат натрия присутствует в составе практически всех оконных стекол и бутылок, которые вы видите. Кроме ого, соединение применяют для производства следующих разновидностей стекла:

• оптическое;
• электровакуумное;
• для медицинских целей;
• хрусталь;
• стеклоблоки и керамическая плитка;
• фритта.

Металлургия

Карбонат кальция необходим в производстве металлов: цинка, стронция, вольфрама, хрома, свинца.

В черной металлургии кальцинированная сода отвечает за процессы десульфации дефосфации чугуна.

Он также участвует в системах, отвечающих за очистку промышленных газов и нейтрализацию кислых стоков.

Химическая промышленность

Описываемое соединение является исходным продуктом в синтезе таких реактивов, как едкий натр (NaOH), тетраборат натрия(Na₂B₄O₇), гидрофосфат натрия (Na₂HPO₄). Кроме того, кальцинированную соду используют в производстве синтетических моющих средств, жирных кислот, мыловарении, красителей на анилиновой основе.

Добыча и переработка нефти

Карбонат натрия в сочетании с поверхностно-активными веществами позволяет снизить натяжение между водной средой и нефтью, что позволяет добиться более высоких результатов при разработке нефтяных месторождений.

Другие сферы применения

Реагент также востребован в следующих областях:

• текстильная и бумажно-целлюлозная промышленность – карбонат натрия часто применяют в производстве тканей и бумаги;
• уменьшение жесткости воды – карбонат натрия добавляют в воду, дают смеси настояться, а затем используют ее для хозяйственных нужд. Пить такую жидкость нельзя;
• пропитка для сигаретных фильтров;
• один из компонентов для проявляющего раствора в фотоделе;
• пищевая добавка, которая призвана регулировать кислотность, увеличивать срок хранения мясной продукции, выполнять эмульгатора и разрыхлителя, а также препятствовать комкованию сыпучих продуктов;
• удаление кожицы с овощей и фруктов – раствор на основе карбоната натрия заливают в специальные устройства, очищающие картофель, морковь, яблоки и груши;
• косметология;
• фармация – стабилизатор Е500 обладает ярко выраженными антацидными и антибактериальными свойствами, благодаря которым широко применяется в производстве антибиотиков и противотуберкулезных препаратов. Так, соду вводят в состав растворов для капельных инфузий, таблеток, растворов для промывания поврежденных участков кожи и полости рта, зубных паст и очищающих лосьонов для склонной к высыпаниям кожи.

Применение соды в быту

Не меньшей популярности карбонат натрия достиг в быту. Как уже было сказано выше, раньше он применялся для удаления въевшихся пятен и мытья посуды.

Помимо уже названных свойств, кальцинированная сода помогает справиться с накипью, нагаром, жировыми загрязнениями на поверхности посуды, плиты, мойки.

Она предназначена для борьбы с засорами, убирает практически любые загрязнения с сантехнического оборудования (ржавчину, кальцинированные отложения, плесень и др.). Так, с целью устранения засора в слив высыпают полстакана соды, а затем заливают его 2-3 литрами кипятка и оставляют на полчаса. По истечении 30 минут смесь смывают большим количеством воды.

Для избавления от въевшихся загрязнений влажную губку обильно посыпают содой и поливают водой, затем протирают загрязненную область. Жир, грязь и прочие загрязнения исчезают в считанные минуты.

Реагент в сочетании с нашатырным спиртом или раствором перекиси водорода выступает в качестве действенного пятновыводителя и отбеливателя. Бельевая сода используется для стирки изделий из хлопчатобумажных тканей.

В ходе ремонтных работ кальцинированную соду применяют для удаления старой краски. Для этого карбонат натрия высыпают на окрашенную поверхность, накрывают плотной влажной тканью и оставляют так на 10-12 часов. По истечении этого времени краска с легкостью отходит от любых поверхностей.

Также карбонат натрия применяют для мягкого отбеливания тканей и выведения пятен с любимых вещей. Для этого кальцинированную соду смешивают с теплой водой и наносят на пятно, спустя 15 минут раствор смывают. Если пятно не исчезло, процедуру повторяют. Для ускорения эффекта можно ввести в смесь нашатырный спирт.

А вот пищевую соду можно обнаружить в составе сухого молока, а также продуктов, приготовленных на основе шоколада или какао-порошка. Кроме того, соединение используют для обработки овощей в технологии щелочного удаления кожицы.

При работе с непищевыми разновидностями карбоната натрия важно соблюдать меры предосторожности: защищать чувствительную кожу рук, держать применяемое средство как можно дальше от слизистых рта и глаз.

Как влияет карбонат натрия на человеческий организм?

Согласно официальным данным описываемое соединение относится к безопасной категории пищевых добавок. При правильном использовании вещество не способно нанести вред человеку. Однако следует учитывать индивидуальные реакции на реагент. У людей с повышенной чувствительностью возможны такие проявления, как нарушение дыхательной функции, обморочное состояние, аллергические реакции, сбои в работе печени, мозговой деятельности.

Полезные свойства карбоната натрия

В данном случае речь пойдет о пищевой соде.

К положительным свойствам описываемого вещества относится способность нейтрализовать повышенную кислотность желудочного сока, благодаря чему его применяют для устранения боли, вызванной гастритом и язвенной болезнью. Способность карбоната натрия к нейтрализации кислот обеспечила ему широкое применение при отравлении кислотами.

Кроме того, карбонат натрия способен разжижать мокроту, благодаря чему часто применяется в муколитиках, применяемых при заболеваниях дыхательных путей. Он способствует разжижению мокроты и уменьшению кашля.

Содовый раствор также применяют для полоскания ротовой полости, снятия болезненных ощущений при укусах насекомых и повреждениях кожного покрова, как антисептическое и противогрибковое средство.

В косметологии хорошие результаты дает скраб на основе гидрокарбоната натрия.

Вредное воздействие карбоната натрия на организм человека

Реагент, находящийся в порошкообразном состоянии, способен вызывать раздражение кожи, органов дыхания, глаз. Особенно важно не допускать соприкосновения карбоната натрия со слизистыми оболочками глаз и рта.

Раствор кальцинированной соды имеет сильно щелочную среду, поэтому при работе с ним желательно использовать перчатки. Они защитят кожу от покраснения и возможного химического ожога.

Употребление в пищу чрезмерного количества карбоната натрия может вызывать следующие последствия:

• резкое повышение кровяного давления;
• неприятные ощущения в области желудка;
• отек всего тела;
• уменьшение уровня калия в организме и, как следствие, быструю утомляемость, мышечные судороги и нарушение сердечного ритма.

Противопоказания

Описываемое вещество содержит в своем составе натрий, поэтому следует ограничить его применение лицам со следующими проблемами:

• артериальная гипертензия;
• нарушение в работе почек;
• мочекаменная болезнь;
• сердечно-сосудистые заболевания;
• отечность.

Показания к применению

Гидрокарбонат натрия назначают при отравлении, инфекциях, для снятия приступа изжоги, симптоматического лечения кашля.

Раствор пищевой соды используют локально для полоскания полости рта, горла, глаз, размягчения ушных пробок, в виде компресса с целью снятия зуда после укусов насекомых.

Также средства с карбонатом натрия показаны людям с проблемной кожей: он позволяет снизить количество высыпаний и убрать покраснение.

Тип пищевой добавки, класс опасности и токсичности, условия хранения

К данной категории относятся следующие соединения:

• карбонат натрия E 500(i);
• гидрокарбонат натрия E 500(ii);
• смесь карбоната и гидрокарбоната натрия E 500(iii).

Задача добавок этого типа облегчить технологический процесс производства продовольственной продукции.

Описываемые соединения относятся к 3 классу опасности, нетоксичны. Сода обладает высокой гигроскопичностью, поэтому важно хранить ее в герметично закрытой таре, в сухом помещении. После вскрытия упаковки рекомендуется ограничить контакт с влажным воздухом и водой.

Заключение

Карбонат натрия – это распространенное в разных сферах соединение. Он представляет собой однородный порошок серо-белого цвета, может принимать вид бесцветных кристаллов. Существует несколько разновидностей реагента: пищевая полностью безопасна, а вот при взаимодействии с технической необходимо применение средств индивидуальной защиты.

Карбонат натрия применяется в химической отрасли, нефтеперерабатывающей промышленности, металлургии, он значительно облегчает процесс ремонта и практически незаменим в быту. Кроме того, вещество часто вводят в состав продуктов питания, лекарственных препаратов и косметических средств.