Նատրիումի կարբոնատ

քիմիական միացություն


Նատրիումի կարբոնատ (կալցինացված սոդա, ածխաթթվի նատրիումական աղ)՝ անօրգանական միացություն է։ Քիմիական բանաձևը՝ Na2CO3 է։ Ջրում լավ լուծվող, խոնավածուծ, անգույն բյուրեղային նյութ է կամ սպիտակ փոշի։ Արդյունաբերության մեջ հիմնականում ստանում են նատրիումի քլորիդից Սոլվեի եղանակով։ Կիրառվում է ապակու, լվացող միջոցների արտադրություններում, բոքսիտներից ալյումինի ստացման և նավթի մաքրման ժամանակ։

Նատրիումի կարբոնատ
Sodium carbonate.svg
Uhličitan sodný.JPG
Ընդհանուր տեղեկություններ
Դասական անվանակարգումՆատրիումի կարբոնատ
Քիմիական բանաձևCNa₂O₃, Na₂CO₃
Մոլային զանգված1,8E−25 կիլոգրամ[1] գ/մոլ
Խտություն2,53 գ/սմ³ գ/սմ³
Հալման ջերմաստիճան852 °C °C
Կազմալուծման ջերմաստիճան1000 °C
Քիմիական հատկություններ
pKa10,33
Դասակարգում
CAS համար497-19-8
PubChem10340
EINECS համար207-838-8
SMILESC(=O)([O-])[O-].[Na+].[Na+]
ЕС207-838-8
RTECSVZ4050000
ChEBI9916
Եթե հատուկ նշված չէ, ապա բոլոր արժեքները բերված են ստանդարտ պայմանների համար (25 °C, 100 կՊա)

Ֆիզիկական հատկություններԽմբագրել

Անգույն բյուրեղային նյութ է կամ սպիտակ փոշի։ Ունի մի քանի ձևափոխություններ։ ɑ-ձևափոխությունը ձևավորվում է 3500C-ում,ապա մինչև 4790C տաքացնելիս առաջանում է β-ձևափոխությունը։ ɑ- և β-ձևափոխությունն ունեն մոնոկլինային խորանարդային բյուրեղացանցեր։ 4790C-ից բարձր ջերմաստիճանում նատրիումի կարբոնատը վերածվում է վեցանկյուն բյուրեղացանց ունեցող β-ձևափոխության։ Հալվում է 8540C-ում, 10000C-ից բարձր ջերմաստիճանում քայքայվում է առաջացնելով նատրիումի օքսիդ և ածխաթթու գազ[2][3]։

Անգույն, մոնոկլինային Na2CO3·10H2O բանաձևով բյուրեղահիդրատը 32,017 °C-ում վերածվում է շեղանկյուն բյուրեղացանցով Na2CO3·7H2O բյուրեղահիդրատի, մինչև 35,27 °C տաքացնելիս վերածվում է անգույն շեղանկյուն բյուրեղացանցով Na2CO3·H2O բյուրեղահիդրատի։ 100-2000 C-ում մոնոհիդրատը կորցնում է ջուրը վերածվելով՝ Na2CO3:

ՊատկերասրահԽմբագրել

Նատրիումի կարբոնատի հատկությունները
Ֆիզիկական մեծություն անջուր նատրիումի կարբոնատ դեկահիդրատ Na2CO3·10H2O
մոլեկուլային զանգված 105,99 զ. ա. մ. 286,14 զ. ա. մ.
հալման ջերմաստիճան 854 °C 32 °C
լուծելիություն չի լուծվում ացետոնում և ծծմբածխածնում, քիչ լուծելի է էթանոլում, լավ է լուծվում գլիցերինում և ջրում
խտություն   2,53 գ/սմ³ (20 °C-ում) 1,446 գ/սմ³ (17 °C-ում)
գոյացման ստանդարտ էնթալպիա ΔH −1131 ԿՋ/մոլ (297 Կ-ում) −4083,5 ԿՋ/մոլ (297 Կ-ում)
գոյացման ստանդարտ Գիբսի էներգիա G −1047,5ԿՋ/մոլ (297 Կ-ում) −3242,3 ԿՋ/մոլ (297 Կ-ում)
գոյացման ստանդարտ էնթրոպիա S 136,4 ԿՋ/մոլ·Կ (297 Կ-ում)
ստանդարտ մոլային ջերմունակություն Cp 109,2 ԿՋ/մոլ·Կ (297 Կ)
Նատրիումի կարբոնատի լուծելիությունը ջրում
ջերմաստիճան, °C 0 10 20 25 30 40 50 60 80 100 120 140
լուծելիություն, գ Na2CO3 100 գ H2O 7 12,2 21,8 29,4 39,7 48,8 47,3 46,4 45,1 44,7 42,7 39,3

Բնության մեջԽմբագրել

Բնության մեջ սոդան հանդիպում է որոշ ծովային ջրիմուռների մոխրի բաղադրության մեջ, ինչպես նաև առանձին հանքերի տեսքով՝

  • նախկոլիտ NaHCO3
  • տրոն (եգիպտական աղ) Na2CO3·NaHCO3·2H2O
  • նատրիտ (նատրոն, բյուրեղային սոդա) Na2CO3·10H2O
  • թերմոնատրիտ Na2CO3·Н2O.

Ժամանակակից սոդայի լճերը հայտնի են Անդրբայկալում և Արևմտյան Սիբիրում, մեծ ճանաչում ունեն Նատրոն լիճը Տանզանիայում և Սիրլիս լիճը Կալիֆորնիայում[4]։ Արդյունաբերական նշանակություն ունեցող տրոնը հայտնաբերվել է 1938 թվականին Գրին-Ռիվերում՝ (Վայոմինգ, ԱՄՆ) էոցենի շերտում։ Այս նստվածքային շերտում հայտնաբերվել են նաև նախկինում հազվագյուտ համարվող հանքեր, այդ թվում դավսոնիտը, որը հումք է հանդիսանում սոդայի և ալյումինի օքսիդի ստացման համար։ ԱՄՆ-ում բնական սոդան բավարարում է այս հանքանյութի նկատմամբ երկրի պահանջարկի ավելի քան 40%-ը։

Քիմիական հատկություններԽմբագրել

Նատրիումի կարբոնատը ջրային լուծույթում հիդրոլիզվում է ապահովելով միջավայրի հիմնային ռեակցիան։ Նատրիումի կարբոնատի հիդրոլիզի կրճատ իոնային հավասարումն է՝

 

Ածխաթթվի դիսոցման հաստատունը առաջին փուլի համար 4,5×10−7 է։ Ածխաթթուն անկայուն և թույլ թթու է։ Նատրիումի կարբոնատի և թթուների փոխազդեցությունից առաջանում է ածխաթթու, որն անմիջապես քայքայվում է վերածվելով ածխածնի երկօքսիդի և ջրի։

 

ՍտացումԽմբագրել

Մինչև 19-րդ դարի սկիզբը, նատրիումի կարբոնատը ստացվում էր հիմնականում որոշ ջրիմուռների, ափամերձ և աղասեր բույսերի մոխրից վերաբյուրեղացման միջոցով։

Լեբլանի եղանակԽմբագրել

1791 թվականին ֆրանսիացի քիմիկոս Նիկոլայ Լեբլանը «Գլաուբերի աղը սոդայի վերափոխելու մեթոդի» համար արտոնագիր ստացավ։ Նատրիումի սուլֆատի («Գլաուբերի աղ»), կավիճի կամ կրաքարի (կալցիումի կարբոնատ) և փայտածուխի խառնուրդը եփվում է մոտ 1000°-C ջերմաստիճանում։ Ածուխը նատրիումի սուլֆատը վերականգնում է մինչև նատրիումի սուլֆիդի։

 

Նատրիումի սուլֆիդը փոխազդում է կալցիումի կարբոնատի հետ։

 

Ստացված հալույթը մշակում են ջրով, նատրիումի կարբոնատը անցնում է լուծույթ, կալցիումի սուլֆիդը ֆիլտրում են, ապա նատրիումի կարբոնատի լուծույթը շոգիացնում։ Ստացված նատրիումի կարբոնատը վերաբյուրեղացնում են։ Լեբլանի եղանակով ստացվում է նատրիումի կարբոնատի բյուրեղահիդրատ։ Ստացված սոդան ջրազրկում են կալցինացման եղանակով։

Նատրիումի սուլֆատը ստացվում է կերակրի աղի և ծծմբական թթվի փոխազդեցությունից։

 

Ռեակցիայի հետևանքով անջատվող քլորաջրածինը կլանում են ջրով ստանալով աղաթթու։

Ռուսաստանում այս տիպի առաջին գործարանը հիմնադրվել է Բառնաուլում 1864 թվականին՝ արդյունաբերող Մ. Պրանգի կողմից։

Սոլվեի խնայողական և տեխնոլոգիական մեթոդի հայտնվելուց հետո (որի արդյունքում մեծ քանակով կողմնակի կալցիումի սուլֆիդ չի առաջանում) Լեբլանի եղանակով աշխատող գործարանները փակվեցին։ 1900 թվականին գործարանների 90 %-ը աշխատում էին Սոլվեի եղանակով։ Լեբլանի եղանակով աշխատող վերջին ֆաբրիկան փակվեց 1920-ական թվականների սկզբին։

Սոլվեի եղանակ (արդյունաբերական ամոնիակային եղանակ)Խմբագրել

1861 թվականին բելգիացի ինժեներ-քիմիկոս Էռնեստ Սոլվեն արտոնագրեց սոդայի արտադրության իր եղանակը, որը կիրառվում է մինչ օրս։

Նատրիումի քլորիդի հագեցած լուծույթի միջով անցկացնում են գազային ամոնիակ և ածխածնի (IV) օքսիդ, կարծես թե լուծույթը մշակում են ամոնիումի կարբոնատով՝ NH4HCO3:

 

Քիչ լուծելի նատրիումի հիդրոկարբոնատի մնացորդը ֆիլտրում են և կալցինացնում (ջրածնազրկում՝ տաքացնելով 140-1600C), որի արդյունքում հիդրոկարբոնատը վերածվում է կարբոնատի։

 

Անջատված CO2 վերադարձնում են արդյունաբերական ցիկլ։ Ամոնիումի քլորիդը՝ NH4Cl մշակում են կալցիումի հիդրօքսիդով՝ Ca(OH)2:

 

Ստացված NH3-ը ևս վերադարձնում են արդյունաբերական ցիկլ։

Այսպիսով, գործընթացի միակ թափոն համարվում է կալցիումի քլորիդը։

Սոդայի ստացման այս եղանակով աշխատող աշխարհում առաջին գործարանը բացվել է 1863 թվականին Բելգիայում, Իսկ Ռուսաստանում՝ 1883 թվականին Ուրալի մարզի Բերեզնիկի քաղաքում։ «Լյուբիմով, Սոլվե և Ընկ.» գործարանը տարեկան արտադրում էր 20տ սոդա։

Մինչ օրս այս եղանակը հանդիսանում է սոդայի ստացման հիմնական եղանակ։

Հոուի եղանակԽմբագրել

Եղանակը մշակվել է 1930 թվականին Հոուի (Hou Debang) կողմից։ Սոլվեի եղանակից տարբերվում է նրանով, որ չի օգտագործվում կալցիումի հիդրօքսիդ։

Հոուի եղանակով ածխածնի երկօքսիդը և ամոնիակը նատրիումի քլորիդի լուծույթով անցկացնում են 400 C-ում։ Ինչպես Սոլվեի եղանակում, այստեղ ևս քիչ լուծված նատրիումի հիդրոկարբոնատը նստեցվում է, ապա լուծույթը մինչև 100 C սառեցնելով նստեցվում է ամոնիումի քլորիդը, իսկ լուծույթը օգտագործվում է սոդայի հաջորդ խմբաքանակի ստացման համար։

Ստացման եղանակների համեմատումԽմբագրել

Նատրիումի կաբոնատի ստացման Հոուի եղանակով որպես կողմնակի նյութ ստացվում է NH4Cl, իսկ Սոլվեյի եղանակում՝ CaCl2:

Սոլվեի եղանակը մշակվել է նախքան Հաբերի եղանակի ի հայտ գալը։ Այդ ժամանակ ամոնիակի քանակը քիչ էր։ Դրա համար էլ ամոնիումի քլորիդից ամոնիակի վերականգնումը անհրաժեշտություն էր։ Հոուի եղանակը ավելի ուշ է հայտնվել, ամոնիակի վերականգնումը և դուրս բերումը խիստ կարևոր չէր։ Ստացված ամոնիումի քլորիդը օգտագործվել է որպես ազոտական պարարտանյութ։

Սակայն ամոնիումի քլորիդը պարունակում է քլոր, որի ավելցուկը վտանգավոր է շատ բույսերի համար, ուստի որպես պարարտանյութ ամոնիումի քլորիդի կիրառումը սահմանափակ է։ Չինաստանում այս եղանակներից ավելի շատ տարածված է Հոուի եղանակը, քանի որ ստացված ամոնիումի քլորիդը որպես պարարտանյութ կիրառվում է բրնձաբուծության մեջ (քլորի ավելցուկը նպաստում է բրնձի աճին)։

Այժմ մի շարք երկրներում արդյունաբերության մեջ նատրիումի կարբոնատի մեծ մասը ստացվում է Սոլվեի եղանակով (ներառյալ Հոուի եղանակը որպես Սոլվեի եղանակի ձևափոխություն)։ 2000 թվականի տվյալներով Եվրոպայում արդյունաբերական նատրիումի կարբոնատի 94% այս եղանակով են ստանում, իսկ ամբողջ աշխարհում՝ 84%-ը [5]։

ԿիրառությունԽմբագրել

Նատրիումի կարբոնատը կիրառվում է ապակու արտադրությունում, օճառի, լվացքի և մաքրող փոշիների, էմալի, ուլտրամարինի (վառ կապույտ ներկ, ծովազվարթ) արտադրությունում։ Կիրառվում է նաև ջրի կոշտության վերացման, մետաղների ճարպազերծման համար և թուջի արտադրությունում։

Նատրիումի կարբոնատը ելանյութ է հանդիսանում NaOH, Na2B4O7, Na2HPO4 նյութերի ստացման համար։ Կարող է կիրառվել ծխախոտի ֆիլտրի արտադրությունում[6]։

Սննդի արդյունաբերությունում նատրիումի կարբոնատները գրանցված են որպես սննդային հավելումներ՝ E500 թթվայնության կարգավորիչ, փխրեցուցիչ։ Նատրիումի կարբոնատը (կալցինացված սոդան՝ Na2CO3) ունի 500i կոդը, նատրիումի հիդրոկարբոնատը՝ 500ii (խմելու սոդա՝ NaHCO3) և նատրիումի կարբոնատի և հիդրոկարբոնատի խառնուրդը՝ 500iii:

Ժամանակակից նավթարդյունաբերության մեջ նատրիումի կարբոնատը օգտագործվում է ջրի և նավթի միջֆազային լարվածությունը նվազեցնելու համար։

Կիրառվում է լուսանկարչության մեջ երևակչի բաղադրությունում որպես արագացուցիչ[7]։

Պոլիմերացումը կանխելու համար ավելացվում է շարժիչի յուղի բաղադրության մեջ։

ԱնվտանգությունԽմբագրել

Արդյունաբերական շինություններում օդում կալցինացված սոդայի սահմանային թույլատրելի կոնցենտրացիան 2մգ/մ է3[2]: Կալցինացված սոդան դասվում է 3-րդ կարգի վտանգավոր նյութերի շարքին։ Կալցինացված սոդայի աէրոզոլը խոնավ մաշկի վրա, աչքի լորձաթաղանթում և քթում հայտնվելիս կարող է գրգռվածություն առաջացնել, իսկ դրա երկարատև ազդեցությունը առաջացնում է մաշկաբորբ (դերմատիտ)։

Պատահական անուններԽմբագրել

Սոդան ածխաթթվի նատրիումական աղի տեխնիկական անվանումն է։

  • Na2CO3 (Նատրիումի կարբոնատ) — կալցինացված սոդա, սպիտակեղենի սոդա
  • Na2CO3·10H2O (նատրիումի կարբոնատի հիդրատ, պարունակում է 62,5 % բյուրեղաջուր)՝ լվացքի սոդա, երբեմն թողարկվում է Na2CO3·H2O կամ Na2CO3·7H2O տեսքով։
  • NaHCO3 (նատրիումի հիդրոկարբոնատ) — խմելու սոդա, սննդի սոդա, նատրիումի բիկարբոնատ։

ԳրականությունԽմբագրել

  • Гурлев Д.С Справочник по фотографии (обработка фотоматериалов). — К.: Тэхника, 1988.
  • Рукк Н. С. Натрия карбонат // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Меди—Полимерные.

ԾանոթագրություններԽմբագրել