Ανθρακικό νάτριο

Το ανθρακικό νάτριο, γνωστό και ως κρυσταλλική σόδα (soda crystals), σόδα πλύσης (washing soda) και τέφρα σόδας (soda ash), με χημικό τύπο Na₂CO₃, είναι το υδατοδιαλυτό άλας του ανθρακικού οξέος με νάτριο.

Ανθρακικό νάτριο

Σκελετικός τύπος ανθρακικού νατρίου Χωροπληρωτικό πρότυπο του ανθρακικού νατρίου
Ονόματα
ΟνοματολογίαIUPAC Ανθρακικό νάτριο
ΆλλαΟνόματα Κρυσταλλική σόδα, σόδα πλύσης, σόδα τέφρας
Αναγνωριστικά
Αριθμός CAS	497-19-8 (άνυδρο) Y 5968-11-6 (μονοένυδρο) N 6132-02-1 (δεκαένυδρο) N
ChEBI	CHEBI:29377 Y
ChEMBL	ChEMBL186314 Y
ChemSpider	9916 Y
Αριθμός_EC	207-838-8
InChI InChI=1S/CH2O3.2Na/c2-1(3)4;;/h(H2,2,3,4);;/q;2*+1/p-2 Key: CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Y InChI=1/NaHCO3.2Na/c2-1(3)4;;/h(H2,2,3,4);;/q;2*+1/p-2 Key: CDBYLPFSWZWCQE-NUQVWONBAP
Jmol 3Δ Πρότυπο	Image
PubChem	10340
Αριθμός RTECS	VZ4050000
SMILES [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O
UNII	45P3261C7T Y
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID1029621
Ιδιότητες
Χημικός τύπος	Na2CO3
Μοριακή μάζα	105,9888 g/mol (άνυδρο) 286,1416 g/mol (δεκαένυδρο)
Εμφάνιση	Λευκό στερεό, υγροσκοπικό
Οσμή	Άοσμο
Πυκνότητα	2,54 g/cm3 (25 °C, άνυδρο) 1,92 g/cm3 (856 °C) 2,25 g/cm3 (μονοένυδρο)[1] 1,51 g/cm3 (επταένυδρο) 1,46 g/cm3 (δεκαένυδρο)[2]
Σημείο τήξης	851 °C (1,564 °F; 1,124 K) αποσυντίθεται (άνυδρο) στους 100 °C (212 °F; 373 K) αποσυντίθεται (μονοένυδρο) στους 33,5 °C (92,3 °F; 306,6 K) αποσυντίθεται (επταένυδρο) στους 34 °C (93 °F; 307 K) (δεκαένυδρο)[2][3]
Διαλυτότητα στο νερό	Δεκαένυδρο: 7 g/100 mL (0 °C) 16,4 g/100 mL (15 °C) 34,07 g/100 mL (27,8 °C) Επταένυδρο: 48,69 g/100 mL (34,8 °C) Μονοένυδρο: 50,31 g/100 mL (29,9 °C) 48,1 g/100 mL (41,9 °C) 45,62 g/100 mL (60 °C) 43,6 g/100 mL (100 °C)[4]
Διαλυτότητα	Διαλυτό σε υδατικά αλκάλεα,[4] γλυκερίνη Ελαφρά διαλυτό σε υδατικές αλκοόλες Αδιάλυτο σε CS2, προπανόνη, οξικά αλκύλια, αλκοόλες, βενζονιτρίλιο, υγρή αμμωνία[5]
Διαλυτότητα σε γλυκερίνη	98,3 g/100 g (15,5 °C)[5]
Διαλυτότητα σε 1,2-αιθανοδιόλη	3,46 g/100 g (20 °C)[6]
Διαλυτότητα σε διμεθυλοφορμαμίδιο	0,5 g/kg[6]
Βασικότητα (pKb)	3,67
Μαγνητική επιδεκτικότητα (χ)	−4,1·10−5 cm3/mol[2]
Δείκτης διάθλασης (nD)	1,485 (άνυδρο) 1,420 (μονοένυδρο)[3] 1,405 (δεκαένυδρο)
Ιξώδες	3,4 cP (887 °C)[6]
Δομή
Κρυσταλλική δομή	Μονοκλινές (γ-μορφή, β-μορφή, δ-μορφή, άνυδρο)[7] Ορθορομβικό (μονοένυδρο, επταένυδρο)[1][8]
Ομάδα χώρου	C2/m, No. 12 (γ-μορφή, άνυδρο, 170 K) C2/m, No. 12 (β-μορφή, άνυδρο, 628 K) P21/n, No. 14 (δ-μορφή, άνυδρο, 110 K)[7] Pca21, No. 29 (μονοένυδρο)[1] Pbca, No. 61 (επταένυδρο)[8]
Ομάδα σημείων	2/m (γ-μορφή, β-μορφή, δ-μορφή, άνυδρο)[7] mm2 (μονοένυδρο)[1] 2/m 2/m 2/m (επταένυδρο)[8]
Σταθερά πλέγματος	a = 8,920(7) Å, b = 5,245(5) Å, c = 6,050(5) Å (γ-μορφή, άνυδρο, 295 K)[7] α = 90°, β = 101,35(8)°, γ = 90°
Γεωμετρία συναρμογής	Οκταεδρικό (Na+, άνυδρο)
Θερμοχημεία
Ειδική θερμοχωρητικότητα (C)	112,3 J/mol·K[2]
Πρότυπη μοριακή εντροπία (So298)	135 J/mol·K[2]
Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού (ΔfHo298)	−1130,7 kJ/mol[2][6]
Ελεύθερη ενέργεια Γκιμπς (ΔfG˚)	−1044,4 kJ/mol[2]
Κίνδυνοι
Δελτίο δεδομένων ασφάλειας	MSDS
Εικονογράμματα GHS	[9]
Λέξη συμβόλου GHS	Προειδοποίηση
Δηλώσεις κινδύνου GHS	H319[9]
Προληπτικές δηλώσεις GHS	P305+351+338[9]
Ταξινόμηση EΕ (DSD)	Xi
Φράσεις-R	R36
Φράσεις-S	S2, S22, S26
NFPA 704	[10][10] 0 0
Θανάσιμη δόση ή συγκέντρωση (LD, LC):
LD50 (μέση θανατηφόρα δόση)	4090 mg/kg (επίμυς, στοματικά) [11]
Σχετικές ενώσεις
Άλλα Ανιόντα	Όξινο ανθρακικό νάτριο
Άλλα Κατιόντα	Ανθρακικό λίθιο Ανθρακικό κάλιο Ανθρακικό ρουβίδιο Ανθρακικό καίσιο
Σχετικές ενώσεις	Υπερανθρακικό νάτριο
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες (25°C, 100 kPa).
Infobox references

Εμφανίζεται συνήθως ως κρυσταλλικό επταένυδρο, που αφυδατώνεται αμέσως για να σχηματίσει μια λευκή σκόνη τον, μονοένυδρο. Το καθαρό ανθρακικό νάτριο είναι μια λευκή, άοσμη σκόνη που είναι υγροσκοπική (απορροφά υγρασία από τον αέρα), έχει αλκαλική γεύση και σχηματίζει ένα ισχυρά αλκαλικό υδατικό διάλυμα. Το ανθρακικό νάτριο είναι αρκετά γνωστό στα σπίτια για την καθημερινή του χρήση ως αποσκληρυντικό του νερού.Μπορεί να εξαχθεί από τις τέφρες πολλών φυτών που αναπτύσσονται σε εδάφη που είναι πλούσια σε νάτριο, όπως στη βλάστηση από τη Μέση Ανατολή, στις κέλπιες της Σκωτίας και τα θαλάσσια φύκη της Ισπανίας. Επειδή οι τέφρες από αυτά τα πλούσια σε νάτριο φυτά ήταν αρκετά διαφορετικές από τις στάχτες των ξύλων (που εχρησιμοποιούντο στην παραγωγή του ανθρακικού καλίου (ποτάσας), έγιναν γνωστές ως «τέφρες σόδας».^[12] Το ανθρακικό νάτριο παρασκευάζεται συνθετικά σε μεγάλες ποσότητες από χλωριούχο νάτριο και ασβεστόλιθο από μια μέθοδο γνωστή ως μέθοδος Σολβέ (Solvay process).

Χρήσεις

Η παρασκευή γυαλιού είναι μία από τις πιο σημαντικές χρήσεις του ανθρακικού νατρίου. Το ανθρακικό νάτριο δρα ως σύντηκτο για το διοξείδιο του πυριτίου, χαμηλώνοντας το σημείο τήξης του μείγματος σε τέτοια θερμοκρασία που είναι επιτεύξιμη χωρίς ειδικά μέσα. Αυτό το «γυαλί σόδας» (soda glass) είναι ελαφρώς υδατοδιαλυτό, έτσι προστίθεται κάποιο ανθρακικό ασβέστιο στο μείγμα τήξης για να κάνει το παραγόμενο γυαλί αδιάλυτο. Αυτός ο τύπος γυαλιού είναι γνωστός ως γυαλί νατρασβέστου (soda lime glass): «σόδα» για το ανθρακικό νάτριο και «άσβεστος» για το ανθρακικό ασβέστιο. Το γυαλί νατρασβέστου είναι η πιο συνηθισμένη μορφή γυαλιού για αιώνες.

Το ανθρακικό νάτριο χρησιμοποιείται επίσης ως μια σχετικά ισχυρή βάση σε διάφορες ρυθμίσεις. Παραδείγματος χάρη, χρησιμοποιείται ως ρυθμιστής του pH για να διατηρήσει σταθερές τις αλκαλικές συνθήκες που είναι απαραίτητες για τη δράση της πλειοψηφίας των φωτογραφικών παραγόντων εμφάνισης των φιλμ. Δρα ως άλκαλι, επειδή όταν διαλύεται στο νερό, διίσταται στο ασθενές καρβονικό οξύ και το ισχυρά αλκαλικό υδροξείδιο του νατρίου. Αυτό δίνει στο ανθρακικό νάτριο σε διάλυμα τη δυνατότητα να επιτίθεται σε μέταλλα όπως το αργίλιο (αλουμίνιο) εκλύοντας αέριο υδρογόνο.^[13]

Είναι ένα συνηθισμένο πρόσθετο στις πισίνες, όπου χρησιμοποιείται για την εξουδετέρωση των διαβρωτικών επιπτώσεων του χλωρίου και την αύξηση του pH.

Στην κουζίνα, χρησιμοποιείται μερικές φορές αντί για το υδροξείδιο του νατρίου στην αλισίβα και ιδιαίτερα στη γερμανική κουζίνα (στα πρέτζελς (pretzels) και σε κάποια είδη από ψωμάκια). Αυτά τα πιάτα κατεργάζονται με ένα διάλυμα μιας αλκαλικής ουσίας για να αλλάξει το pH της επιφάνειας του τροφίμου και να βελτιώσει την επιφάνειά τους.

Στην ταρίχευση, το ανθρακικό νάτριο προστίθεται σε καυτό νερό για να αφαιρέσει τη σάρκα από το κρανίο ή τα οστά τροπαίων ή για την εκπαιδευτική εμφάνιση σε βιολογικές και ιστορικές μελέτες.

Στη χημεία, χρησιμοποιείται συχνά ως ηλεκτρολύτης. Οι ηλεκτρολύτες βασίζονται, συνήθως, σε άλατα και το ανθρακικό νάτριο δρα ως ένας πολύ καλός αγωγός στη διεργασία της ηλεκτρόλυσης. Επιπλέον, αντίθετα με τα ιόντα χλωρίου, που σχηματίζουν αέριο χλώριο, τα ανθρακικά ιόντα δεν είναι διαβρωτικά στις ανόδους. Χρησιμοποιείται, επίσης, ως πρωτεύον πρότυπο για τις τιτλοδοτήσεις οξέος-βάσης, επειδή είναι στερεό και σταθερό στον αέρα, διευκολύνοντας την ακριβή ζύγιση.

Οικιακή χρήση

Χρησιμοποιείται ως αποσκληρυντικό του νερού στο πλύσιμο: ανταγωνίζεται με τα ιόντα μαγνησίου και ασβεστίου στο σκληρό νερό και τα αποτρέπει από την ένωσή τους με το χρησιμοποιούμενο απορρυπαντικό. Το ανθρακικό νάτριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αφαιρέσει κηλίδες από γράσο, λάδι και κρασί.

Στη βαφή με δραστικές χρωστικές ινών, το ανθρακικό νάτριο (συχνά με ένα όνομα όπως στερεωτικό τέφρας σόδας (soda ash fixative) ή ενεργοποιητής τέφρας σόδας (soda ash activator)) χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει κατάλληλη χημική σύνδεση της χρωστικής με τις ίνες του (φυτού) της κυτταρίνης και αναμειγνύεται, συνήθως, με τη χρωστική πριν ή μετά τη βαφή, ανάλογα με τον τύπο της βαφής.

Η δοκιμή ανθρακικού νατρίου

Η δοκιμή ανθρακικού νατρίου χρησιμοποιείται για να διακρίνει μεταξύ κάποιων συνηθισμένων μεταλλικών ιόντων, που καθιζάνουν όπως τα αντίστοιχα ανθρακικά τους. Η δοκιμή μπορεί να διακρίνει μεταξύ Cu, Fe και Ca/Zn/Pb. Το διάλυμα του ανθρακικού νατρίου προστίθεται στο άλας του μετάλλου. Ένα γαλάζιο ίζημα δείχνει ιόν Cu²⁺. Ένα σκουροπράσινο ίζημα δείχνει ιόν Fe²⁺. Ένα κιτρινοκαφετί ίζημα δείχνει ιόν Fe³⁺. Ένα λευκό ίζημα δείχνει ιόντα Ca²⁺, Zn²⁺, ή Pb²⁺. Αυτή η δοκιμή χρησιμοποιείται για να καθιζήσει το παρόν ιόν, επειδή σχεδόν όλα τα ανθρακικά είναι αδιάλυτα. Ενώ αυτή η δοκιμή είναι χρήσιμη στη διάκριση μεμονωμένων κατιόντων, αποτυγχάνει αν υπάρχουν κι άλλα ιόντα, επειδή τα περισσότερα ανθρακικά μέταλλα είναι αδιάλυτα και θα καθιζάνουν.Επιπλέον, τα ιόντα ασβεστίου, ψευδαργύρου και μολύβδου παράγουν όλα λευκά ανθρακικά ιζήματα κάνοντας δύσκολη την μεταξύ τους διάκριση. Αντί για ανθρακικό νάτριο, μπορεί να προστεθεί υδροξείδιο του νατρίου, που δίνει σχεδόν τα ίδια χρώματα,εκτός από το ότι τα υδροξείδια του μολύβδου και του ψευδαργύρου είναι διαλυτά σε περίσσεια αλκάλεως και μπορούν συνεπώς να διακριθούν από το ασβέστιο.

Άλλες εφαρμογές

Το ανθρακικό νάτριο είναι ένα πρόσθετο τροφίμων (E500) που χρησιμοποιείται ως ρυθμιστής οξύτητας, αντισυσσωματικός παράγοντας, διογκωτικός παράγοντας και σταθεροποιητής. Είναι ένα από τα συστατικά του nihongo, ενός διαλύματος αλκαλικών αλάτων που χρησιμοποιείται για να δώσει τη χαρακτηριστική γεύση και υφή στα νουντλς ράμεν (είδος ζυμαρικού). Χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή του καπνικού προϊόντος snus για να σταθεροποιήσει το pH του τελικού προϊόντος. Στη Σουηδία, το snus θεωρείται ως τρόφιμο, επειδή μπαίνει στο στόμα, απαιτεί παστερίωση και περιέχει μόνο συστατικά που είναι εγκεκριμένα ως πρόσθετα τροφίμων.

Το ανθρακικό νάτριο χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή της σκόνης παγωμένου αεριούχου χυμού (σερμπέτι). Η αίσθηση της δροσιάς και του αφρισμού προέρχεται από την ενδόθερμη αντίδραση αντίδραση μεταξύ του ανθρακικού νατρίου και ενός ασθενούς οξέος, συνήθως του κιτρικού οξέος, που ελευθερώνει αέριο διοξείδιο του άνθρακα και συμβαίνει όταν το σερμπέτι υγραίνεται με σάλιο.

Στην Κίνα, χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το σταχτόνερο (lye-water) στην κρούστα παραδοσιακών καντονέζικων γλυκισμάτων (moon cakes) και σε πολλά άλλα κινέζικα γλυκίσματα και ζυμαρικά στον ατμό.

Το ανθρακικό νάτριο χρησιμοποιείται από την τουβλοποιία ως διαβρεκτικός παράγοντας για να μειώσει την απαιτούμενη ποσότητα νερού για τη μορφοποίηση του πηλού.

Στη χύτευση, αναφέρεται ως "συνδετικό μέσο (bonding agent)" και χρησιμοποιείται για να επιτρέψει σε υγρά αλγινικά να προσκολληθούν σε πηγμένα αλγινικά.

Το ανθρακικό νάτριο χρησιμοποιείται στις οδοντόκρεμες, όπου δρα ως παράγοντας αφρισμού και λειαντικό. Αυξάνει επίσης προσωρινά το pH του στόματος.

Το ανθρακικό νάτριο χρησιμοποιείται από τη βαμβακουργία για να εξουδετερώσει το απαιτούμενο θειικό οξύ στο ξεχνούδιασμα του χνουδιασμένου βαμβακόσπορου.

Το ανθρακικό νάτριο, σε ένα διάλυμα με κοινό αλάτι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο καθάρισμα ασημικών Σε έναν μη δραστικό περιέκτη (γυάλινο, πλαστικό, ή κεραμικό) αλουμινόχαρτο και το αργυρό αντικείμενο εμβαπτίζονται σε ζεστό διάλυμα άλατος. Το αυξημένο pH διαλύει τη στρώση του οξειδίου του αργιλίου στο φύλλο και ενεργοποιεί τη δημιουργία ενός ηλεκτρολυτικού κελιού. Τα ιόντα του υδρογόνου που παράγονται από αυτήν την αντίδραση μειώνουν τα ιόντα του σουλφιδίου στον άργυρο επαναφέροντας το μέταλλο του αργύρου. Το σουλφίδιο μπορεί να εκλυθεί ως μικρές ποσότητες υδρόθειου. Το ξέπλυμα και το ήπιο γυάλισμα του ασημικού επαναφέρει μια ιδιαίτερα γυαλισμένη κατάσταση.^[14]

Το ανθρακικό νάτριο χρησιμοποιείται σε κάποια ρυθμιστικά διαλύματα pH υδάτων ενυδρείων για να διατηρήσει ένα επιθυμητό pH και ανθρακική σκληρότητα (KH).

Λόγω της ικανότητας του να απορροφά CO₂, ερευνάται το ανθρακικό νάτριο ως δεσμευτικό υλικό του άνθρακα για εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού και σε άλλες βιομηχανίες που παράγουν αέρια θερμοκηπίου.^[15]

Φυσικές ιδιότητες

Η ενθαλπία του διαλύματος του ανθρακικού νατρίου είναι −28,1 kJ/mol για ένα υδατικό διάλυμα 10% w/w.^[16] Η σκληρότητα Μος του μονοένυδρου ανθρακικού νατρίου είναι 1,3.^[3]

Εμφανίσεις

Το ανθρακικό νάτριο κρυσταλλώνεται με νερό για να σχηματίσει τρία διαφορετικά υδρίδια:

1. δακαένυδρο ανθρακικό νάτριο (νάτρον)
2. επταένυδρο ανθρακικό νάτριο (δεν είναι γνωστό σε μορφή ορυκτού)
3. μονοένυδρο ανθρακικό νάτριο (θερμονατρίτης (Thermonatrite)).

Δομή του μονοένυδρου ανθρακικού ασβεστίου στους 346 K.

Το ανθρακικό νάτριο είναι διαλυτό σε νερό και μπορεί να εμφανιστεί φυσικά σε ξηρές περιοχές, ιδιαίτερα σε ορυκτές αποθέσεις (εβαπορίτες) που σχηματίζονται όταν εξατμίζονται εποχικές λίμνες. Αποθέσεις του ορυκτού νάτρου έχουν εξορυχθεί από τους πυθμένες ξηρών λιμνών στην αρχαία, όταν το νάτρο εχρησιμοποιείτο στην προετοιμασία των μουμιών και στην πρώιμη κατασκευή γυαλιού.

Η άνυδρη ορυκτή μορφή του ανθρακικού νατρίου είναι αρκετά σπάνια και ονομάζεται νατρίτης. Ανθρακικό νάτριο εκτοξεύεται επίσης από το ηφαίστειο της Τανζανίας Ολντόινιο Λένγκαϊ και θεωρείται ότι έχει εκτοξευτεί και από άλλα ηφαίστεια στο παρελθόν, αλλά λόγω της αστάθειας αυτών των ορυκτών στην επιφάνεια της γης, είναι πιθανό να έχει διαβρωθεί. Και οι τρεις ορυκτολογικές μορφές του ανθρακικού νατρίου, καθώς και το τρόνα (διένυδρο υδρογονοδικαρβονικό νάτριο (trisodium hydrogendicarbonate dihydrate)), είναι επίσης γνωστά στα υπεραλκαλικά πηγματικά πετρώματα, που εμφανίζονται σε περιοχές όπως στη χερσόνησο Κόλα στη Ρωσία.

Παραγωγή

Εξόρυξη

To τρόνα (Διένυδρο υδρογονοδικαρβονικό νάτριο(Na₃HCO₃CO₃·2H₂O)), εξορύσσεται σε πολλές περιοχές των ΗΠΑ και παρέχει σχεδόν όλη την οικιακή κατανάλωση του ανθρακικού νατρίου. Μεγάλα φυσικά αποθέματα βρέθηκαν το 1938, όπως το κοίτασμα κοντά στον Green River του Ουαϊόμινγκ, που κατέστησαν την εξόρυξη πιο οικονομική από τη βιομηχανική παραγωγή στη Βόρεια Αμερική. Υπάρχουν σημαντικά αποθέματα από τρόνα στην Τουρκία· δύο εκατομμύρια τόνοι από τέφρα σόδας έχουν εξαχθεί από αποθέματα κοντά στην Άγκυρα. Εξορύσσεται επίσης από κάποιες αλκαλικές λίμνες όπως η λίμνη Μαγκάντι στην Κένυα με εκσκαφή. Καυτές αλατούχες πηγές εφοδιάζουν με αλάτι τη λίμνη, έτσι ώστε ο ρυθμός της εκσκαφής να μην είναι μεγαλύτερος από τον ρυθμό ανανέωσης για να είναι η πηγή πλήρως ανανεώσιμη.

Αλμύρες και κέλπιες

Αρκετά "αλόφυτα" (είδη φυτών ανθεκτικά στο αλάτι) και είδη θαλάσσιων φυκών μπορούν να επεξεργαστούν για να παραγάγουν μια ακάθαρτη μορφή ανθρακικού νατρίου και αυτές οι πηγές κυριαρχούσαν στην Ευρώπη και αλλού μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα. Τα φυτά ή τα φύκη συλλέγονταν, ξηραίνονταν και καίγονταν. Οι στάχτες πλένονταν με νερό για να σχηματίσουν ένα αλκαλικό διάλυμα. Αυτό το διάλυμα βραζόταν μέχρι ξηρού για να παραγάγει το τελικό προϊόν, που ονομαζόταν "τέφρα σόδας"· αυτό το πολύ παλιό όνομα αναφέρεται σε μια αρχέτυπη πηγή φυτού για τέφρα σόδας, που ήταν ο μικρός ετήσιος θάμνος Αλμύρα.

Η συγκέντρωση του ανθρακικού νατρίου σε τέφρα σόδας διέφερε πολύ, από 2–3 τοις εκατό για το παραγόμενο από θαλάσσια φύκη ("κέλπιες"), μέχρι 30 τοις εκατό για την καλύτερη αλμύρα, στην Ισπανία. Spain. Οι πηγές από φυτά και φύκη για τέφρα σόδας και για την επίσης σχετική αλκαλική ποτάσα, έγιναν όλο και πιο ανεπαρκείς μέχρι το τέλος του 18ου αιώνα και εντατικοποιήθηκε η προσπάθεια για την αναζήτηση εμπορικά βιώσιμων δρόμων για τη συνθετική παραγωγή τέφρας σόδας από άλατα και άλλες χημικές ουσίες.^[17]

Μέθοδος Λεμπλάν (Leblanc process)

Το 1791, ο Γάλλος χημικός Νικολά Λεμπλάν (Nicolas Leblanc) κατοχύρωσε μια μέθοδο παραγωγής ανθρακικού νατρίου από άλας, θειικό οξύ, ασβεστόλιθο και γαιάνθρακα. Πρώτα, θαλασσινό αλάτι (χλωριούχο νάτριο) θερμαινόταν σε θειικό οξύ για να παραγάγει θειικό νάτριο και αέριο υδροχλώριο, σύμφωνα με τη χημική εξίσωση

2 NaCl + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2 HCl

Στη συνέχεια, το θειικό νάτριο αναμειγνύεται με τριμμένο ασβεστόλιθο (ανθρακικό ασβέστιο) και γαιάνθρακα, και το μείγμα καίγεται παράγοντας θειούχο ασβέστιο.

Na₂SO₄ + CaCO₃ + 2 C → Na₂CO₃ + 2 CO₂ + CaS

Το ανθρακικό νάτριο εξάγεται από τις στάχτες με νερό και έπειτα συλλέγεται επιτρέποντας στο νερό να εξατμιστεί.

Το παραγόμενο υδροχλωρικό οξύ από τη μέθοδο Λεμπλάν ήταν κύρια πηγή μόλυνσης του αέρα και το παραπροϊόν τού θειούχου ασβεστίου εμφανίζει επίσης προβλήματα διάθεσης των αποβλήτων. Όμως, παρέμεινε ως η κύρια μέθοδος παραγωγής του ανθρακικού νατρίου μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 1880.^[17][18]

Μέθοδος Σολβέ (Solvay process)

Το 1861, ο Βέλγος βιομηχανικός χημικός Ερνέστ Σολβέ (Ernest Solvay) ανέπτυξε μια μέθοδο μετατροπής του χλωριούχου νατρίου σε ανθρακικό νάτριο χρησιμοποιώντας αμμωνία. Η μέθοδος Σολβέ ήταν επικεντρωμένη γύρω από έναν μεγάλο κοίλο πύργο. Στον πυθμένα, το ανθρακικό ασβέστιο θερμαινόταν για να απελευθερώσει διοξείδιο του άνθρακα:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Στην κορυφή, ένα πυκνό διάλυμα χλωριούχου νατρίου και αμμωνία έμπαιναν στον πύργο. Καθώς το διοξείδιο του άνθρακα κόχλαζε μέσα από αυτό, καθίζανε όξινο ανθρακικό νάτριο:

NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O → NaHCO₃ + NH₄Cl

Το όξινο ανθρακικό νάτριο μετατρεπόταν στη συνέχεια σε ανθρακικό νάτριο θερμαίνοντάς το, με έκλυση νερού και διοξειδίου του άνθρακα:

2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

Εν τω μεταξύ, η αμμωνία αναγεννιόταν από το παραπροϊόν του χλωριούχου αμμωνίου με επεξεργασία του με υδροξείδιο του ασβεστίου που απέμενε από τη δημιουργία του διοξειδίου του άνθρακα:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Ca(OH)₂ + 2 NH₄Cl → CaCl₂ + 2 NH₃ + 2 H₂O

Επειδή η μέθοδος Σολβέ ανακυκλώνει την αμμωνία της, καταναλώνει μόνο άλμη και ασβεστόλιθο και αποβάλλει μόνο το χλωριούχο ασβέστιο. Αυτό καθιστά τη μέθοδο σημαντικά πιο οικονομική από τη μέθοδο Λεμπλάν και σύντομα κυριάρχησε στην παραγωγή ανθρακικού νατρίου. Το 1900, το 90% του ανθρακικού νατρίου παραγόταν με τη μέθοδο Σολβέ και η τελευταία εγκατάσταση που χρησιμοποιούσε τη μέθοδο Λεμπλάν έκλεισε στις αρχές της δεκαετίας του 1920. Η μέθοδος Σολβέ καταλήγει σε τέφρα σόδας (κυρίως ανθρακικό νάτριο (Na₂CO₃) από άλμη (ως πηγής χλωριούχου νατρίου (NaCl)) και ασβεστόλιθο (πηγή ανθρακικού ασβεστίου (CaCO₃)).[6] Η συνολική αντίδραση είναι:

2 NaCl + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaCl₂

Η πραγματική αντίδραση αυτής της γενικής αντίδρασης είναι περίπλοκη.[8][9][10] Μια απλοποιημένη περιγραφή μπορεί να δοθεί χρησιμοποιώντας τις τέσσερις διαφορετικές αλληλεπιδρούσες χημικές αντιδράσεις που εμφανίζονται στο σχήμα. Στο πρώτο στάδιο της μεθόδου, διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) διέρχεται μέσα από ένα πυκνό υδατικό διάλυμα χλωριούχου νατρίου (μαγειρικό αλάτι, NaCl) και αμμωνία (NH₃).

NaCl + CO₂ + NH₃ + H₂Ο → NaHCO₃ + NH₄Cl (I)

Στη βιομηχανική πρακτική, η αντίδραση εκτελείται περνώντας συμπυκνωμένη άλμη μέσα από δύο πύργους. Στον πρώτο πύργο, περνάνε φυσαλίδες αμμωνίας μέσα από την άλμη (θαλάσσιο νερό) και απορροφούνται από αυτό. Στον δεύτερο πύργο φυσαλίδες διοξειδίου του άνθρακα περνάνε μέσα από την αμμωνιακή άλμη και το όξινο ανθρακικό νάτριο (μαγειρική σόδα) καθιζάνει από το διάλυμα. Σημειώστε ότι, σε ένα βασικό διάλυμα, το NaHCO₃ είναι λιγότερο υδατοδιαλυτό από το χλωριούχο νάτριο. Η αμμωνία (NH₃) ρυθμίζει το διάλυμα σε ένα βασικό pH· χωρίς την αμμωνία, το παραπροϊόν του υδροχλωρικού οξέος μπορεί να καταστήσει το διάλυμα όξινο και να σταματήσει την καθίζηση.

Η απαραίτητη αμμωνία "καταλύτης" για την αντίδραση (I) ανακυκλώνεται σε ένα μεταγενέστερο στάδιο και καταναλώνεται μόνο σχετικά μικρή ποσότητα αμμωνίας. Το απαιτούμενο διοξείδιο του άνθρακα για την αντίδραση (I) παράγεται με θέρμανση ("φρύξη") του ασβεστόλιθου στους 950 - 1100 °C. Το ανθρακικό ασβέστιο (CaCO₃) στον ασβεστόλιθο μετατρέπεται μερικώς σε οξείδιο του ασβεστίου (CaO) και διοξείδιο του άνθρακα:

CaCO₃ → CO₂ + CaO (II)

Το όξινο ανθρακικό νάτριο (NaHCO₃) που καθιζάνει στην αντίδραση (I) φιλτράρεται από το θερμό διάλυμα χλωριούχου αμμωνίου (NH₄Cl) και στο διάλυμα επιδρά οξείδιο του ασβεστίου (CaO) που απομένει από τη θέρμανση του ασβεστόλιθου στο στάδιο (II).

2 NH₄Cl + CaO → 2 NH₃ + CaCl₂ + H₂Ο (III)

Το CaO δημιουργεί ένα ισχυρό βασικό διάλυμα. Η αμμωνία από την αντίδραση (III) ανακυκλώνεται στο αρχικό διάλυμα άλμης της αντίδρασης (I).

Το ίζημα του όξινου ανθρακικού νατρίου (NaHCO₃) από την αντίδραση (I) μετατρέπεται στη συνέχεια στο τελικό προϊόν, ανθρακικού νατρίου (σόδα πλύσης: Na₂CO₃), με φρύξη (160 - 230 C), παράγοντας νερό και διοξείδιο του άνθρακα ως παραπροϊόντα:

2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂Ο + CO₂ (IV)

Το διοξείδιο του άνθρακα από το στάδιο (IV) ανακτάται για επαναχρησιμοποίηση στο στάδιο (I). Αν σχεδιαστεί και λειτουργήσει κατάλληλα μια εγκατάσταση Σολβέ μπορεί να ανακτήσει σχεδόν όλη την αμμωνία της και καταναλώνει μόνο μικρές ποσότητες από πρόσθετη αμμωνία για να αναπληρώσει τις απώλειες. Οι μόνες κύριες εισαγωγές στη μέθοδο Σολβέ είναι αλάτι, ασβεστόλιθος και θερμική ενέργεια, και το μόνο κύριο παραπροϊόν είναι το χλωριούχο ασβέστιο, που πωλείται ως αλάτι δρόμων (road salt).

Μέθοδος Χου (Hou's process)

Αυτή η μέθοδος αναπύχθηκε από τον Κινέζο χημικό Χου Ντεμπάνγκ (Hou Debang) τη δεκαετία του 1930. Το προηγούμενο παραπροϊόν της αναμόρφωσης με ατμό του διοξειδίου του άνθρακα διοχετεύεται μέσα από ένα κορεσμένο διάλυμα χλωριούχου νατρίου και αμμωνίας για να παραγάγει όξινο ανθρακικό νάτριο με τις παρακάτω αντιδράσεις:

NH₃ + CO₂ + H₂O → NH₄HCO₃

NH₄HCO₃ + NaCl → NH₄Cl + NaHCO₃

Το όξινο ανθρακικό νάτριο συλλέγεται ως ίζημα λόγω της χαμηλής του διαλυτότητας και έπειτα θερμαίνεται για να παραγάγει καθαρό ανθρακικό νάτριο παρόμοια με το τελευταίο στάδιο της μεθόδου Σολβέ. Προστίθεται περισσότερο χλωριούχο νάτριο στο παραμένον διάλυμα χλωριούχου αμμωνίου και νατρίου· επίσης, διοχετεύεται περισσότερη αμμωνία στους 30-40°C σε αυτό το διάλυμα. Η θερμοκρασία του διαλύματος μειώνεται έπειτα στους 10°C υπό το μηδέν. Η διαλυτότητα του χλωριούχου αμμωνίου είναι πιο υψηλή από αυτή του χλωριούχου νατρίου στους 30°C και πιο μικρή στους 10°C. Λόγω της διαφοράς της διαλυτότητας που εξαρτάται από τη θερμοκρασία και της επίδρασης κοινού ιόντος (common-ion effect), το χλωριούχο αμμώνιο καθιζάνει σε ένα διάλυμα χλωριούχου νατρίου.

Η μέθοδος Χου συνδυάζεται με τη μέθοδο Χάμπερ (Haber process) και προσφέρει καλύτερη οικονομία ατόμων (atom economy) εξαλείφοντας την παραγωγή του χλωριούχου ασβεστίου, αφού η αμμωνία δεν χρειάζεται πια να αναγεννηθεί. Το παραπροϊόν του χλωριούχου αμμωνίου μπορεί να πωληθεί ως λίπασμα.

Παραπομπές

1. Harper, J.P (1936). «Crystal Structure of Sodium Carbonate Monohydrate, Na₂CO₃. H₂O». Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials (De Gruyter) 95 (1): 266–273. doi:10.1524/zkri.1936.95.1.266. ISSN 2196-7105. http://www.crystallography.net/1011295.html. Ανακτήθηκε στις 2014-07-25.
2. Lide, David R., επιμ. (2009). CRC Handbook of Chemistry and Physics (90th έκδοση). Boca Raton, Florida: CRC Press. ISBN 978-1-4200-9084-0.
3. Pradyot, Patnaik (2003). Handbook of Inorganic Chemicals. The McGraw-Hill Companies, Inc. σελ. 861. ISBN 0-07-049439-8.
4. Seidell, Atherton· Linke, William F. (1919). Solubilities of Inorganic and Organic Compounds (2nd έκδοση). New York: D. Van Nostrand Company. σελ. 633.
5. Comey, Arthur Messinger· Hahn, Dorothy A. (Φεβρουαρίου 1921). A Dictionary of Chemical Solubilities: Inorganic (2nd έκδοση). New York: The MacMillan Company. σελίδες 208–209.
6. Anatolievich, Kiper Ruslan. «sodium carbonate». chemister.ru. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 6 Μαΐου 2014. Ανακτήθηκε στις 25 Ιουλίου 2014.
7. Dusek, Michal; Chapuis, Gervais; Meyer, Mathias; Petricek, Vaclav (2003). «Sodium carbonate revisited». Acta Crystallographica Section B (International Union of Crystallography) 59 (3): 337–352. doi:10.1107/S0108768103009017. ISSN 0108-7681. http://infoscience.epfl.ch/record/82110/files/publ_03_dusek_a.pdf. Ανακτήθηκε στις 2014-07-25.
8. Betzel, C.; Saenger, W.; Loewus, D. (1982). «Sodium Carbonate Heptahydrate». Acta Crystallographica Section B (International Union of Crystallography) 38 (11): 2802–2804. doi:10.1107/S0567740882009996.
9. Sigma-Aldrich Co., Sodium carbonate. Ανακτήθηκε στις 2014-05-06.
10. «Material Safety Data Sheet – Sodium Carbonate, Anhydrous» (PDF). conservationsupportsystems.com. ConservationSupportSystems. Ανακτήθηκε στις 25 Ιουλίου 2014.
11. Chambers, Michael. «ChemIDplus - 497-19-8 - CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L - Sodium carbonate [NF] - Similar structures search, synonyms, formulas, resource links, and other chemical information».
12. minerals.usgs.gov
13. http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/sodium_carbonate#section=Top
14. Finishing techniques in Metalwork - Philadelphia Museum of Art
15. «Microcapsule material for carbon capture developed». 6 Φεβρουαρίου 2015.
16. «tatachemicals.com». Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 11 Μαρτίου 2014. Ανακτήθηκε στις 18 Αυγούστου 2016.
17. Clow, Archibald and Clow, Nan L. (1952). Chemical Revolution, (Ayer Co Pub, June 1952), pp. 65–90. ISBN 0-8369-1909-2.
18. Kiefer, David M. (January 2002). «It was all about alkali». Today's Chemist at Work 11 (1): 45–6. http://pubs.acs.org/subscribe/journals/tcaw/11/i01/html/01chemchron.html.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Commons logo

Τα Wikimedia Commons έχουν πολυμέσα σχετικά με το θέμα    Ανθρακικό νάτριο

• American Natural Soda Ash Company
• International Chemical Safety Card 1135
• FMC Wyoming Corporation
• Use of sodium carbonate in dyeing
• Sodium carbonate manufacturing by synthetic processes
• Soda Ash light overview, manufacturing method and applications^{[νεκρός σύνδεσμος]}