碳酸鈉

化學(xué)式為Na2CO3，俗名蘇打、純堿、堿灰、碳酸二鈉鹽、蘇打灰，通常情況下為白色粉末，為強電解質(zhì)，密度為2.532g/cm3，熔點為851°C，易溶于水和甘油，微溶于無水乙醇，難溶于丙醇10，具有鹽的通性，屬于無機鹽。潮濕的空氣里會吸潮結(jié)塊，部分變?yōu)樘妓釟溻c。碳酸鈉的制法有聯(lián)合制堿法12、氨堿法11、路布蘭法13等，也可由天然堿加工精制。作為一種重要的無機化工原料，主要用于平板玻璃、玻璃制品和陶瓷釉的生產(chǎn)。還廣泛用于生活洗滌、酸類中和以及食品加工等。在環(huán)境方面，碳酸鈉通常被視為對生態(tài)系統(tǒng)相對無害的物質(zhì)。然而，大量排放仍可能影響水體的pH值和總堿度，因此在使用和處理時需要適當(dāng)?shù)墓芾砗捅O(jiān)管。

研究簡史

碳酸鈉的研究和應(yīng)用歷史悠久。在人工合成純堿之前，古埃及人已在制造玻璃中使用天然碳酸鈉，此外，古代就發(fā)現(xiàn)某些海藻晾曬后，燒成的灰燼中含有堿類，用熱水浸取、濾清后可得褐色堿液用于洗滌。大量的天然堿來自礦物，以地下埋藏或堿水湖為主。以沉積層存在的天然堿礦品位最高，分布甚廣。最早發(fā)明人工合成純堿方法是18世紀(jì)末，法國路布蘭用芒硝加石灰石和煤在高溫下還原并進行碳酸化，得到以含Na2CO3為主的粗制品—黑灰，經(jīng)過浸取、蒸發(fā)、精制、再結(jié)晶、烘干，獲得純度約為97%的重質(zhì)純堿5。1791年，路布蘭獲得專利權(quán)。同年，法國奧爾良公爵籌集款項，在巴黎附近的圣但尼建立了第一個路布蘭法制堿工廠。1823年，英國取消鹽稅，引進路布蘭法，在利物浦建成純堿工廠，并投入生產(chǎn)。1825年至1880年期間，是路布蘭法制堿的鼎盛時期。這種制堿方法帶動了硫酸、鹽酸漂白粉、芒硝以及硫磺等一系列化工產(chǎn)品的生產(chǎn):對于諸如氣體洗滌器、旋轉(zhuǎn)爐、機械烤爐開口式特蘭鍋和香克式浸溶裝置等的出現(xiàn)，也起到巨大的促進作用。路布蘭法是純堿工業(yè)興起的重要里程碑。但該法生產(chǎn)的純堿產(chǎn)品純度較低，生產(chǎn)成本高勞動效率低，且難以連續(xù)作業(yè)，加之回收的鹽酸腐蝕性強，必須外銷或另作處理，使得探索新的制堿方法的需求一直存在9。1861年，比利時歐內(nèi)斯特·索爾維獨自發(fā)明了純堿并獲得過專利。由于技術(shù)秘密保護一直未能大范圍應(yīng)用，20世紀(jì)20年代才從美國突破，尤其是中國著名的化工專家侯德榜于1932年出版了《純堿制造》一書，將保密70年，索爾維法公布于世。侯德榜還于1939-1942創(chuàng)建了侯氏制堿法，并在四川建立了中試車間。1952年在大連化工廠設(shè)立了聯(lián)合制堿車間。日本旭硝子公司推出的NA法，實質(zhì)上是聯(lián)堿和氨堿的折中法。可隨意調(diào)節(jié)純堿與氯化銨的比例5。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

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化學(xué)性質(zhì)

碳酸鈉的水溶液呈堿性且有一定的腐蝕性，能與酸發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，也能與一些鈣鹽、鋇鹽發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)。溶液顯堿性，可使酚酞變紅。

• 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性較強，但高溫下也可分解，生成氧化鈉和二氧化碳：

長期暴露在空氣中能吸收空氣中的水分及二氧化碳，生成碳酸氫鈉，并結(jié)成硬塊：

碳酸鈉的結(jié)晶水合物石堿（Na2CO3·10H2O）在干燥的空氣中易風(fēng)化：

• 熱力學(xué)函數(shù)

在（298.15K，100K）的熱力學(xué)函數(shù)：

狀態(tài)：固態(tài)

標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓：-1130.8 kJ·mol-11

標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能：-1048.1 kJ·mol-11

標(biāo)準(zhǔn)熵：138.8 J·mol-1·K-11

• 水解反應(yīng)

由于碳酸鈉在水溶液中水解，電離出的碳酸根離子與水中氫離子結(jié)合成碳酸氫根離子，導(dǎo)致溶液中氫離子減少，剩下電離的氫氧根離子，所以溶液pH顯堿性。

由于碳酸根可以結(jié)合水中的質(zhì)子（即氫離子）生成碳酸氫根和碳酸，并且能結(jié)合酸中的質(zhì)子釋放二氧化碳。所以碳酸鈉在酸堿質(zhì)子理論中屬于布朗斯特堿。

• 與酸反應(yīng)

以鹽酸為例。當(dāng)鹽酸足量時，生成氯化鈉和碳酸，不穩(wěn)定的碳酸立刻分解成二氧化碳和水。這個反應(yīng)可以用來制備二氧化碳：2

總的化學(xué)方程式是：

當(dāng)鹽酸少量時發(fā)生如下反應(yīng)：

碳酸鈉與其他種類的酸也能發(fā)生類似的反應(yīng)。

• 與堿反應(yīng)

碳酸鈉能和氫氧化鈣、氫氧化鋇等堿發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，生成沉淀和氫氧化鈉。工業(yè)上常用這種反應(yīng)制備燒堿（俗稱苛化法）：3

• 與鹽反應(yīng)

碳酸鈉能和鈣鹽、鋇鹽等發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，生成沉淀和新的鈉鹽：

由于碳酸鈉在水中水解生成氫氧化鈉和碳酸，它與某些鹽的反應(yīng)則會推動化學(xué)平衡向正方向移動，生成相應(yīng)的堿和二氧化碳：

制備方法

實驗室方法

實驗室制取碳酸鈉：。

呂布蘭法

最早在1791年，古人就開始用食鹽、硫酸、煤、石灰石為原料生產(chǎn)碳酸鈉，是為呂布蘭法。

此法原料利用不充分、勞動條件惡劣、產(chǎn)品質(zhì)量不佳，逐漸為索爾維法代替。

索氏制堿法

1859年，比利時人索爾維，用食鹽、氨水、二氧化碳為原料，于室溫下從溶液中析出碳酸氫鈉，將它加熱，即分解為碳酸鈉，人們將此方法稱為索氏制堿法，此法一直沿用至今15。

氨氣與水和二氧化碳反應(yīng)生成一分子的碳酸氫銨，這是第一步：

第二步是：碳酸氫銨與氯化鈉反應(yīng)生成的碳酸氫鈉沉淀和氯化銨，碳酸氫鈉之所以沉淀是因為它的溶解度較小。經(jīng)過濾得到碳酸氫鈉固體：

這兩步總的化學(xué)方程式是：

第三步：加熱分解碳酸氫鈉，生成水、二氧化碳和碳酸鈉即我們要的純堿：

第四步：將第二步中副產(chǎn)的氯化銨和熟石灰混合加熱，得到的氨氣可循環(huán)利用：

侯氏制堿法

1943年中國人侯德榜留學(xué)海外歸來，他結(jié)合中國內(nèi)地缺鹽的國情，對索爾維法進行改進，將純堿和合成氨兩大工業(yè)聯(lián)合，同時生產(chǎn)碳酸鈉和化肥氯化銨，大大地提高了食鹽利用率，是為侯氏制堿法16。

第一步，氨氣與水和二氧化碳反應(yīng)生成一分子的碳酸氫銨，第二步碳酸氫銨與氯化鈉反應(yīng)生成的碳酸氫鈉沉淀和氯化銨，碳酸氫鈉之所以沉淀是因為它的溶解度較小。經(jīng)過濾得到碳酸氫鈉固體。（這兩步和上面的索氏制堿法相同）。

第三步，合成的碳酸氫鈉部分可以直接出廠銷售，其余的碳酸氫鈉會被加熱分解，生成碳酸鈉，生成的二氧化碳可以重新回到第一步循環(huán)利用。

根據(jù)NH4Cl溶解度比NaCl大，而在低溫下卻比NaCl溶解度小的原理，在 278K～283K（5 ℃～10 ℃） 時，向母液中加入食鹽細(xì)粉，而使NH4Cl單獨結(jié)晶析出供做氮肥。

索氏制堿法和侯氏制堿法所不同的，是索氏法在整個制取過程中NH3是循環(huán)使用的，而侯氏法在整個制取過程中，CO2被循環(huán)利用，NH4Cl直接作為純堿的副產(chǎn)品——肥料。所以，索氏法的產(chǎn)品是碳酸鈉，副產(chǎn)品氯化鈣；而侯氏法的產(chǎn)品是碳酸鈉，副產(chǎn)品氯化銨。

此法優(yōu)點：保留了氨堿法的優(yōu)點，消除了它的缺點，使食鹽的利用率提高到96%；NH4Cl可做氮肥；可與合成氨廠聯(lián)合，使合成氨的原料氣CO 轉(zhuǎn)化成CO2，革除了CaCO3制CO2這一工序。

技術(shù)指標(biāo)

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應(yīng)用領(lǐng)域

碳酸鈉是重要的化工原料之一，廣泛應(yīng)用于輕工日化、建材、化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、冶金、紡織、石油、國防、醫(yī)藥等領(lǐng)域， 用作制造其他化學(xué)品的原料、清洗劑、洗滌劑，也用于照相術(shù)和分析領(lǐng)域。其次是冶金、紡織、石油、國防、醫(yī)藥及其它工業(yè)。玻璃工業(yè)是純堿的最大消費部門，每噸玻璃消耗純堿0.2噸。在工業(yè)用純堿中，主要是輕工、建材、化學(xué)工業(yè)，約占2/3，其次是冶金、紡織、石油、國防、醫(yī)藥及其他工業(yè)8。

1、玻璃工業(yè)是純堿的最大消費來源，每噸玻璃消耗純堿0.2t。主要用于浮法玻璃、顯像管玻殼、光學(xué)玻璃等。

2、用于化工、冶金等。使用重質(zhì)純堿可以減少堿塵飛揚、降低原料消耗、改善勞動條件，還可提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時減輕堿粉對耐火材料的侵蝕作用，延長窯爐的使用壽命。

3、作緩沖劑、中和劑和面團改良劑，可用于糕點和面制食品，按生產(chǎn)需要適量使用。

4、作為洗滌劑用于羊毛漂洗，浴鹽和醫(yī)藥用，鞣革中的堿劑。

5、用于食品工業(yè)，作中和劑、膨松劑，如制造氨基酸、醬油和面制食品如饅頭、面包等。還可配成堿水加入面食中，增加彈性和延展性。碳酸鈉還可以用于生產(chǎn)味精

6、彩電專用試劑

7、用于制藥工業(yè)，作解酸藥、滲透性輕瀉劑。

8、用于化學(xué)及電化學(xué)除油、化學(xué)鍍銅、鋁的浸蝕、鋁及合金的電解拋光、鋁的化學(xué)氧化、磷化后的封閉、工序間的防銹、電解退除鉻鍍層和退除鉻的氧化膜等，亦用于預(yù)鍍銅、鍍鋼、鍍鋼鐵合金電解液中

9、冶金工業(yè)用作冶煉助熔劑、選礦用浮選劑，煉鋼和煉銻用作脫硫劑。

10、印染工業(yè)用作軟水劑。

11、制革工業(yè)用于原料皮的脫脂、中和鉻鞣革和提高鉻鞣液堿度。

12、定量分析中標(biāo)定酸液的基準(zhǔn)。測定鋁、硫、銅、鉛和鋅。檢驗?zāi)蛞汉腿咸烟?。分析水泥中二氧化硅的助溶劑。金屬金相分析等?/p>

安全措施

危險性

碳酸鈉粉塵對皮膚、呼吸道和眼睛有刺激作用，長時間接觸本品溶液可能出現(xiàn)濕疹、皮膚松軟、皮炎等。

消防措施

發(fā)生火災(zāi)可用水、干粉滅火劑、泡沫或二氧化碳施救。

急救措施

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蘇打四兄弟

蘇打

蘇打是Soda的音譯，化學(xué)式為Na2CO3。它的名字頗多，學(xué)名叫碳酸鈉，俗名稱純堿。帶有結(jié)晶水的叫水合碳酸鈉，有一水碳酸鈉（Na2CO3·H2O）、七水碳酸鈉（Na2CO3·7H2O）和