Նատրիումի կարբոնատ

Անգույն բյուրեղային նյութ է կամ սպիտակ փոշի։ Ունի մի քանի ձևափոխություններ։ ${\displaystyle \alpha }$ -ձևափոխությունը ձևավորվում է 350 °C-ում, ապա մինչև 479 °C տաքացնելիս առաջանում է ${\displaystyle \beta }$ -ձևափոխությունը։ ${\displaystyle \alpha }$ - և ${\displaystyle \beta }$ -ձևափոխությունն ունեն մոնոկլինային խորանարդային բյուրեղացանցեր։ 479 °C-ից բարձր ջերմաստիճանում նատրիումի կարբոնատը վերածվում է վեցանկյուն բյուրեղացանց ունեցող ${\displaystyle \beta }$ -ձևափոխության։ Հալվում է 854 °C-ում, 1000 °C-ից բարձր ջերմաստիճանում քայքայվում է առաջացնելով նատրիումի օքսիդ և ածխաթթու գազ^[3][4]։

Անգույն, մոնոկլինային ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot 10H_{2}O}$ բանաձևով բյուրեղահիդրատը 32,017 °C-ում վերածվում է շեղանկյուն բյուրեղացանցով ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot 7H_{2}O}$ բյուրեղահիդրատի, մինչև 35,27 °C տաքացնելիս վերածվում է անգույն շեղանկյուն բյուրեղացանցով ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot H_{2}O}$ բյուրեղահիդրատի։ 100-200 °C-ում մոնոհիդրատը կորցնում է ջուրը վերածվելով՝ ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}}$ :

Պատկերասրահ

• 
  Նատրիումի կարբոնատի մոլեկուլի կառուցվածքը:
• 
  Նատրիումի կարբոնատի խորանարդային բյուրեղացանց:

Նատրիումի կարբոնատի հատկությունները

Ֆիզիկական մեծություն	անջուր նատրիումի կարբոնատ	դեկահիդրատ ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot 10H_{2}O}$
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 ${\displaystyle \rho }$	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 ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}}$ 100 գ ${\displaystyle H_{2}O}$	7	12,2	21,8	29,4	39,7	48,8	47,3	46,4	45,1	44,7	42,7	39,3

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

• նախկոլիտ ${\displaystyle NaHCO_{3}}$
• տրոն (եգիպտական աղ) ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot NaHCO_{3}\cdot 2H_{2}O}$
• նատրիտ (նատրոն, բյուրեղային սոդա) ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot 10H_{2}O}$
• թերմոնատրիտ ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot H_{2}O}$

Ժամանակակից սոդայի լճերը հայտնի են Անդրբայկալում և Արևմտյան Սիբիրում, մեծ ճանաչում ունեն Նատրոն լիճը Տանզանիայում և Սիրլիս լիճը Կալիֆորնիայում^[5]։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։

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

${\displaystyle {\mathsf {CO_{3}^{2-}+H_{2}O\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+OH^{-}}}}$

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։

${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}CO_{3}+H_{2}SO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}$

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

Լեբլանի եղանակ

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։

${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}SO_{4}+2C\rightarrow Na_{2}S+2CO_{2}}}}$

Նատրիումի սուլֆիդը փոխազդում է կալցիումի կարբոնատի հետ։

${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}S+CaCO_{3}\rightarrow Na_{2}CO_{3}+CaS}}}$

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։

${\displaystyle {\mathsf {2NaCl+H_{2}SO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+2HCl}}}$

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)

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՝ ${\displaystyle NH_{4}HCO_{3}}$ :

${\displaystyle {\mathsf {NH_{3}+CO_{2}+H_{2}O+NaCl\rightarrow NaHCO_{3}+NH_{4}Cl}}}$

Քիչ լուծելի նատրիումի հիդրոկարբոնատի մնացորդը ֆիլտրում են և կալցինացնում (ջրածնազրկում՝ տաքացնելով 140-160 °C), որի արդյունքում հիդրոկարբոնատը վերածվում է կարբոնատի։

${\displaystyle {\mathsf {2NaHCO_{3}{\xrightarrow[{}]{^{o}t}}Na_{2}CO_{3}+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}$

Անջատված ${\displaystyle CO_{2}}$ վերադարձնում են արդյունաբերական ցիկլ։ Ամոնիումի քլորիդը՝ ${\displaystyle NH_{4}Cl}$ մշակում են կալցիումի հիդրօքսիդով՝ ${\displaystyle Ca(OH)_{2}}$ :

${\displaystyle {\mathsf {2NH_{4}Cl+Ca(OH)_{2}\rightarrow CaCl_{2}+2NH_{3}+2H_{2}O}}}$

Ստացված ${\displaystyle NH_{3}}$ -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 20 տ սոդա։

Մինչ օրս այս եղանակը հանդիսանում է սոդայի ստացման հիմնական եղանակ։

Հոուի եղանակ

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 40 °C-ում։ Ինչպես Սոլվեի եղանակում, այստեղ ևս քիչ լուծված նատրիումի հիդրոկարբոնատը նստեցվում է, ապա լուծույթը մինչև 10 °C սառեցնելով նստեցվում է ամոնիումի քլորիդը, իսկ լուծույթը օգտագործվում է սոդայի հաջորդ խմբաքանակի ստացման համար։

Ստացման եղանակների համեմատում

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^[6]։

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 ${\displaystyle NaOH}$ , ${\displaystyle Na_{2}B_{4}O_{7},Na_{2}HPO_{4}}$ նյութերի ստացման համար։ Կարող է կիրառվել ծխախոտի ֆիլտրի արտադրությունում^[7]։

Սննդի արդյունաբերությունում նատրիումի կարբոնատները գրանցված են որպես սննդային հավելումներ՝ E500 թթվայնության կարգավորիչ, փխրեցուցիչ։ Նատրիումի կարբոնատը (կալցինացված սոդան՝ ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}}$ ) ունի 500i կոդը, նատրիումի հիդրոկարբոնատը՝ 500ii (խմելու սոդա՝ ${\displaystyle NaHCO_{3}}$ ) 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^[8]։

Պոլիմերացումը կանխելու համար ավելացվում է շարժիչի յուղի բաղադրության մեջ։

Արդյունաբերական շինություններում օդում կալցինացված սոդայի սահմանային թույլատրելի կոնցենտրացիան 2մգ/մ է^[3]։ 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)։

Սոդան ածխաթթվի նատրիումական աղի տեխնիկական անվանումն է։

• ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}}$ (Նատրիումի կարբոնատ) — կալցինացված սոդա, սպիտակեղենի սոդա
• ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot 10H_{2}O}$ (նատրիումի կարբոնատի հիդրատ, պարունակում է 62,5 % բյուրեղաջուր)՝ լվացքի սոդա, երբեմն թողարկվում է ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot H_{2}O}$ կամ ${\displaystyle Na_{2}CO_{3}\cdot 7H_{2}O}$ տեսքով։
• ${\displaystyle NaHCO_{3}}$ (նատրիումի հիդրոկարբոնատ) — խմելու սոդա, սննդի սոդա, նատրիումի բիկարբոնատ։

• 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.