Карбонат натрия

Карбона́т на́трия,углеки́слый на́трий,арх.кальцинированная содаNa2CO3—средняя сольнатрияиугольной кислоты. Бесцветные кристаллы или белый порошок, гигроскопична, хорошо растворима в воде.  Растворы имеют сильнощелочную реакцию➤. Образует три основных  кристаллогидрата — декагидрат Na2CO3·10H2O, гептагидрат Na2CO3·7H2O и  моногидрат Na2CO3·H2O➤.
В промышленности в основном получают изхлорида натрияпо аммиачно-хлоридному способу (метод Сольве)➤.  Технический карбонат натрия выпускается в видекальцинированной соды, содержащей от 87,0 до 99,4 %Na2CO3➤.
Применяют при изготовлениистекла➤, для производствамоющих средств, используют в процессе полученияалюминияизбокситов, в качественейтрализующегоагента при очисткенефтепродуктов➤, а также  в пищевой промышленности➤.
«Сода» в европейских языках происходит, вероятно, от арабского «suwwad» — общего названия различных видовсолянок, растений, из золы которых её добывали в средние века➤; существуют и другие версии. Кальцинированная сода (карбонат натрия) называется так потому, что для получения её из кристаллогидрата последний «кальцинируют» (лат.calcinatio, от calx, по сходству с процессом обжигаизвести), то есть прокаливают.
Имеет вид бесцветных кристаллов или белого порошка. Существует в нескольких разных модификациях: α-модификация с моноклинной кристаллической решеткой образуется при температуре до 350 °C, затем, при нагреве выше этой температуры и до 479 °C переходит в β-модификацию, также имеющую моноклинную кристаллическую решетку. Твёрдость по шкале Мооса моногидрата карбоната натрия составляет 1,3. При увеличении температуры выше 479 °C соединение переходит γ-модификацию с гексагональной решеткой. Плавится при 854 °C, при нагреве выше 1000 °C разлагается с образованиемоксида натрияидиоксида углерода.
Карбонат натрия можно выделить в виде трех различных гидратов:
Кристаллогидраты карбоната натрия существуют в разных формах: бесцветный моноклинный Na2CO3·10H2O, при 32,017 °C переходит в бесцветный ромбический Na2CO3·7H2O, последний при нагревании до 35,27 °C бесцветный переходит в ромбический Na2CO3·H2O. В интервале 100−120 °C моногидрат теряет вод с образованием безводного карбоната натрия.
Декагидратобразуется из водных растворов, кристаллизующихся в диапазоне температур от −2,1 до +32,0 °C, гептагидрата в узком диапазоне от 32,0 до 35,4 °C, а выше этой температуры образуетсямоногидрат.
Сообщалось о других гидратах, например, с 2,5 единицами воды на единицу карбоната натрия («пентагемигидрат»).
В водном растворе карбонат натриягидролизуется, что обуславливает щелочную реакцию среды. Уравнение гидролиза (в ионной форме):
Перваяконстанта диссоциацииугольной кислоты равна 4,5⋅10. Все кислоты, более сильные, чем угольная, вытесняют её в реакции с карбонатом натрия. Так как угольная кислота крайне нестойкая, она тут же разлагается на воду и углекислый газ:
В природе сода встречается взоленекоторых морских водорослей, а также в виде минералов:
Современныеминеральныесодовые озёраизвестны вЗабайкальеи вЗападной Сибири; большой известностью пользуетсяозеро НатронвТанзаниииозеро СирлсвКалифорнии.Трона, имеющая промышленное значение, открыта в1938в составеэоценовойтолщи Грин-Ривер (Вайоминг,США). Вместе с троной в этой осадочной толще обнаружено много ранее считавшихся редкими минералов, в том числедавсонит, который рассматривается как сырьё для получения соды иглинозёма. В США природная сода  добывается 4 компаниями в Вайоминге и одной в Калифорнии, около половины экспортируется. Около четверти используемой в мире соды добывается из природных источников, 90 % из них добывается в США.
До началаXIX векакарбонат натрия получали преимущественно из золы некоторых морских водорослей, прибрежных исолончаковыхрастений путёмперекристаллизацииотносительно малорастворимого NaHCO3изщёлока.
Некоторые виды растений-галофитови морских водорослей могут быть переработаны для получения неочищенной формы карбоната натрия. Этот промышленный источник получения кальцинированной соды преобладал вЕвропеи других странах до начала 19 века.
Наземные растения (обычноангл.saltwort) или водоросли (обычно видыфукусов) собирали, сушили и сжигали. Затем золу «выщелачивали» (промывали водой) с образованием щелочного раствора. Этот раствор кипятили до сухого остатка, чтобы создать конечный продукт, который назвался «кальцинированной содой»; это очень старое название происходит от арабского слова «Soda», которое, в свою очередь, применяется к «соляной соде» — одному из многих видов прибрежных растений, собираемых для выращивания. «Барилла» — это коммерческий термин, применяемый к технической форме карбоната натрия, полученной из золы прибрежных растений или водорослей.
Концентрация карбоната натрия в кальцинированной соде варьировалась в очень широких пределах: от 2—3 % для формы, полученной из морских водорослей («ламинария»), до 30 % для лучшей бариллы, полученной из растений солянки (англ.saltwort) в Испании. Источники кальцинированной соды, а также связанная с ней щелочь «поташ» из растений и морских водорослей, к концу 18 века становились все более дорогостоящими источниками, и начался поиск более коммерчески обоснованных методов получения кальцинированной соды изповаренной солии других распространённых химических реагентов.
Российские ученые разработали процесс получения глинозема изнефелиновогоконцентрата, особенностью которого является отсутствие побочных продуктов. В процессе переработки изнефелинови известняка получаютцемент, кальцинированную соду,поташиглинозем. Производится спекание нефелина с известняком, и продукт обрабатывается с целью извлеченияоксида алюминия, кальцинированной соды и оксида калия. Затем, послевыщелачивания, белитовый шлам используется для производства цемента.
Трона, минерал, дигидрат тринатрийгидрогендикарбоната (Na3HCO3CO3·2H2O) добывается вТурции. Разработкой богатейшего месторождениятронывБейпазарывозлеАнкарызанимается компанияEti Soda, входящая в состав группыCiner Holding. Два миллиона тонн кальцинированной соды добыты в месторождении возлеАнкары.
Его также добывают в некоторых щелочных озёрах, таких как озероМагадивКениидноуглубительными работами. Горячие солевые источники постоянно пополняют запас соли в озере, поэтому при условии, что скорость дноуглубительных работ не превышает скорость восполнения, источник является полностью возобновляемым.
Также добывается в нескольких районах США и обеспечивает почти все внутреннее потребление страны в карбонате натрия. Крупные природные месторождения, обнаруженные в 1938 году, — месторождение возлеГрин-Ривер, штатВайоминг, сделали разработкутроныв качестве полезных ископаемых более экономичной, чем промышленное производство в Северной Америке.
В 1791 году французский химикНиколя Лебланполучил патент на «Способ превращенияглауберовой солив соду». По этому способу  смесьсульфата натрия(«глауберовой соли»),мелаили известняка (карбоната кальция) идревесного углязапекается при температуре около 1000 °C. Угольвосстанавливает сульфат натрия до сульфида:
Сульфид натрия далее реагирует с карбонатом кальция:
Полученный расплав обрабатывают водой, при этом карбонат натрия переходит в раствор, сульфид кальция отфильтровывают, затем раствор карбоната натрия упаривают. Сырую соду очищаютперекристаллизацией. Процесс Леблана даёт соду в виде кристаллогидрата (см. выше), поэтому полученную соду обезвоживают кальцинированием.
Сульфат натрия получали обработкой каменной соли (хлорида натрия)серной кислотой:
Выделявшийся в ходе реакциихлороводородчастично улавливался водой с получениемсоляной кислоты, но сама соляная кислота оставалась основным источником загрязнения воздуха.
Первый содовый завод такого типа в России был основан промышленником М. Прангом и появился вБарнаулев1864 году.
После появления более экономичного (не остаётся в больших количествах побочный сульфид кальция) и технологичного способа Сольве, заводы, работающие по способу Леблана, стали закрываться. К1900 году90 % предприятий производили соду по методу Сольве, а последние фабрики, работающие по методу Леблана, закрылись в начале 1920-х.
В 1861 году бельгийский инженер-химикЭрнест Сольвезапатентовал метод производства соды, который используется и по сей день.
В насыщенный растворхлорида натрияпропускают эквимолярные количества газообразныхаммиакаидиоксида углерода:
Выпавший остаток малорастворимого (9,6 г на 100 г воды при 20 °C) гидрокарбоната натрияотфильтровываюти кальцинируют (обезвоживают) нагреванием до 140—160 °C, при этом он переходит в карбонат натрия:
Образовавшийся CO2возвращают в производственный цикл. Хлорид аммония NH4Cl обрабатывают гидроксидом кальция Ca(OH)2, полученный NH3также возвращают в производственный цикл:
.Таким образом, единственным побочным продуктом производства являетсяхлорид кальция.
Первый содовый завод такого типа в мире был открыт в 1863 вБельгии;первый завод такого типа в Россиибыл основан в районеуральскогогородаБерезникифирмой «Любимов, Сольве и Ко» в 1883 году. Его производительность составляла 20 тысяч тонн соды в год.
До сих пор этот способ остаётся основным способом получения соды во всех странах.
Разработан китайским химиком Хоу (Hou Debang) в 1930-х годах. Отличается от процесса Сольве тем, что не использует гидроксид кальция.
По способу Хоу в раствор хлорида натрия при температуре 40 градусов подается диоксид углерода и аммиак. Менее растворимый гидрокарбонат натрия в ходе реакции выпадает в осадок (как и в методе Сольве). Затем раствор охлаждают до 10 градусов. При этом выпадает в осадок хлорид аммония, а раствор используют повторно для производства следующих порций соды.
По методу Хоу в качестве побочного продукта образуется NH4Cl вместо CaCl2по методу Сольве.
Способ Сольве был разработан в то время, когда  отсутствовали промышленные методы получения аммиака, поэтому его  было необходимо регенерировать изNH4Cl. Метод Хоу появился позже, когда аммиак производился попроцессу Габера, поэтому необходимость регенерации аммиака уже не стояла так остро, а получаемый побочно NH4Cl возможно стало использовать как азотное удобрение.
В настоящее время в ряде стран практически весь искусственно производящийся карбонат натрия вырабатывается по методу Сольве (включая метод Хоу, как модификацию), а именно в Европе 94 % искусственно производимой соды, во всем мире — 84 % (2000 год).
Сода кальцинированная— технический карбонат натрия, выпускают в виде марки А (гранулированная) и  марки Б (порошкообразная)  поГОСТ 5100-85с содержаниемNa2CO3от 99,0 до 99,4 %, а также и из нефелиновой руды (ГОСТ 10689-75) с содержаниемNa2CO3от 87,0 до 96,5 %.  Гигроскопичный продукт, на воздухе поглощает водяной пар и углекислоту с образованиемкислой солигидрокарбоната натрия, слеживается при хранении на открытом воздухе.
Карбонат натрия применяют вмыловарениии производствестиральных и чистящих порошков;эмалей, для полученияультрамарина. Также он применяется для обезжиривания металлов и десульфатизации доменногочугуна. Карбонат натрия — исходный реагент для полученияNaOH,Na2B4O7,Na2HPO4. Может использоваться в сигаретных фильтрах. В фотографии используется в составепроявителейкак ускоряющее средство.
В пищевой промышленности карбонаты натрия зарегистрированы в качествепищевой добавкиE500, — регулятора кислотности, разрыхлителя, препятствующего комкованию и слёживанию. Карбонат натрия (кальцинированная сода, Na2CO3) имеет код 500i,гидрокарбонат натрия(пищевая сода, NaHCO3) — 500ii, их смесь — 500iii.
Одна из новейших технологий повышения нефтеотдачи пластов — АСП заводнение, в котором применяется сода в сочетании с ПАВ для снижения межфазного натяжения между водой инефтью.
Карбонат натрия используют встекольномпроизводстве. Карбонат натрия служит флюсом для кремнезема, понижая температуру плавления диоксида кремния от +2500 °C до +500 °C. Получавшееся стекло слабо растворимо в воде, поэтому в расплавленную смесь добавляют ещё ~10 %карбоната кальция, чтобы сделать стекло нерастворимым.
Стекло для бутылок и окон (натриево-известковое стекло) изготавливается путем плавления таких смесей карбоната натрия, карбоната кальция икварцевого песка(диоксида кремния (SiO2)). При нагреве компонентов смеси происходит разложение карбонатов на оксиды металлов (Na2O и CaO) и диоксид углерода (CO2). Таким образом, карбонат натрия традиционно является источникомоксида натрия. Натриевое стекло на протяжении веков было самой распространенной формой стекла.
Карбонат натрия применяется для смягчения воды паровых котлов и уменьшенияжёсткости воды. Жесткая вода содержит растворенные соединения, обычно соединения кальция или магния. Карбонат натрия используется для снятия временной и постоянной жесткости воды.
Карбонат натрия является водорастворимым источником карбонат-ионов для катионов магния Mgи кальция Ca. Эти ионы образуют нерастворимые твердые осадки при обработке карбонат-ионами:
Ca2++CO32−⟶CaCO3{\displaystyle {\ce {Ca^2+ + CO3^2- -> CaCO3}}}
Ca2+(aq)+Na2CO3(aq)⟶CaCO3(s)+2Na+(aq){\displaystyle {\ce {Ca^2+(aq) + Na2CO3(aq) -> CaCO3(s) + 2Na+(aq)}}}
Сходным образом реагируют катионы магния:
Mg2+(aq)+Na2CO3(aq)⟶MgCO3(s)+2Na+(aq){\displaystyle {\ce {Mg^2+(aq) + Na2CO3(aq) -> MgCO3(s) + 2Na+(aq)}}}.
Вода смягчается, поскольку в ней уменьшается концентрация  ионов кальция и магния.
Предельно допустимая концентрацияаэрозолякальцинированной соды в воздухе производственных помещений — 2 мг/м. Кальцинированная сода относится к веществам 3-го класса опасности. Аэрозоль кальцинированной соды при попадании на влажную кожу и слизистые оболочки глаз и носа может вызвать раздражение, а при длительном воздействии —дерматит.
Сода — общее название технических натриевых солейугольной кислоты.