سدیم کربنات

تاریخچه سدیم کربنات

حدود ۵۰۰۰ سال پیش برای اولین بار مصریان باستان شکل طبیعی نمک قلیایی ترکیبی شامل سدیم کربنات دکا هیدرات و سدیم بی کربنات را استفاده می‌کردند. رسوبات معدنی نمک‌های قلیایی طبیعی، ترکیبی از سدیم کربنات و سدیم بی کربنات است که از کف دریاچه‌های خشک شده موجود در مصر از زمان‌های گذشته ‌استخراج می‌شده تا در تهیه مومیایی و به عنوان صابون برای شستشو و نیز ساخت ابتدایی شیشه استفاده شود. آنها محصول را از ذخایر تجمعی دریاچه های خشک یا با سوزاندن جلبک دریایی و سایر گیاهان دریایی بازیافت کردند.
رومی‌ها همچنین از خاکستر سودا برای پخت نان، ساخت شیشه و برای مقاصد پزشکی استفاده می‌کردند. جالب است بدانید تا نزدیک به قرن ۲۰، این ماده همچنان مثل زمان مصر باستان از خاکستر گیاهان بدست می‌آمد و به همین علت آن را Soda Ash می‌نامیدند.
در سال ۱۷۹۱ میلادی شیمیدان فرانسوی نیکلاس لبانس کربنات سدیم را با استفاده از نمک سدیم کلرید، سولفوریک اسید و سنگ آهک (کلسیم کربنات) در حضور زغال تولید کرد. در روش نیکلاس لبانس ابتدا سدیم کلرید در سولفوریک اسید جوشانده شده تا به سدیم سولفات و گاز هیدروژن کلرید تبدیل شود، سپس سدیم سولفات تولید شده به همراه سنگ آهک و زغال خرد شده حرارت داده می‌شد تا سدیم کربنات حاصل گردد. با وجود اینکه گاز هیدروژن کلرید (هیدروکلریک اسید) حاصل از این واکنش از عوامل آلودگی هوا  به شمار می‌رفت، از این روش تا اواخر ۱۸۸۰ میلادی برای تولید کربنات سدیم استفاده می‌شد.

کاربردها

مهمترین و اصلی‌ترین کاربرد سدیم کربنات در تولید شیمیایی شیشه است. چنانچه سدیم کربنات را در دماهای بسیار بالا حرارت دهیم، و آن را با ماسه و کلسیم کربنات ترکیب کنیم و سپس به سرعت آن را سرد کنیم، محصول ما شیشه خواهد بود.
سدیم کربنات همچنین به عنوان بک باز نسبتاً قوی در بسیاری از موارد به کار می‌رود. برای مثال، به عنوان تنظیم‌کننده PH جهت حفظ پایداری شرایط قلیایی لازم برای عملکرد اکثر عوامل تولیدکننده از این ترکیب استفاده می‌شود.
به عنوان یک افزودنی رایج در مخازن شهری جهت خنثی‌سازی اثر اسیدی کلر و افزایش PH به کار می‌رود. در آشپزی، گاهی اوقات به عنوان یک جایگزین برای سدیم هیدروکسید برای قلیایی کردن به خصوص در چوب شور (نان نمکی) به کار می‌رود. این خوراک‌ها با یک محلول ماده قلیایی عمل آوری می‌شوند تا PH سطح ماده غذایی را تغییر کند که این سبب برشتگی بیشتر آن می‌شود.
در شیمی این ماده به عنوان یک الکترولیت استفاده می‌شود و این از آن جهت است که الکتزولیت‌ها معمولاً بازهای نمکی دارند و از طرفی سدیم کربنات به عنوان یک رسانای خوب در الکترولیز عمل می‌کند. همچنین به عنوان استاندارد اصلی تیتراسیون اسید و باز به کار می‌رود و این به دلیل پایداری جامد و گاز این ماده است که سبب سهولت در اندازه‌گیری دقیق تر جرم می‌شود.
در خانه‌ها به عنوان نرم‌کنندهٔ آب در شست‌وشوی لباس‌ها به کار می‌رود. این ماده با یون‌های منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت مقابله می‌کند و مانع از تشکیل پیوند بین آن‌ها با ماده شوینده به کار رفته می‌شود. بدون استفاده از سدیم کربنات شوینده اضافی برای خیساندن یون‌های منیزیم و کلسیم نیاز می‌شود. سدیم کربنات در بخش شویندهای فروشگاه‌ها به نام علف شوره (اشنان) دیده می‌شود و به‌طور مؤثری لکه‌های روغن، گریس، و الکل را از بین می‌برد. سدیم کربنات همچنین به عنوان عامل ضد رسوبی از جمله رسوب‌هایی که در کتری‌ها و ماشین‌های بخار دیده می‌شود به کار می‌رود.

سایر کاربردها

در کارگاه‌های آجرپزی از سدیم کربنات به عنوان عامل خمیرکننده استفاده می‌شود تا حجم آب مورد نیاز جهت قالب‌گیری خاک رس کاهش یابد. همچنین از آن برای تهیه فوری ماکارونی استفاده می‌شود.
سدیم کربنات یک افزودنی غذایی است (E500) که به عنوان تنظیم‌کننده میزان ترشی و نیز به عنوان پایدارکننده به کار می‌رود. سدیم کربنات همچنین در تولید بستنی چوبی کاربرد دارد. احساس خنکی و گازدار بودن نتیجهٔ واکنش گرماگیر بین سدیم کربنات و یک اسید ضعیف است (که معمولاً سیتریک اسید انتخاب می‌شود) و در نتیجهٔ آن کربن دی اکسید تولید می‌شود؛ یعنی زمانی که بستنی با بزاق دهان خیس می‌شود.
سدیم کربنات همچنین برای از بین بردن کپک چوب یا سایر مواد به کار می‌رود.

شکل‌گیری

سدیم کربنات در آب محلول است. اما به‌طور طبیعی در بخش‌های خشک، به خصوص در رسوب‌های معدنی شکل گرفته از تبخیر آب دریاچه‌ها یافت می‌شود. رسوبات معدنی نمک‌های قلیایی طبیعی، ترکیبی از سدیم کربنات و سدیم بی کربنات است که از کف دریاچه‌های خشک شده موجود در مصر از زمان‌های گذشته‌استخراج می‌شده است تا در تهیه مومیایی و نیز ساخت ابتدایی شیشه استفاده شوند. سدیم کربنات به سه صورت ترکیب هیدراته شناخته شده است: سدیم کربنات ۲ آبه، سدیم کربنات ۷ آبه و سدیم کربنات تک آبه.

تولید

Trona یعنی سدیم بی کربنات کربنات ۲ آبه، در مناطق مختلفی از ایالات متحده استخراج می‌شود و تمام سدیم کربنات نیاز داخل را تأمین می‌کند. در ایران نیز مهمترین مکان تولید آن در شهرستان سرخه کارخانه جات کربنات سدیم سرخه می‌باشد که در جنوب غربی شهرسرخه در شهرستان سرخه، استان سمنان واقع شده‌است. رسوبات عظیم و طبیعی از آن در سال ۱۹۳۸ در نزدیکی Green River یافت شد و استخراج معادن در آمریکای شمالی بیشتر با توجه به جنبه اقتصادی و نه تولید صنعتی صورت گرفت.
این ماده از دریاچه‌های قلیایی نیز به دست می‌آید، همچون دریاچهٔ Magadi در کنیا که البته با استفاده از فرایند لاروبی از روش‌های ابتدایی به دست می‌آید و به‌طور طبیعی تجدید می‌شود و بنابراین هیچ‌گاه این منبع طبیعی پایان نمی‌پذیرد.
بسیاری از گیاهان شورپسند که در آب‌های شور زیست می‌کنند و در مقابل آب شور مقاومند می‌توانند انواع ناخالص سدیم کربنات را به ما بدهند و این منابع شکل رایج و کنونی مورد استفاده در اروپا و سایر مناطق تا قرن ۱۹ بود. گیاهان خشکی زی مانند درخت آشنا و نیز علف شوره یا خزه یا نوعی جلبک دریایی به نام کتانجک ابتدا جمع‌آوری شده و پس از خشک کردن سوزانده می‌شدند. خاکستر حاصل با آب شسته می‌شد تا محلول قلیایی تشکیل شود. این محلول پی از جوشانده شدن و خشک شدن محصول نهایی را به ما می‌دهد که Soda Ash نامیده می‌شود. این نام قدیمی برگرفته از منبع اولیه گیاهی آن است که یک بوته یک ساله به نام Salsola soda (barilla plant) است.
غلظت سدیم کربنات موجود در Soda Ash بازه گسترده‌ای دارد، از ۳–۲٪ موجود در کتانجک تا ۳۰٪ موجود در بهترین “barilla” که از گیاهان علف شوره موجود در اسپانیا به دست می‌آید. منابع گیاهی و جلبک مورد استفاده برای Soda Ash، و نیز برای پتاس‌های قلیایی مرتبط، به‌طور افزاینده‌ای تا پایان قرن ۱۸ ناکافی به نظر می‌رسیدند و جستجو برای یافتن راه‌های تجاری و پایدار برای ساخت و سنتز این ماده از نمک‌ها و سایر مواد شیمیایی روز به روز گسترش می‌یافت.

فرایند Leblanc

در سال ۱۷۹۱، شیمیدان فرانسوی نیکلاس لبلنک روشی نوین را برای تولید سدیم کربنات از نمک، سولفوریک اسید، و زغال سنگ به ثبت رساند. نخست نمک دریایی (سدیم کلرید) در سولفوریک اسید جوشانده می‌شد تا سدیم سولفور و گاز هیدروژن کلرید تولید شود. همچنان که در واکنش زیر مشاهده می‌کنید.
2nacl+…
سپس، مخلوط سدیم سولفات با سنگ آهک خرد شده (کلسیم کربنات) و زغال حرارت داده می‌شد تا سدیم کربنات به همراه کربن دی‌اکسید و کلسیم سولفور حاصل شود.
سدیم کربنات از عصاره‌گیری خاکستر و آب به دست می‌آمد، و با تبخیر آب موجود، جمع‌آوری می‌شد.
هیدروکلریک اسید حاصل از فرایند لبلنک، یکی از منابع اصلی آلودگی هوا است و کلسیم سولفید که به عنوان یک محصول جانبی تلقی می‌شود یک فراورده بیهوده می‌باشد. البته با این توصیفات، روش اصلی تولید سدیم کربنات تا اواخر دههٔ ۱۸۸۰ همین روش یادشده بود.

فرایند سولوای (Solvay)

در سال ۱۸۶۱، یکی از شیمیدانان صنایع بلژیک، ارنست سولوای، روشی را معرفی کرد که سدیم کلرید با استفاده از آمونیاک به سدیم کربنات تبدیل می‌شود. این فرایند در یک برج بزرگ میان تهی صورت می‌گیرد و در انتهای این برج کلسیم کربنات (سنگ آهک) حرارت داده می‌شود تا کربن دی‌اکسید به دست آید:
و از قسمت بالای برج، محلول غلیظی از سدیم کلرید و آمونیک وارد آن می‌شود. به محض این که در میان آن کربن دی‌اکسید بجوشد، سدیم بی کربنات تهنشین می‌شود:
سپس سدیم بی کربنات با حرارت دادن در شکل سدیم کربنات ظاهر می‌شود و آب و کربن دی‌اکسید سایر فراورده‌ها را تشکیل می‌دهند.
ضمناً، آمونیاک از فراورده جانبی آمونیوم کلرید مجدداً تولید می‌شود و این زمانی رخ می‌دهد که در مجاورت آهک (کلسیم هیدروکسید) باقی‌مانده از واکنش تولید کربن دی کسید قرار گیرد.
به این دلیل که فرایند سولوای آمونیاک مصرف شده را بازمی‌گرداند و تنها آب شور و آهک طی آن به مصرف می‌رسد و تنها فراوردهٔ اضافی آن کلسیم کلرید است، اساساً از نظر اقتصادی نسبت به فرایند لبلنک برتری دارد و به سرعت در تولیدات سدیم کربنات به عنوان روشی اصلی و کارامد مطرح شد. تا سال ۱۹۰۰، ۹۰٪ سدیم کربنات تحت این فرایند تولید شد و آخرین پایگاه تولید سدیم کربنات که با استفاده از روش قبلی یعنی روش لبلنک فعالیت می‌کرد، در آغاز دههٔ ۱۹۲۰ بسته شد.

فرایند Hou

توسط شیمی‌دان چینی به نام Hou Debang در دههٔ ۱۹۳۰ معرفی شد. این فرایند در مراحل اولیه مشابه فرایند سولوای است. اما به جای واکنش دادن محلول باقی‌مانده با آهک، کربن دی‌اکسید و آمونیاک یک محلول تشکیل می‌دهند و سدیم کلرید هنگامی که دما به حد ۴۰ درجه سانتیگراد رسید به محلول اضافه می‌شود. سپس محلول تا ۱۰ درجه سانتیگراد سرد می‌شود. آمونیوم کلرید تهنشین شده و با فیلترگذاری جدا می‌شود؛ و در ادامه محلول مجدداً برای تولید سدیم بی کربنات به کار گرفته می‌شود. این روش مشکل تولید کلسیم کلرید را حل کرده و از محصول جانبی آمونیوم کلریدnh4cl) نیز جهت کود دهی استفاده می‌شود. این روش، روش روز تولید سدیم کربنات در صنایع کنونی جهان است.