Natri sunfat

Lịch sử

Muối natri sunfat ngậm nước được biết dưới tên muối Glauber sau khi nhà hóa học và bào chế người Đức/Hà Lan Johann Rudolf Glauber (1604–1670) tìm ra nó vào năm 1625 trong nước của một con suối tại Áo. Ông đặt tên nó là sal mirabilis (muối kì lạ), vì những đặc tính y khoa của loại muối này: những tinh thể muối đã được dùng để làm thuốc nhuận tràng cho đến khi có những chất thay thế phức tạp hơn ra đời vào những năm 1900.
Vào thế kỉ 18, muối Glauber bắt đầu được dùng làm vật liệu thô cho quá trình sản xuất soda trong công nghiệp, khi phản ứng với kali cacbonat. Nhu cầu gia tăng nên nguồn cung natri sunfat cũng phải tăng lên tương ứng. Do đó, vào thế kỉ 19, quá trình Leblanc quy mô lớn, sản xuất natri sunfat tổng hợp như là một chất trung quan chủ yếu, trở thành phương pháp chính trong sản xuất soda.

Cấu trúc tinh thể

Các tinh thể chứa ion [Na(OH₂)₆]⁺ dạng bát diện, được tìm thấy trong nhiều muối sunfat kim loại. Những cation này được liên kết với gốc sunfat thông qua liên kết hiđrô. Độ dài liên kết Na-O là 240 pm. Hai phân tử nước của mỗi đơn vị công thức phân tử không tạo phối trí với Na⁺.  Tinh thể natri sunfat đecahiđrat còn bất thường so với các loại muối ngậm nước khác khi có giá trị entropy dư thừa (entropy ở nhiệt độ không tuyệt đối) là 6.32 J·K⁻¹·mol⁻¹. Điều này được cho là do khả năng phân bố nước nhanh hơn rất nhiều so với hầu hết các muối khác.

Sản xuất

Sản lượng natri sunfat của thế giới phần lớn là ở dạng đecahiđrat xấp xỉ đạt 5.5 đến 6 triện tấn hàng năm. Năm 1985, sản lượng là 4.5 triệu tấn/năm, một nửa trong đó là từ các nguồn tự nhiên và một nửa là từ công nghiệp xản xuất hóa chất.  Sau năm 2000, ở mức độ bền vững cho đến năm 2006, sản xuất từ nguồn tự nhiên tăng lên 4 triệu tấn/năm, và lượng sản xuất từ công nghiệp hóa chất giảm xuống 1.5 đến 2 triệu tấn/năm, với tổng sản lượng là 5.5 đến 6 triệu tấn/năm. Với tất cả các ứng dụng, trên thực tế, natri sunfat sản xuất trong tự nhiên và trong công nghiệp hóa chất có thể thay thế cho nhau.

Nguồn tự nhiên

2/3 sản lượng trên thế giới là nguồn khoáng vật thiên nhiên mirabilite, ví dụ như mẫu khoáng vật tìm thấy ở đáy hồ ở phía nam Saskatchewan. Năm 1990, México và Tây Ban Nha là nguồn cung cấp natri sunfat thiên nhiên lớn của thế giới (mỗi nước khoảng 500,000 tấn), ngoài ra còn có Nga, Hoa Kỳ và Canada với khoảng 350,000 tấn mỗi quốc gia. Nguồn tự nhiên được ước tính vào khoảng hơn 1 tỉ tấn.
Các nhà sản xuất lớn từ 200,000 to 1,500,000 tấn/năm vào năm 2006 gồm Searles Valley Minerals (California, Mỹ), Airborne Industrial Minerals (Saskatchewan, Canada), Química del Rey (Coahuila, Mexico), Minera de Santa Marta and Criaderos Minerales Y Derivados, còn được biết là Grupo Crimidesa (Burgos, Tây Ban Nha), Minera de Santa Marta (Toledo, Tây Ban Nha), Sulquisa (Madrid, Tây Ban Nha), và ở Trung Quốc là Chengdu Sanlian Tianquan Chemical (Tứ Xuyên), Hongze Yinzhu Chemical Group (Giang Tô), Nafine Chemical Industry Group (Sơn Tây), and Sichuan Province Chuanmei Mirabilite (Tứ Xuyên), và Kuchuksulphat JSC (Altai Krai, Siberia, Nga). Ở Saskatchewan, một trong những mỏ chính là Saskatchewan Minerals.
Muối natri sunfat khan có mặt ở nhũng nơi khô khan dưới dạng khoáng vật thenardite. Nó chuyển sang mirabilite dần dần trong không khí ẩm. Nó còn được tìm thấy ở dạng glauberite, một khoáng vật canxi natri sunfat. Cả hai khoáng vật kể trên đều ít phổ biến hơn so với mirabilite.

Công nghiệp hàng hóa toàn cầu

Với giá cả ở Mỹ là 30 USD/tấn năm 1970, 6 đến 90 USD/tấn cho chất lượng bánh muối và 130 USD/tấn cho cấp cao hơn, natri sunfat là một vật liệu rất rẻ tiền. Ứng dụng rộng rãi nhất là làm chất độn trong các loại thuốc tẩy quần áo tại nhà dạng bột, chiếm khoảng 50% lượng sản phẩm làm ra. Ứng dụng này đang giảm đi vì người tiêu dùng nội địa đang chuyển hướng nhanh chóng sang loại chất tẩy dạng lỏng hay dạng rắn không chứa natri sunfat.
Một ứng dụng khác trước đây của natri sunfat, đặc biệt ở Mỹ và Canada, lad trong quá trình Kraft để sản xuất bột giấy. Các chất hữu cơ có mặt trong "nước đen" thải ra từ quá trình này được đốt để tạo nhiệt, cần chuyển hóa natri sunfat thành natri sunfit. Tuy vậy, quá trình này đang được thay thế bằng các phương pháp mới hơn; việc sử dụng natri sunfat trong công nghiệp sản xuất bột giấy tại Mỹ và Canada giảm xuống từ 1.4 triệu tấn/năm năm 1970 còn chỉ vào khoảng 150,000 tấn năm 2006.
Công nghiệp sản xuất thủy tinh cung cấp một ứng dụng đáng kể khác của natri sunfat, là ứng dụng nhiều thứ hai ở châu Âu. Natri sunfat được dùng làm chất làm sạch giúp loại bỏ các bọt khí nhỏ ra khỏi thủy tinh nóng chảy, và ngăn ngừa quá trình tạo bọt của thủy tinh nóng chảy trong khi tinh chế. Công nghiệp sản xuất thủy tinh ở châu Âu tiêu thụ khoảng 110,000 tấn mỗi năm trong giai đoạn 1970-2006.
Natri sunfat có vai trò quan trọng trong sản xuất vải, nhất là ở Nhật Bản, nơi nó được ứng dụng nhiều nhất. Natri sunfat giúp làm bằng phẳng, loại bỏ các điện tích âm trên sợi vải để thuốc nhuộm có thể thấm sâu hơn. Khác với natri clorua, nó không ăn mòn các bình nhuộm bằng thép không gỉ. Ứng dụng này ở Mỹ và Nhật Bản tiêu thụ khoảng 100,000 tấn năm 2006.

Trữ nhiệt

Dung lượng trữ nhiệt cao khi chuyển pha từ rắn sang lỏng, và nhiệt độ chuyển pha thuận lợi 32 °C (90 °F) làm cho vật liệu này đặc biệt phù hợp cho việc tích trữ nhiệt mặt trời mức thấp để sau đó giải phóng ra trong ứng dụng nhiệt trong không gian. Trong một vài ứng dụng vật liệu này còn được sáp lại thành các tấm ngói nhiệt đặt trong vùng gác thượng trong khi một số khác thì sáp lại thành các tấm pin bao quanh bởi nước đun nóng bằng mặt trời. Sự chuyển pha cho phép giảm khối lượng vật liệu thực tế để trữ nhiệt có hiệu quả (nhiệt nóng chảy của natri sunfat đecahiđrat là 25.53 kJ/mol hay 252 kJ/kg), với sự thuận lợi hơn nữa từ tính đồng bộ của nhiệt độ miễn là có đầy đủ vật liệu trong pha thích hợp.
Với ứng dụng làm mát, một hỗn hợp tạo với muối ăn natri clorua thông thường cũng làm giảm nhiệt độ nóng chảy xuống 18 °C (64 °F). Nhiệt nóng chảy của NaCl.Na₂SO₄·10H₂O, tăng nhẹ lên thành 286 kJ/kg.

Ứng dụng quy mô nhỏ

Trong phòng thí nghiệm, natri sunfat khan được sử dụng rộng rãi như một chất làm khô trơ, loại bỏ dấu vết của nước ra khỏi các chất lỏng hữu cơ. Nó hiệu quả hơn nhưng hoạt động chậm hơn so với tác nhân tương tự magie sunfat. Nó chỉ có tác dụng ở nhiệt độ dưới 30 °C, nhưng nó có thể dùng với nhiều loại chất liệu vì tính trơ hóa học của nó. Natri sunfat được thêm vào dung dịch cho đến khi các tinh thể không còn vón cục nữa; hai video clip (xem trên) giải thích rõ cách các tinh thể vón cục khi bị ẩm, nhưng một vài tinh thể trôi tự do một khi mẫu chất được làm khô hoàn toàn.
Muối Glauber, đecahiđrat, đã từng được dùng làm thuốc nhuận tràng. Nó có hiệu quả trong việc loại bỏ các loại thuốc ví dụ như acetaminophen ra khỏi cơ thể, sau khi dùng quá liều.
Năm 1953, natri sunfat được đề xuất để trữ nhiệt trong các hệ thống nhiệt mặt trời thụ động. Điều này dựa vào ưu điểm của đặc tính tan bất thường của nó, và nhiệt kết tinh cao(78.2 kJ/mol).
Các ứng dụng khác bao gồm phá băng cửa kính, trong chất làm thơm thảm, sản xuất bột hồ, và chất phụ gia trong thức ăn gia súc.
Gần đây, natri sunfat được tìm thấy có hiệu quả trong việc hòa tan vàng được mạ trong các sản phẩm máy tính có chứa phần cứng mạ vàng như pin, và các đầu nối và bộ chuyển mạch khác. Nó an toàn hơn, rẻ hơn so với các thuốc thử dùng trong tái tạo vàng, với rất ít lo lắng về phản ứng phụ hay ảnh hưởng sức khỏe.
Ít nhất có một công ty, ThermalTake, làm tấm tản nhiệt cho laptop (iXoft Notebook Cooler) sử dụng natri sunfat đecahiđrat nằm bên trong tấm nhựa. Vật liệu chuyển từ từ sang thể lỏng và xoay vòng, giúp cân bằng nhiệt độ laptop và hoạt động như vật cô lập.

An toàn

Mặc dù natri sunfat nói chung được xem là không độc, nên sử dụng nó với sự cẩn trọng. Bụi có thể gây ra hen suyễn tam thời hay kích ứng mắt; nguy cơ này có thể ngăn ngừa khi dùng bảo hộ mắt và mặt nạ giấy. Vận chuyển không hạn chế, và không có nhóm từ nguy hại hay nhóm từ an toàn nào được dùng.