Natrium sulfat

Natrium sulfat adalah senyawa anorganik dengan rumus kimia  dengan beberapa hidratnya. Semua natrium sulfat berbentuk padatan putih yang sangat mudah larut dalam air. Produksi tahunannya mencapai 6 juta ton per tahun, dengan dekahidratnya sebagai produk komoditas utamanya. Penggunaan utamanya adalah sebagai pengisi dalam pabrikasi deterjen rumah tangga dan dalam proses Kraft pada pulping kertas untuk membuat sulfida dengan tingkat alkalinitas tinggi.

Bentuk
Natrium sulfat anhidrat, dikenal sebagai mineral langka thenardite, digunakan sebagai desikan dalam sintesis organik.
Natrium sulfat heptahidrat, bentuk yang sangat jarang.
Natrium sulfat dekahidrat, dikenal sebagai mineral mirabilite, banyak digunakan oleh industri kimia. Senyawa ini dikenal pula sebagai garam Glauber.

Sejarah
Bentuk dekahidrat dari natrium sulfat dikenal sebagai garam Glauber yang diambil dari nama kimiawan dan apoteker Belanda/Jerman Johann Rudolf Glauber (1604-1670), yang mengungkapkan keberadaannya dalam mata air Austria pada tahun 1625. Ia memberi nama senyawa tersebut sebagai  (garam ajaib), karena karakter medisnya: kristalnya digunakan sebagai laksatif multi-guna, sampai ditemukan alternatif yang lebih canggih pada tahun 1900an.

Pada abad ke-18, garam Glauber mulai digunakan sebagai bahan baku untuk produksi soda abu (natrium karbonat) industrial, dengan mereaksikannya dengan potas (kalium karbonat). Kebutuhan soda abu meningkat, dan pasokan natrium sulfat harus ditingkatkan secara linier. Oleh karena itu, pada abad ke-19, proses Leblanc berskala besar, yang menghasilkan natrium sulfat sintetis sebagai zat antara kunci, menjadi metode utama produksi soda abu.

Sifat kimia
Natrium sulfat merupakan tipikal sulfat berikatan ionik elektrostatis. Kehadiran ion sulfat bebas dalam larutan ditunjukkan dengan mudahnya pembentukan sulfat tak larut ketika larutan ini diberi perlakuan dengan garam  atau :
   +     →   2   +  

Natrium sulfat tidak bersifat reaktif terhadap sebagian besar oksidator maupun reduktor. Pada suhu tinggi, natrium sulfat dapat diubah menjadi natrium sulfida melalui reduksi karbotermal (atau reduksi sulfat termokimia, pemanasan suhu tinggi dengan arang, dll.):
   +  2 C →   +  2 
Reaksi ini digunakan dalam proses Leblanc, proses pembuatan natrium karbonat yang sudah tidak digunakan.

Natrium sulfat bereaksi dengan asam sulfat menghasilkan garam asam natrium bisulfat:
   +   ⇌ 2 

Natrium sulfat menunjukkan kecenderungan membentuk garam rangkap. Satu-satunya alum yang terbentuk dengan logam trivalen umum adalah  (tidak stabil di atas 39 °C) dan , berlawanan dengan kalium sulfat dan amonium sulfat yang membentuk alum stabil. Diketahui garam rangkap dengan beberapa sulfat logam alkali lainnya, termasuk  yang terbentuk secara alami sebagai mineral aphthitalite. Pembentukan glaserite melalui reaksi natrium sulfat dengan kalium klorida telah digunakan sebagai dasar metode pembuatan kalium sulfat, suatu pupuk tanaman. Garam rangkap lainnya antara lain ,  (vanthoffite) dan .

Sifat fisik
Natrium sulfat memiliki karakteristik kelarutan dalam air yang tidak biasa. Kelarutannya dalam air meningkat hingga lebih dari sepuluh kali lipat antara 0 °C dan 32,384 °C, dan mencapai maksimum pada 49,7 g/100 mL. Pada titik ini kurva kelarutan berbalik, dan kelarutannya menjadi hampir tidak tergantung pada suhu. Temperatur 32,384 °C, sesuai pelepasan air kristal dan peleburan garam terhidrasinya, berlaku sebagai referensi suhu akurat untuk kalibrasi termometer.

Struktur

Kristal dekahidratnya terdiri dari ion  dengan geometri molekul oktahedral. Oktahedra ini berbagi sisi sedemikian rupa sehingga 8 dari 10 molekul air terikat pada natrium dan 2 lainnya bersifat interstisial, membentuk ikatan hidrogen dengan sulfat. Kation-kation ini berikatan dengan anion sulfat melalui ikatan hidrogen. Jarak Na–O sekitar 240 pm. Entropi residual (entropi pada nol mutlak) terukur kristal natrium sulfat dekahidrat juga tidak seperti umumnya garam terhidrasi lainnya, yaitu sebesar 6,32 J/(K·mol). Hal ini dianggap berasal dari kemampuannya mendistribusikan air jauh lebih cepat dari pada kebanyakan hidrat.

Produksi
Produksi tahunan natrium sulfat dunia, hampir seluruhnya dalam bentuk dekahidrat, berjumlah sekitar 5,5 hingga 6 juta ton/tahun (Mt/a). Pada tahun 1985, produksinya adalah 4,5 Mt/a, setengah dari sumber daya alami, dan setengah dari produksi bahan kimia. Setelah tahun 2000, pada tingkat yang stabil hingga tahun 2006, produksi alami meningkat menjadi 4 Mt/a, dan produksi bahan kimia menurun menjadi 1,5 hingga 2 Mt/a, dengan total 5,5 hingga 6 Mt/a. Baik natrium sulfat yang diproduksi secara alami dan yang diproduksi secara kimia praktis dapat saling menggantikan untuk semua aplikasi.

Sumber alami 
Dua pertiga dari produksi dekahidratnya (garam Glauber) dunia berasal dari bentuk mineral alami mirabilite, misalnya seperti yang ditemukan di dasar danau di selatan Saskatchewan. Pada tahun 1990, Meksiko dan Spanyol adalah produsen utama natrium sulfat alami dunia (masing-masing sekitar 500.000 ton), dengan Rusia, Amerika Serikat, dan Kanada masing-masing sekitar 350.000 ton. Sumber daya alaminya diperkirakan lebih dari 1 miliar ton.

Produsen utama dengan produksi 200.000 hingga 1.500.000 ton/tahun pada tahun 2006 termasuk Searles Valley Minerals (California, AS), Airborne Industrial Minerals (Saskatchewan, Kanada), Química del Rey (Coahuila, Meksiko), Minera de Santa Marta dan Criaderos Minerales Y Derivados, juga dikenal sebagai Grupo Crimidesa (Burgos, Spanyol), Minera de Santa Marta (Toledo, Spanyol), Sulquisa (Madrid, Spanyol), Chengdu Sanlian Tianquan Chemical (Kabupaten Tianquan, Sichuan, Cina), Grup Kimia Hongze Yinzhu (Distrik Hongze, Jiangsu, Tiongkok), Nafine Chemical Industry Group (Shanxi, Tiongkok), Provinsi Sichuan Chuanmei Mirabilite (万胜镇, Distrik Dongpo, Meishan, Sichuan, Tiongkok), dan Kuchuksulphat JSC (Altai Krai, Siberia, Rusia).

Natrium sulfat anhidrat terjadi di lingkungan kering sebagai mineral thenardite. Perlahan berubah menjadi mirabilite di udara lembab. Natrium sulfat juga ditemukan sebagai glauberit, mineral kalsium natrium sulfat. Kedua mineral tersebut kurang umum dibandingkan mirabilite.

Industri kimia
Sekitar sepertiga dari natrium sulfat dunia diproduksi sebagai produk sampingan dari proses lain dalam industri kimia. Sebagian besar produksi ini secara kimiawi melekat pada proses primer, dan nilai ekoniminya tipis. Oleh karena itu, dengan usaha industri, produksi natrium sulfat sebagai produk sampingan menurun.

Produksi natrium sulfat kimia yang paling penting adalah selama produksi asam klorida, baik dari natrium klorida (garam) dan asam sulfat, dalam proses Mannheim, atau dari belerang dioksida dalam proses Hargreaves. Natrium sulfat yang dihasilkan dari proses ini dikenal sebagai kue garam.

Mannheim: 2 NaCl +  → 2 HCl + 
Hargreaves: 4 NaCl + 2  +  + 2  → 4 HCl + 2 

Produksi utama natrium sulfat yang kedua adalah proses yang menetralkan kelebihan natrium hidroksida menggunakan asam sulfat, seperti yang diterapkan dalam skala besar pada produksi rayon. Metode ini juga diterapkan secara teratur pada preparasi laboratorium.
 2 NaOH(aq) + (aq) → (aq) + 2 (l) ΔH = -112,5 kJ (sangat ekstotermik)

Di laboratorium juga dapat disintesis dari reaksi antara natrium bikarbonat dan magnesium sulfat.
 2  +  →  +  + 2 

Namun, karena sumber komersial sudah tersedia, sintesis laboratorium praktis jarang dilakukan.
Sebelumnya, natrium sulfat juga merupakan produk sampingan dari pembuatan natrium dikromat. Prosesnya adalah asam sulfat ditambahkan ke dalam larutan natrium kromat membentuk natrium dikromat, atau selanjutnya asam kromat. Sebagai alternatif, natrium sulfat dibentuk pada produksi litium karbonat, zat pengkelat, resorsinol, asam askorbat, pigmen silika, asam nitrat, dan fenol.

Natrium sulfat curah biasanya dimurnikan melalui bentuk dekahidratnya, karena bentuk anhidratnya cenderung menarik senyawa besi dan senyawa organik. Bentuk anhidratnya mudah dihasilkan dari bentuk terhidrasi dengan pemanasan lambat.

Produsen utama produk sampingan natrium sulfat sebesar 50–80 Mt/a pada tahun 2006 termasuk Elementis Chromium (industri kromium, Castle Hayne, NC, AS), Lenzing AG (200 Mt/a, industri rayon, Lenzing, Austria), Addiseo (sebelumnya Rhodia, industri metionin, Les Roches-Roussillon, Prancis), Elementis (industri kromium, Stockton-on-Tees, Britania Raya), Shikoku Chemicals (Tokushima, Jepang) dan Visko-R (industri rayon, Rusia).

Aplikasi

Industri komoditas
Harganya di AS yang hanya $30 per ton pada tahun 1970, hingga $90 per ton untuk kualitas kue garam, dan $130 untuk kualitas yang lebih baik, natrium sulfat adalah bahan yang sangat murah. Penggunaan terbesar adalah sebagai pengisi dalam bubuk deterjen rumah tangga, yang mengkonsumsi kira-kira 50% dari produksi dunia. Penggunaan ini berkurang karena konsumen domestik semakin beralih ke deterjen padat atau cair yang tidak mengandung natrium sulfat.

Penggunaan utama lainnya natrium sulfat yang pernah tercatat, terutama di AS dan Kanada, adalah dalam proses Kraft pada pabrikasi bubur kertas. Bahan organik yang terkandung dalam "lindi hitam" dari proses ini dibakar untuk menghasilkan panas, yang diperlukan untuk mendorong reduksi natrium sulfat menjadi natrium sulfida. Namun, adanya kemajuan dalam bidang efisiensi termal pada proses pemulihan Kraft pada awal tahun 1960an, pemulihan belerang yang lebih efisien telah dicapai, dan kebutuhan natrium sulfat menjadi menurun drastis. Dengan demikian, penggunaan natrium sulfat pada industri pulp di AS dan Kanada menurun dari 1.400.000 ton per tahun pada tahun 1970 menjadi hanya sekitar 150.000 ton pada tahun 2006.

Industri kaca merupakan aplikasi signifikan lainnya kepada natrium sulfat, sebagai aplikasi terbesar kedua di Eropa. Natrium sulfat digunakan sebagai pemurnian kaca (), untuk membantu menghilangkan gelembung-gelembung udara dari lelehan kaca. Ini mengalirkan kaca, dan mencegah pembentukan buih dari lelehan kaca selama pemurnian. Industri kaca di Eropa telah mengonsumsi 110.000 ton/tahun natrium sulfat sejak 1970 hingga 2006.

Natrium sulfat merupakan zat penting dalam pabrikasi tekstil, terutama di Jepang, karena tekstil merupakan aplikasi terbesar di sana. Natrium sulfat ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan ion larutan sehingga membantu dalam "penyamarataan (levelling)", mengurangi muatan listrik negatif pada serat tekstil sehingga zat warna dapat melakukan penetrasi secara merata (lihat teori difusi lapisan ganda (DLG) yang dielaborasi oleh Gouy dan Chapman). Tidak seperti natrium klorida, natrium sulfat tidak mengorosi wadah baja nirkarat yang digunakan dalam proses pewarnaan. Aplikasi ini di Jepang dan AS mengonsumsi sekitar 100.000 ton pada tahun 2006.

Industri makanan
Natrium sulfat digunakan sebagai pengencer untuk pewarna makanan. Ia dikenal sebagai zat tambahan makanan dengan nomor E514.

Penyimpan termal
Kapasitas penyimpanan panas yang tinggi dalam suatu fase berubah dari padat ke cair, dan suhu perubahan fasa yang menguntungkan adalah 32 °C (90 °F) menjadikan bahan ini sangat sesuai untuk menyimpan panas surya tingkat rendah untuk kemudian dilepaskan dalam aplikasi pemanas ruangan. Dalam beberapa aplikasi, bahan tersebut dimasukkan ke dalam ubin termal yang ditempatkan di ruang loteng, sementara pada aplikasi lain garam dimasukkan ke dalam sel yang dikelilingi oleh air yang dipanaskan dengan tenaga surya. Perubahan fasa memungkinkan pengurangan substansial kebutuhan massa bahan untuk penyimpanan panas yang efektif (panas fusi natrium sulfat dekahidrat adalah 82 kJ/mol atau 252 kJ/kg). Keuntungan lebih selanjutnya adalah konsistensi suhu selama bahan dalam fase yang sesuai tersedia dalam jumlah yang mencukupi.

Untuk aplikasi pendinginan, campuran dengan garam umum natrium klorida (NaCl) menurunkan titik leleh hingga 18 °C (64 °F). Kalor peleburan , sebenarnya meningkat sedikit menjadi 286 kJ/kg.

Aplikasi berskala kecil
Di laboratorium, natrium sulfat anhidrat banyak digunakan sebagai suatu zat pengering inert, untuk menghilangkan runutan air dari larutan organik. Ia lebih efisien, tetapi bekerja lebih lambat, dari pada zat yang serupa yaitu magnesium sulfat. Ia hanya efektif di bawah suhu 30 °C, tetapi dapat digunakan dengan beragam bahan karena sifat kimianya yang cukup inert. Natrium sulfat ditambahkan ke dalam larutan hingga kristal tidak lagi menggumpal. Dua video klip (lihat di atas) menunjukkan bagaimana gumpalan kristal ketika masih basah, tetai beberapa kristal mengalir bebas ketika sampel menjadi kering.

Garam Glauber, bentuk dekahidratnya, digunakan sebagai laksatif. Ia efektif untuk menghilangkan obat-obat tertentu seperti parasetamol (asetaminofen) dari tubuh, misalnya, dalam kasus overdosis.

Pada tahun 1953, natrium sulfat diusulkan sebagai penyimpan panas dalam sistem pemanas surya pasif. Hal ini mengambil keuntungan dari sifat kelarutannya yang tidak biasa, dan panas kristalisasinya yang tinggi (78.2 kJ/mol).

Penggunaan natrium sulfat lainnya termasuk jendela penghilang beku, pabrikasi amilum, sebagai aditif dalam penyegar karpet, dan sebagai aditif pakan ternak

Satu perusahaan, Thermaltake, membuat matras pendingin komputer laptop (iXoft Notebook Cooler) menggunakan natrium sulfat dekahidrat di dalam alas berlapis plastik. Bahan tersebut perlahan berubah mencadi cairan dan bersirkulasi, menyamakan suhu laptop dan bertindak sebagai suatu isolator.

Keselamatan
Meskipun natrium sulfat secara umum dianggap sebagai non-toksik, ia tetap harus ditangani dengan hati-hati. Debunya dapat menyebabkan asma sesaat atau iritasi mata; risiko ini dapat dicegah dengan menggunakan pelindung mata atau masker kertas. Transportasinya tidak terbatas, dan tidak berlaku frasa-R maupun frasa-S.

Referensi 

Sulfat
Senyawa natrium
Desikan
Bahan tambahan makanan