碳酸鈉

碳酸鈉（sodium carbonate），俗稱純鹼、蘇打，化學式Na2CO3。是一種無機化合物及水合物。所有形式的碳酸鈉都是白色、無味、可溶於水的鹽類，並在水中生成鹼性溶液。歷史上，碳酸鈉是從生長在富含鈉的土壤中的植物灰燼中提取的。由於這些富含鈉的植物灰燼與木材灰燼（木灰曾用於生產鉀鹽）有明顯的不同，碳酸鈉因此被稱之為「純鹼」。碳酸鈉通過氨鹼法從氯化鈉和石灰石中大量生產，也可以通過對氫氧化鈉進行碳酸化來生產。不過與碳酸鈉不同的是，氫氧化鈉是通過氯鹼法製得的。

## 製取方法

把氫氧化鈉通入二氧化碳來製取碳酸鈉：

2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O

### 侯氏制鹼法

反應分三個步驟進行：

- NH3 + CO2 + H2O → NH4HCO3
- NH4HCO3 + NaCl → NaHCO3 + NH4Cl
- 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O

反應過程中，由於碳酸氫鈉的溶解度明顯低於碳酸氫銨和氯化鈉，所以可從水中結晶而出。反應生成的二氧化碳（CO2）可以回收再用，而氯化銨（NH4Cl）又可以與生石灰反應，產生NH3，重新作為原料使用：

2NH4Cl + CaO → 2NH3 + CaCl2 + H2O

氨鹼法使生產實現了連續性生產，食鹽的利用率得到提高，產品質量純淨，因而被稱為「純鹼」，但最大的優點還在於成本低廉。

### 索爾維制鹼法

侯氏（聯合制鹼法）與索氏兩法的區別是對於碳酸氫銨的處理。索氏是加入生石灰發使氨逸出，而侯氏是加入食鹽使氯化銨結晶而出。

## 歷史

在聯合制鹼法發明以前，氨鹼法（亦稱為索爾維製鹼法）應用最為廣泛。是比利時人歐內斯特·索爾維（Ernest Solvay）於1862年發明的。

1867年索爾維公司製造的產品在巴黎世界博覽會上獲得銅製獎章，此法被正式命名為索爾維法。此時，純鹼的價格大大下降。消息傳到英國，正在從事路布蘭法制鹼的英國哈琴森公司取得了兩年獨占索爾維法的權利。1873年哈琴森公司改組為卜內門公司（Brunner Mond，即帝國化學工業（ICI）的前身），建立了大規模生產純鹼的工廠，後來，法、德、美等國相繼建廠。這些國家發起組織索爾維公會，設計圖紙只向會員國公開，對外絕對保守秘密。凡有改良或新發現，會員國之間彼此通氣，並相約不申請專利，以防洩露。除了技術之外，營業也有限制，他們採取分區售貨的辦法，例如中國市場由英國卜內門公司獨占。由於如此嚴密的組織方式，凡是不得索爾維公會特許權者，根本無從問津氨鹼法生產詳情。直至20世紀初，許多國家要想探索索爾維法奧秘的廠商，無不以失敗而告終。直至有關專利告終，此製作方法才大白於世。

## 結晶水合物

碳酸鈉的結晶水合物俗稱石鹼，其分子式為Na2CO3·10H2O，帶十個結晶水，另有帶七個結晶水與一個結晶水的Na2CO3·7H2O與Na2CO3·H2O，在乾燥的空氣中易風化。

## 水溶液

其水溶液顯弱鹼性(pH值範圍大約9至11)，所以被稱為純鹼。有滑膩感，可以用於洗滌油污。

- 在不斷通入二氧化碳氣體的情況下，碳酸鈉會與二氧化碳、水共同反應生成碳酸氫鈉：

Na2CO3 + CO2 + H2O → 2NaHCO3

同時會發生副反應：

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

二氧化碳（CO2）溶於水後，一部分二氧化碳會與水化合，形成碳酸。該反應是一個可逆反應。

該反應在常溫下的平衡常數是Kh=1.70×10−3；因此大部分二氧化碳都不會參與反應。假若沒有催化劑存在，反應速率十分緩慢，其反應速率常數僅為0.039 s−1（正反應）以及23 s−1（逆反應）。

- 碳酸鈉遇酸會發生劇烈反應，同時生成二氧化碳和水：

Na2CO3 + 2H+ → 2 Na+ + CO2 + H2O

該性質被利用於製造氣體滅火器。

- 碳酸鈉與氫氧化鈣反應生成氫氧化鈉和碳酸鈣，工業上用來制氫氧化鈉：

Na2CO3 + Ca(OH)2 → 2 NaOH + CaCO3

- 在水溶液中，碳酸鈉會完全解離為碳酸根與鈉離子，碳酸根會發生水解：

CO32- + H2O → HCO3- + OH−

## 應用

碳酸鈉的主要工業應用領域為平板玻璃、日用玻璃、合成洗衣粉、中和酸性廢料、氧化鋁等行業。

在生產生活中，碳酸鈉用於製作麵點，製取氫氧化鈉等，或作為多種洗滌劑的配方。水的淨化用它來做軟化劑。

碳酸鈉在極高的溫度（1000℃以上）會少量分解，但是在沒有外加助劑的情況下，即使到1270℃，在數小時內仍然只是少部份分解（<2％）。

用於製備碳酸氫鈉：19世紀以前，氫氧化鈉的製備通常會先以勒布朗法〈Leblanc process〉生成前驅物碳酸鈉，再通過高溫煅燒，使得碳酸鈉分化為氧化鈉與二氧化碳，最終，將氧化鈉溶於水中，便可製得氫氧化鈉：

Na2CO3 → Na2O + CO2

Na 2O+H2O→2NaOH

## 外部連結

- American Natural Soda Ash Company
- International Chemical Safety Card 1135
- FMC Wyoming Corporation
- Use of sodium carbonate in dyeing
- Sodium carbonate manufacturing by synthetic processes
- Soda Ash light overview, manufacturing method and applications

## 基本資料

- 英文名：sodium carbonate
- ImageNameL1：Skeletal formula of sodium carbonate
- ImageNameR1：Space-filling model of sodium carbonate
- 域：Sample of sodium carbonate
- 其他名稱：蘇打、純鹼、洗滌鹼、石鹼、鹼粉、食用鹼、鹼麵
- CASNo：497-19-8
- CASNo_Comment：無水
- CASNo1：5968-11-6
- CASNo1_Comment：一水
- CASNo2：6132-02-1
- CASNo2_Comment：十水
- RTECS：VZ4050000
- PubChem：10340
- ChEMBL：186314
- ChemSpiderID：9916
- 公共醫學中心（PMC）：207-838-8
- UNII：45P3261C7T
- InChI：1/NaHCO3.2Na/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;2*+1/p-2
- InChIKey：CDBYLPFSWZWCQE-NUQVWONBAP
- ChEBI：29377
- 3D模型（JSmol）：Na+.Na+.O-C(O-)=O
- StdInChI：1S/CH2O3.2Na/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;2*+1/p-2
- StdInChIKey：CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L
- 化學式：Na2CO3
- MolarMass：105.99
- 外貌：白色固體
- 密度：2.5 g/cm³ (固)
- 水溶性：21.5 g/100 ml (20 °C)
- MeltingPt：851 °C（分解）
- pKb：3.67
- pKa1：6.35
- pKa2：10.33
- Coordination：三角雙錐
- 結構：三斜
- ExternalMSDS： Safety Data Sheet External MSDS
- NFPA-H：1
- SPhrases：S2-不要吸入微塵-接觸眼睛後立即用大量清水沖洗並求醫
- FlashPt：不可燃
- OtherAnions：碳酸氫鈉
- OtherCations：碳酸鋰、碳酸鉀