碳酸钠

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简介
在人工合成纯碱之前，古代就发现某些海藻晾晒后，烧成的灰烬中含有碱类，用热水浸取、滤清后可得褐色碱液用于洗涤。大量的天然碱来自矿物，以地下埋藏或碱水湖为主。以沉积层存在的天然碱矿品位最高，分布甚广。最早发明人工合成纯碱方法是18世纪末，法国路布兰用芒硝加石灰石和煤在高温下还原并进行碳酸化，得到以含Na2CO3为主的粗制品——黑灰，经过浸取、蒸发、精制、再结晶、烘干，获得纯度约为97%的重质纯碱。1861年，比利时欧内斯特·索尔维独自发明了纯碱并获得过专利。由于技术秘密保护一直未能大范围应用，20世纪20年代才从美国突破，尤其是中国著名的化工专家侯德榜于1932年出版了《纯碱制造》一书，将保密70年，索尔维法公布于世。侯德榜还于1939-1942创建了侯氏制碱法，并在四川建立了中试车间。1952年在大连化工厂设立了联合制碱车间。日本旭硝子公司推出的NA法，实质上是联碱和氨碱的折中法。可随意调节纯碱与氯化铵的比例。
物理性质
性状
碳酸钠常温下为白色无气味的粉末或颗粒。有吸水性，露置空气中逐渐吸收 1mol/L水分（约=15%）。其水合物有Na2CO3·H2O，Na2CO3·7H2O和Na2CO3·10H2O。
溶解性
碳酸钠易溶于水和甘油。20℃时每一百克水能溶解20克碳酸钠，35.4℃时溶解度最大，100克水中可溶解49.7克碳酸钠，微溶于无水乙醇，难溶于丙醇。
化学性质
碳酸钠的水溶液呈碱性且有一定的腐蚀性，能与酸发生复分解反应，也能与一些钙盐、钡盐发生复分解反应。溶液显碱性，可使酚酞变红。
稳定性
稳定性较强，但高温下也可分解，生成氧化钠和二氧化碳：
长期暴露在空气中能吸收空气中的水分及二氧化碳，生成碳酸氢钠，并结成硬块：
碳酸钠的结晶水合物石碱（Na2CO3·10H2O）在干燥的空气中易风化：
热力学函数
在（298.15K，100K）的热力学函数：
状态：固态
标准摩尔生成焓
：-1130.8 kJ·mol 
标准摩尔生成吉布斯自由能
：-1048.1 kJ·mol 
标准熵
：138.8 J·mol·K 
水解反应
由于碳酸钠在水溶液中水解，电离出的碳酸根离子与水中氢离子结合成碳酸氢根离子，导致溶液中氢离子减少，剩下电离的氢氧根离子，所以溶液pH显碱性。
由于碳酸根可以结合水中的质子（即氢离子）生成碳酸氢根和碳酸，并且能结合酸中的质子释放二氧化碳。所以碳酸钠在酸碱质子理论中属于布朗斯特碱。
与酸反应
以盐酸为例。当盐酸足量时，生成氯化钠和碳酸，不稳定的碳酸立刻分解成二氧化碳和水。这个反应可以用来制备二氧化碳： 
总的化学方程式是：
当盐酸少量时发生如下反应：
碳酸钠与其他种类的酸也能发生类似的反应。
与碱反应
碳酸钠能和氢氧化钙、氢氧化钡等碱发生复分解反应，生成沉淀和氢氧化钠。工业上常用这种反应制备烧碱（俗称苛化法）： 
与盐反应
碳酸钠能和钙盐、钡盐等发生复分解反应，生成沉淀和新的钠盐：
由于碳酸钠在水中水解生成氢氧化钠和碳酸，它与某些盐的反应则会推动化学平衡向正方向移动，生成相应的碱和二氧化碳：
苏打四兄弟
苏打
苏打是Soda的音译，化学式为Na2CO3。它的名字颇多，学名叫碳酸钠，俗名称纯碱。带有结晶水的叫水合碳酸钠，有一水碳酸钠（Na2CO3·H2O）、七水碳酸钠（Na2CO3·7H2O）和十水碳酸钠（Na2CO3·10H2O）三种。
在三种苏打中，碳酸钠的用途最广。它是一种十分重要的化工产品，是玻璃、肥皂、纺织、造纸、制革等工业的重要原料。冶金工业以及净化水也都用到它。它还可用于其他钠化合物的制造。早在十八世纪，它就和硫酸、盐酸、硝酸、烧碱并列为基础化工原料——三酸两碱之一。在日常生活中，苏打也有很多用途，比如它可以直接作为洗涤剂使用，在蒸馒头时加一些苏打，可以中和发酵过程中产生的酸性物质。
小苏打
小苏打的化学式是NaHCO3。它的名字也有很多，学名碳酸氢钠，又称重碳酸钠或酸式碳酸钠。俗名除小苏打外，还有焙烧苏打、发酵苏打和重碱等。
小苏打是白色晶体，溶于水，水溶液呈弱碱性。
在热空气中，它能缓慢分解，放出一部分二氧化碳；加热至270℃时全部分解放出二氧化碳：
它也能与酸（如盐酸）作用放出二氧化碳：
小苏打的这些性质，使它在生产和生活中有许多重要的用途。在灭火器里，它是产生二氧化碳的原料之一；在食品工业上，它是发酵粉的一种主要原料；在制造清凉饮料时，它也是常用的一种原料；在医疗上，它是治疗胃酸过多的一种药剂。
大苏打
大苏打是硫代硫酸钠的俗名，又叫海波（Hypo的音译）。水合物带有五个结晶水（Na2S2O3·5H2O），故也叫做五水硫代硫酸钠。
大苏打是无色透明的晶体，易溶于水，水溶液显弱碱性。它在33℃以上的干燥空气中风化而失去结晶水。
在中性、碱性溶液中较稳定，在酸性溶液中会迅速分解：
大苏打具有很强的络合能力，能跟溴化银形成络合物：
根据这一性质，它可以作定影剂。洗相时，过量的大苏打跟底片上未感光部分的溴化银反应，转化为可溶的
，把AgBr除掉，使显影部分固定下来。
大苏打还具有较强的还原性，能将氯气等物质还原:
所以，它可以作为绵织物漂白后的脱氯剂。类似的道理，织物上的碘渍也可用它除去。另外，大苏打还用于鞣制皮革、电镀以及由矿石中提取银等。
臭苏打
以上三种是较常见常用的三种“苏打”。除此之外有时”臭苏打“会提及进来。
臭苏打是硫化钠的俗名，化学式为Na2S，又称臭碱、黄碱、硫化碱，具有臭味。溶解于冷水，极易溶于热水，微溶于醇。
硫化钠为无机化合物，纯硫化钠为无色结晶粉末。吸潮性强，易溶于水。水溶液呈强碱性反应。触及皮肤和毛发时会造成灼伤。故硫化钠俗称硫化碱。
硫化钠受撞击或者急剧加热可能发生爆炸，化学性质不稳定，遇酸会放出有毒的硫化氢气体：
硫化钠能用于染料工业中生产硫化染料，是硫化青和硫化蓝的原料。印染工业用作溶解硫化染料的助染剂。制革工业中用于水解使生皮脱毛，造纸工业用作纸张的蒸煮剂。还可用于纺织工业中棉织物染色的媒染剂、制药工业用于生产解热药。硫化钠还可用于直接电镀中导电层的处理，通过硫化钠与钯反应生成胶体硫化钯来达到在非金属表面形成良好导电层的目的。
生产方法
实验室方法
实验室制取碳酸钠：
。
吕布兰法
最早在1791年，古人就开始用食盐、硫酸、煤、石灰石为原料生产碳酸钠，是为吕布兰法。
此法原料利用不充分、劳动条件恶劣、产品质量不佳，逐渐为索尔维法代替。
索氏制碱法
1859年，比利时人索尔维，用食盐、氨水、二氧化碳为原料，于室温下从溶液中析出碳酸氢钠，将它加热，即分解为碳酸钠，人们将此方法称为索氏制碱法，此法一直沿用至今：
氨气与水和二氧化碳反应生成一分子的碳酸氢铵，这是第一步：
第二步是：碳酸氢铵与氯化钠反应生成的碳酸氢钠沉淀和氯化铵，碳酸氢钠之所以沉淀是因为它的溶解度较小。经过滤得到碳酸氢钠固体：
这两步总的化学方程式是：
第三步：加热分解碳酸氢钠，生成水、二氧化碳和碳酸钠即我们要的纯碱：
第四步：将第二步中副产的氯化铵和熟石灰混合加热，得到的氨气可循环利用：
侯氏制碱法
1943年中国人侯德榜留学海外归来，他结合中国内地缺盐的国情 ，对索尔维法进行改进，将纯碱和合成氨两大工业联合，同时生产碳酸钠和化肥氯化铵，大大地提高了食盐利用率，是为侯氏制碱法：
第一步，氨气与水和二氧化碳反应生成一分子的碳酸氢铵，第二步碳酸氢铵与氯化钠反应生成的碳酸氢钠沉淀和氯化铵，碳酸氢钠之所以沉淀是因为它的溶解度较小。经过滤得到碳酸氢钠固体。（这两步和上面的索氏制碱法相同）。
第三步，合成的碳酸氢钠部分可以直接出厂销售，其余的碳酸氢钠会被加热分解，生成碳酸钠，生成的二氧化碳可以重新回到第一步循环利用。
根据NH4Cl溶解度比NaCl大，而在低温下却比NaCl溶解度小的原理，在 278K～283K（5 ℃～10 ℃） 时，向母液中加入食盐细粉，而使NH4Cl单独结晶析出供做氮肥。
索氏制碱法和侯氏制碱法所不同的，是索氏法在整个制取过程中NH3是循环使用的，而侯氏法在整个制取过程中，CO2被循环利用，NH4Cl直接作为纯碱的副产品——肥料。所以，索氏法的产品是碳酸钠，副产品氯化钙；而侯氏法的产品是碳酸钠，副产品氯化铵。
此法优点：保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到96%；NH4Cl可做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO 转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序。
技术指标
指标项目
指 标
1类
2类
3类
总碱量（%）
99
98
96
氯化物（%）
0.5
0.9
1.2
水不溶物（%）
0.04
0.1
0.15
铁（%）
0.004
0.006
0.010
硫酸盐（%）
0.03
0.08
-
烧失量(%)
0.8
1.0
1.3
用途
碳酸钠是重要的化工原料之一，广泛应用于轻工日化、建材、化学工业、食品工业、冶金、纺织、石油、国防、医药等领域， 用作制造其他化学品的原料、清洗剂、洗涤剂，也用于照相术和分析领域。其次是冶金、纺织、石油、国防、医药及其它工业。玻璃工业是纯碱的最大消费部门，每吨玻璃消耗纯碱0.2吨。在工业用纯碱中，主要是轻工、建材、化学工业，约占2/3，其次是冶金、纺织、石油、国防、医药及其他工业。
1、玻璃工业是纯碱的最大消费来源，每吨玻璃消耗纯碱0.2t。主要用于浮法玻璃、显像管玻壳、光学玻璃等。
2、用于化工、冶金等。使用重质纯碱可以减少碱尘飞扬、降低原料消耗、改善劳动条件，还可提高产品质量，同时减轻碱粉对耐火材料的侵蚀作用，延长窑炉的使用寿命。
3、作缓冲剂、中和剂和面团改良剂，可用于糕点和面制食品，按生产需要适量使用。
4、作为洗涤剂用于羊毛漂洗，浴盐和医药用，鞣革中的碱剂。
5、用于食品工业，作中和剂、膨松剂，如制造氨基酸、酱油和面制食品如馒头、面包等。还可配成碱水加入面食中，增加弹性和延展性。碳酸钠还可以用于生产味精
6、彩电专用试剂
7、用于制药工业，作解酸药、渗透性轻泻剂。
8、用于化学及电化学除油、化学镀铜、铝的浸蚀、铝及合金的电解抛光、铝的化学氧化、磷化后的封闭、工序间的防锈、电解退除铬镀层和退除铬的氧化膜等，亦用于预镀铜、镀钢、镀钢铁合金电解液中
9、冶金工业用作冶炼助熔剂、选矿用浮选剂，炼钢和炼锑用作脱硫剂。
10、印染工业用作软水剂。
11、制革工业用于原料皮的脱脂、中和铬鞣革和提高铬鞣液碱度。
12、定量分析中标定酸液的基准。测定铝、硫、铜、铅和锌。检验尿液和全血葡萄糖。分析水泥中二氧化硅的助溶剂。金属金相分析等

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