Гідроксид натрію

Матеріал з testwiki
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Шаблон:Речовина Гідрокси́д на́трію, натрій гідроксид, каустична сода або просто каустик — неорганічна сполука, гідроксид складу NaOH. Являє собою білі, непрозорі та дуже гігроскопічні кристали. Речовина добре розчинна у воді — при з'єднанні з водою виділяється велика кількість тепла. Проявляє сильні лужні властивості. Значення pH 1%-го водного розчину становить 13. Гідроксид натрію є їдкою сполукою, при потраплянні на шкіру викликає омилення жирів та хімічні опіки, спричиняє корозію окремих металів. Речовина застосовується у виробництві численних продуктів, зокрема, поверхнево-активних речовин, паперу, косметики, лікарських засобів.

Фізичні властивості

Гідроксид натрію NaOH — біла тверда речовина. Залишений на повітрі їдкий натрій незабаром розпливається, оскільки притягує вологу з повітря. Речовина добре розчиняється у воді, при цьому виділяється велика кількість теплоти.

Розчинність NaOH у воді
Температура, °C 0 10 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100
Розчинність, %[1] 30 39 46 50 53 58 63 71 74 76 76 79

Розчинність в метанолі складає 23,6 г/л (при 28 °C), в етанолі  — 14,7 г/л (28 °C).

Розчин їдкого натру милкий на дотик.

Термодинаміка розчинів

Ентальпія розчинення для нескінченно розведеного водного розчину складає −44,45 кДж/моль.

З водних розчинів кристалізуються гідрати:

  • при 12,3–61,8 °C — моногідрат NaOH·H2O (сингонія ромбічна, температура плавлення 65,1 °C; густина 1,829 г/см³;ΔH0утв −425,6 кДж/моль);
  • в інтервалі -28…-24 °C — гептагідрат NaOH·7H2O;
  • від -24 до -17,7 °C — пентагідрат NaOH·5H2O;
  • від -17,7 до -5,4 °C — тетрагідрат NaOH·4H2O (α-модифікація);
  • від -8,8 до 15,6 °C — NaOH·3,5Н2О (температура плавлення 15,5 °C).
  • від 0 °C до 12,3 °C — дигідрат NaOH·2H2O;

Отримання

Виробництво каустичної соди (92% NaOH; тис. тонн)Шаблон:Джерело?
Країна 1937 1950 1960 1962 1963 1964
Європа
Болгарія 0,01 0,1 19 20 22 31
Велика Британія 707 913
УгорщинаШаблон:Efn 3,9Шаблон:Efn 9 18 25 42 48
НДР 163 355 386 387 396
Іспанія 75 148 154 166 179
Італія 188 174 463 546 622 706
Нідерланди 80
Польща 30Шаблон:Efn 67 182 204 209 224
Румунія 13Шаблон:Efn 16 80 169 180 213
Чехословаччина 24 53 125 154 156 159
Франція 137 263 286 232 249 298
ФРН 365 844 979 1138 1220
Швеція 18 78 199 212
Югославія 15 20 52 57 75 80
СРСР 164 325 765 961 1049 1153
Азія
Індія 12 107 138 166 200
КНДР 9 25 32 43

Історично першим методом отримання гідроксиду натрію була взаємодія соди Na2CO3 та гашеного вапна Ca(OH)2 у водному розчині:

Na2CO3+Ca(OH)22NaOH+CaCO3

Проведенню реакції сприяє перемішування та висока температура, тому її здійснювали у сталевих реакторах із мішалками. Після отримання продуктів, від продуктів відділяли малорозчинний карбонат кальцію та випарювали залишковий розчин гідроксиду натрію при 180 °C у чавунних ємностях без доступу повітря. Таким чином можна було отримати розчин концентрацією до 95 %.

У 1892 році незалежно один від одного американський вчений Гамільтон Кастнер та австрієць Карл Кельнер відкрили спосіб отримання гідроксиду електролізом хлориду натрію, який широко розповсюджений у промисловості. Перебіг реакцій можна описати сумарним рівнянням:

2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2

Цей метод і донині є основним промисловим способом добування NaOH, однак деякі умови проведення синтезу зазнавали модифікацій. Зокрема, для запобігання перебігу реакцій між продуктами та вихідними речовинами різні етапи взаємодії проводять в окремих реакторах або ж розмежовуються. За цим критерієм розрізняють три основні методи: ртутний, діафрагменний та мембранний.

Ртутний процес

В оригінальному методі синтезу NaOH як катод використовується ртутний електрод. Потрапляючи на катод, іони натрію утворюють там рідкі амальгами змінного складу NaHgn:

Na++e+HgnNaHgn

Амальгами виділяються з реакційної системи і переводяться в іншу, де відбувається розкладання амальгами водою з утворенням гідроксиду натрію:

2NaHgn+2H2O2NaOH+H2+2Hgn

За цим методом утворюється розчин NaOH концентрацією 50–73 % та практично чистий від забруднюючих домішок (хлору, хлориду натрію). Утворена в результаті розкладання ртуть повертається в електрод.

На аноді (графітовому чи іншому) відбувається окиснення хлорид-іонів з утворенням вільного хлору:

2Cl2eCl2

Окрім цього, мають місце також побічні реакції: окиснення гідроксид-іона та електрохімічне утворення хлорат-іона. Гідролізом отриманого хлору можуть утворюватися і незначні кількості гіпохлорит-іонів.

Діафрагменний процес

У діафрагменному методі простір між катодом та анодом розмежований перегородкою, яка не пропускає розчини і гази, однак не перешкоджає проходженню електричного струму та міграції іонів. Зазвичай, як такі перегородки використовується азбестова тканина, пористі цементи, порцеляна тощо.

В анодний простір подається розчин NaCl: на аноді (графітовому або титановому з оксидними покритями або покриттям платиновими металами (магнетитові мають завеликий опір та перенапругу виділення хлору, тому в промисловості широко не використовуються) відновлюються хлорид-іони, а катіони Na+ (та, частково, аніони Cl-) мігрують крізь діафрагму до катодного простору. Там катіони не сполучаються із гідроксид-іонами, утвореними відновленням води на залізному або мідному катоді:

2H2O+2eH2+2OH
Na++OHNaOH

З катодного простору в результаті виділяється суміш гідроксиду та хлориду натрію із вмістом NaOH 10–15 % (та близько 18 % NaCl). Шляхом випаровування вдається збільшити концентрацію гідроксиду до 50 %, але вміст хлориду все одно залишається суттєвим. Для виділення хлориду з суміші, її обробляють рідким аміаком із утворенням легковідділюваного хлориду амонію (однак, цей спосіб є малопоширеним через високу вартість його проведення). Також застосовується метод, який полягає в охолодженні суміші та виділенні кристалів гідрату NaOH·3,5H2O, які надалі додатково дегідратують.

Хоча магнетитові не використовуються в промисловості їх, в модифікованому вигляді можна виготовити та використовувати в домашніх умовах при наявності листового титану та концентрованої сульфатної кислоти (для протравлення оксидного шару): частина титанового електроду яка в майбутньому має бути занурена в хлоридний розчин протравлюється в концентрованій сульфатній кислоті кілька хвилин і без змивання кислоти занурюється в розчин сульфату заліза або солі Мора як катод (анод логічно робити залізним - тоді склад електроліту залишатиметься малозмінним). Після гальванічного покриття титану залізом електрод відпалюється на повітрі для закріплення зв'язку титану із залізом та переведення заліза в магнетит. З непротравленого анода магнетитовий шар в процесі роботи швидко обсиплеться. Вугільні аноди досить швидко розсипаються.

Мембранний процес

Цей спосіб був розроблений у 1970-х роках компанією «DuPont» і вважається найбільш досконалим з існуючих. У мембранному процесі в реакторі встановлюється катіонообмінна мембрана, яка є проникною для іонів Na+, що рухаються у катодний простір, і пригнічує міграцію гідроксид-іонів, які мігрують у зворотному напрямку — таким чином у катодному просторі збільшується концентрація складових NaOH. Економічно вигідною для синтезу вважається концентрація 30–35 %, а новітні мембрани дозволяють збільшити це значення до 50 %.

За цим методом хлорид натрію теоретично не утворюється, але проникнення хлорид-іонів крізь мембрану усе ж може мати місце.

Катіонпровідні мембрани використовуються в літій-полімерних акумуляторах. Це співполімери з тетрафлуоретиленом, технологічно виготовлені з кількох несиметрично розміщених шарів шарів. Зовнішній вигляд — тефлонова плівка.

Отримання твердого NaOH

Твердий NaOH (каустична сода) отримують випарюванням його розчину до вмісту води менше за 0,5–1,5 %. Спочатку 50 %-ий розчин випарюють у вакуумі до концентрації 60%, а концентрацію 99 % досягають із застосуванням теплоносіїв (суміш NaNO2, NaNO3, KNO3) за температури понад 400 °C: розчин подається насосом у розігріту камеру для випаровування, де відокремлюється решта води.

Випарювання розчину NaOH проводять в залізних , нікелевих , кобальтових або срібних ємностях. Скло, порцеляна, платина в присутності кисню розплавом руйнуються .

Марки

Гідроксид натрію випускається у двох видах: твердому та рідкому. Тверда гранульована каустична сода являє собою білу тверду масу з розміром лусочок 0,5–2 см. Рідкий розчин каустичної соди — безбарвний. Комерційно важливими є розчини гідроксиду натрію із концентрацією у 50 %.

Технічний їдкий натр випускають таких марок:

  • ТР — твердий ртутний;
  • ТД — твердий діафрагмовий (плавлений);
  • РР — розчин ртутний;
  • РХ — розчин хімічний;
  • РД — розчин діафрагмовий.


Хімічні властивості

Гідроксид натрію активно поглинає вологу з повітря, утворюючи гідрати різного складу, які розкладаються при нагріванні:

NaOH+H2ONaOHH2O
NaOHH2O100400oCNaOH+H2O

У розчинах сполука добре дисоціює:

NaOHNa++OH

Проявляючи сильні лужні властивості, гідроксид натрію легко взаємодіє з кислотами, кислотними та амфотерними оксидами і гідроксидами:

NaOH+HClNaCl+H2O
2NaOH+H2SO4Na2SO4+2H2O
NaOH+CO2NaHCO3
2NaOH(conc.)+CO2Na2CO3+H2O
4NaOH(conc.)+SiO2τNa4SiO4+2H2O
2NaOH+Al2O39001000oC2NaAlO2+H2O
2NaOH(conc.)+Zn(OH)2Na2[Zn(OH)4]

NaOH легко взаємодіє із галогенами, а за високих температур — також і з металами:

6NaOH+4F2OF2+O2+6NaF+3H2O
2NaOH+Br2NaBrO+NaBr+H2O
6NaOH+3Br2tNaBrO3+5NaBr+3H2O
24NaOH(conc.)+7Cl2+I22Na5IO6+14NaCl+12H2O
2NaOH+2Na600oC2Na2O+H2
4NaOH+3Ca600oC2Na+Na2O+3CaO+2H2
2NaOH+2Al+2H2O400500oC2NaAlO2+3H2
2NaOH+Zn+2H2ONa2[Zn(OH)4]+H2

При взаємодії з солями, що є похідними слабких основ, утворюються відповідні гідроксиди:

NaOH+FeI2N2Fe(OH)2+2NaI
3NaOH+AlCl3Al(OH)3+3NaCl
2NaOH+2AgNO3Ag2O+2NaNO3+H2O

Реагуючи із монооксидом вуглецю, синтезується форміат натрію. Реакція проходить під тиском, за температури 120–200 °С у присутності каталізатора:

NaOH+COHCOONa

Вимоги безпеки

Опік шкіри, спричинений дією 10% розчину NaOH

Сода каустична пожежо- та вибухобезпечна. Їдка, корозійно активна речовина. За ступенем впливу на організм належить до речовин 2-го класу небезпеки. Як тверда речовина, так і концентровані її розчини викликають дуже сильні опіки. Попадання лугу в очі може призвести до їх важких захворювань і навіть до втрати зору. При попаданні на шкіру, слизові оболонки, очі утворюються сильні хімічні опіки. При потраплянні на шкіру — промити слабким розчином оцтової кислоти.

При роботі використовують захисні засоби: захисні окуляри, гумові рукавички, прорезинений хімічностійкий одяг.

Застосування

Гідроксид натрію застосовується в багатьох галузях промисловості та у побуті:

  • Каустик застосовується в целюлозно-паперовій промисловості для делігніфікації (сульфатний процес) целюлози, у виробництві паперу, картону, штучних волокон, деревно-волоконних плит.
  • Для омилення жирів при виробництві мила, шампуню та інших миючих засобів. Останнім часом продукти на основі гідроксиду натрію (з додаванням гідроксиду калію, нагріті до 50–60 градусів Цельсія, застосовуються в сфері промислової мийки для очищення виробів з нержавіючої сталі від жиру та інших масляних речовин, а також залишків механічної обробки.
  • В хімічних галузях промисловості — для нейтралізації кислот і кислотних оксидів, як реагент або каталізатор в хімічних реакціях, в хімічному аналізі для титрування, для травлення алюмінію та у виробництві чистих металів, в нафтопереробці — для виробництва масел.
  • Для виготовлення біодизельного палива — яке отримують з рослинних олій і використовують для заміни звичайного дизельного палива. Для отримання біодизелю до дев'яти масових одиниць рослинної олії додають одну масову одиницю спирту (тобто дотримується пропорція 9:1), а також лужний каталізатор (NaOH). Отриманий ефір (головним чином лінолевої кислоти) відрізняється чудовою займистістю, що забезпечується високим цетановим числом. Якщо для мінерального дизпалива характерний показник в 50–52 %, то метиловий ефір відповідно 56–58 % цетана. Сировиною для виробництва біодизеля можуть бути різні рослинні олії: ріпакова, соєва та інші, крім тих, у складі яких високий вміст пальмітинової кислоти (пальмова олія). При її виробництві в процесі етерифікації також утворюється гліцерин, що використовується в харчовій, косметичній та паперовій промисловості або переробляється в епіхлоргідрин за методом Сольве.
  • Як агент для розчинення засмічень каналізаційних труб, у вигляді сухих гранул або у складі гелів. Гідроксид натрію дезагрегує засмічення і сприяє легкому просуванню його далі по трубі.
  • В цивільній обороні для дегазації та нейтралізації отруйних речовин, у тому числі зарину, в ребрізерах (ізолюючих дихальних апаратах (ІДА), для очищення повітря, що видихається, від вуглекислого газу.
  • Гідроксид натрію також використовується для мийки прес-форм автопокришок.
  • В приготуванні їжі: для миття та очищення фруктів та овочів від шкірки, у виробництві шоколаду і какао, напоїв, морозива, фарбуванні карамелі, для розм'якшення маслин і надання їм чорного забарвлення, при виробництві хлібобулочних виробів. Зареєстровано як харчову добавку E524.
  • У косметології для видалення ороговілих ділянок шкіри: бородавок, папілом.

Див. також

Шаблон:Commonscat

Коментарі

Шаблон:Notelist

Примітки

Шаблон:Reflist

Джерела

Посилання

Шаблон:Сполуки натрію

  1. Значення розчинності у відсотках розраховується як відношення маси розчиненої речовини до маси усього розчину