Образование гидроксида натрия. Едкий натр: формула, свойства, применение
Физические свойства
Гидрат окиси натрия NaOH - белое твердое вещество. Если оставить кусок едкого натра на воздухе, то он вскоре расплывается, так как притягивает влагу из воздуха. Едкий натр хорошо растворяется в воде, при этом выделяется большое количество теплоты. Раствор едкого натра мылок на ощупь.
Термодинамика растворов
ΔH 0 растворения для бесконечно разбавленного водного раствора −44,45 кДж/моль.
Из водных растворов при 12,3-61,8 °C кристаллизуется моногидрат (сингония ромбическая), температура плавления 65,1 °C; плотность 1,829 г/см³; ΔH 0 обр −425,6 кДж/моль), в интервале от −28 до −24 °C - гептагидрат, от −24 до −17,7 °C - пентагидрат, от −17,7 до −5,4 °C - тетрагидрат (α-модификация), от −5,4 до 12,3 °C. Растворимость в метаноле 23,6 г/л (t = 28 °C), в этаноле 14,7 г/л (t = 28 °C). NaOH·3,5Н 2 О (температура плавления 15,5 °C);
Химические свойства
(1) H 2 S + 2NaOH = Na 2 S + 2H 2 O (при избытке NaOH)
(2) H 2 S + NaOH = NaHS + H 2 O (кислая соль, при отношении 1:1)
(в целом такую реакцию можно представить простым ионным уравнением, реакция протекает с выделением тепла (экзотермическая реакция): OH − + H 3 O + → 2H 2 O. )
- с амфотерными оксидами которые обладают как основными, так и кислотными свойствами, и способностью реагировать с щелочами, как с твёрдыми при сплавлении:
ZnO + 2NaOH → Na 2 ZnO 2 + H 2 O
так и с растворами:
ZnO + 2NaOH (раствор) + H 2 O → Na 2 (раствор)
(Образующийся анион называется тетрагидроксоцинкат-ионом, а соль, которую можно выделить из раствора - тетрагидроксоцинкатом натрия. В аналогичные реакции гидроксид натрия вступает и c другими амфотерными оксидами.)
Al(OH) 3 + 3NaOH = Na 3
2Na + + 2OH − + Cu 2+ + SO 4 2− → Cu(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4
Гидроксид натрия используется для осаждения гидроксидов металлов. К примеру, так получают гелеобразный гидроксид алюминия , действуя гидроксидом натрия на сульфат алюминия в водном растворе, при этом избегая избытка щёлочи и растворения осадка. Его и используют, в частности, для очистки воды от мелких взвесей.
4Р + 3NaOH + 3Н 2 О → РН 3 + 3NaH 2 РО 2 .
3S + 6NaOH → 2Na 2 S + Na 2 SO 3 + 3H 2 O
Гидролиз эфиров
В результате взаимодействия жиров с гидроксидом натрия получают твёрдые мыла (они используются для производства кускового мыла), а с гидроксидом калия либо твёрдые, либо жидкие мыла, в зависимости от состава жира.
HO-CH 2 -CH 2 ОН + 2NaOH → NaO-CH 2 -CH 2 -ONa + 2Н 2 O
Анод : 2Cl − - 2е − → Cl 2 - основной процесс 2H 2 O - 2e - → O 2 +4H + 6СlО - + 3Н 2 О - 6е - → 2СlО 3 - + 4Сl - + 1,5O 2 + 6Н + Катод : 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − - основной процесс СlО - + Н 2 О + 2е - → Сl - + 2ОН - СlО 3 - + 3Н 2 O + 6е - → Сl - + 6OН -В качестве анода в диафрагменных электролизерах может использоваться графитовый или угольный электроды. На сегодня их в основном заменили титановые аноды с окисно-рутениево-титановым покрытием (аноды ОРТА) или другие малорасходуемые.
На следующей стадии электролитический щёлок упаривают и доводят содержание в нём NaOH до товарной концентрации 42-50 % масс. в соответствии со стандартом.
Na + + е = Na 0 nNa + + nHg − = Na + HgАмальгама непрерывно перетекает из электролизёра в разлагатель амальгамы. В разлагатель также непрерывно подаётся высоко очищенная вода. В нём амальгама натрия в результате самопроизвольного химического процесса почти полностью разлагается водой с образованием ртути, раствора каустика и водорода:
Na + Hg + Н 2 O = NaOH + 1/2Н 2 + HgПолученный таким образом раствор каустика, являющийся товарным продуктом, практически не содержит примесей. Ртуть почти полностью освобождается от натрия и возвращается в электролизер. Водород отводится на очистку.
Однако, полная очистка раствора щелочи от остатков ртути практически не возможна, поэтому этот метод сопряжен с утечками металлической ртути и её паров.
Растущие требования к экологической безопасности производств и дороговизна металлической ртути ведут к постепенному вытеснению ртутного метода методами получения щелочи с твердым катодом, в особенности мембранным методом.
Лабораторные методы получения
В лаборатории гидроксид натрия иногда получают химическими способами, но чаще используется небольшой электролизер диафрагменного или мембранного типа.
Рынок каустической соды
Мировое производство натра едкого, 2005 год| Производитель | Объём производства, млн.тонн | Доля в мировом производстве |
|---|---|---|
| DOW | 6.363 | 11.1 |
| Occidental Chemical Company | 2.552 | 4.4 |
| Formosa Plastics | 2.016 | 3.5 |
| PPG | 1.684 | 2.9 |
| Bayer | 1.507 | 2.6 |
| Solvay | 1.252 | 2.2 |
| Akzo Nobel | 1.157 | 2.0 |
| Tosoh | 1.110 | 1.9 |
| Arkema | 1.049 | 1.8 |
| Olin | 0.970 | 1.7 |
| Россия | 1.290 | 2.24 |
| Китай | 9.138 | 15.88 |
| Другие | 27.559 | 47,87 |
| Всего: | 57,541 | 100 |
ТР - твёрдый ртутный (чешуированный);
ТД - твёрдый диафрагменный (плавленый);
РР - раствор ртутный;
РХ - раствор химический;
РД - раствор диафрагменный.
| Наименование показателя | ТР ОКП 21 3211 0400 | ТД ОКП 21 3212 0200 | РР ОКП 21 3211 0100 | РХ 1 сорт ОКП 21 3221 0530 | РХ 2 сорт ОКП 21 3221 0540 | РД Высший сорт ОКП 21 3212 0320 | РД Первый сорт ОКП 21 3212 0330 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Внешний вид | Чешуированная масса белого цвета. Допускается слабая окраска | Плавленая масса белого цвета. Допускается слабая окраска | Бесцветная прозрачная жидкость | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристаллизованный осадок | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристаллизованный осадок | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристаллизованный осадок | |
| Массовая доля гидроксида натрия, %, не менее | 98,5 | 94,0 | 42,0 | 45,5 | 43,0 | 46,0 | 44,0 |
| Наименование предприятия | 2005 г. тыс.тонн | 2006 г. тыс.тонн | доля в 2005 г.% | доля в 2006 г.% |
|---|---|---|---|---|
| ОАО «Каустик» , Стерлитамак | 239 | 249 | 20 | 20 |
| ОАО «Каустик» , Волгоград | 210 | 216 | 18 | 18 |
| ОАО «Саянскхимпласт» | 129 | 111 | 11 | 9 |
| ООО «Усольехимпром» | 84 | 99 | 7 | 8 |
| ОАО «Сибур-Нефтехим» | 87 | 92 | 7 | 8 |
| ОАО «Химпром» , Чебоксары | 82 | 92 | 7 | 8 |
| ВОАО «Химпром» , Волгоград | 87 | 90 | 7 | 7 |
| ЗАО «Илимхимпром» | 70 | 84 | 6 | 7 |
| ОАО «КЧХК» | 81 | 79 | 7 | 6 |
| НАК «АЗОТ» | 73 | 61 | 6 | 5 |
| ОАО «Химпром», Кемерово | 42 | 44 | 4 | 4 |
| Итого: | 1184 | 1217 | 100 | 100 |
| Наименование предприятия | 2005 г. тонн | 2006 г. тонн | доля в 2005 г.% | доля в 2006 г.% |
|---|---|---|---|---|
| ОАО «Каустик» , Волгоград | 67504 | 63510 | 62 | 60 |
| ОАО «Каустик» , Стерлитамак | 34105 | 34761 | 31 | 33 |
| ОАО «Сибур-Нефтехим» | 1279 | 833 | 1 | 1 |
| ВОАО «Химпром» , Волгоград | 5768 | 7115 | 5 | 7 |
| Итого: | 108565 | 106219 | 100 | 100 |
Применение
Биодизельное топливо
Получение биодизеля
Едкий натр применяется во множестве отраслей промышленности и для бытовых нужд:
- Каустик применяется в целлюлозно-бумажной промышленности для делигнификации (сульфатный процесс) целлюлозы, в производстве бумаги , картона , искусственных волокон, древесно-волоконных плит.
- Для омыления жиров при производстве мыла , шампуня и других моющих средств . В древности во время стирки в воду добавляли золу, и, по-видимому, хозяйки обратили внимание, что если зола содержит жир, попавший в очаг во время приготовления пищи, то посуда хорошо моется. О профессии мыловара (сапонариуса) впервые упоминает примерно в 385 г. н. э. Теодор Присцианус. Арабы варили мыло из масел и соды с VII века, сегодня мыла производятся тем же способом, что и 10 веков назад. В настоящее время продукты на основе гидроксида натрия (с добавлением гидроксида калия, нагретые до 50-60 градусов Цельсия, применяются в сфере промышленной мойки для очистки изделий из нержавеющей стали от жира и других масляных веществ, а также остатков механической обработки.
- В химических отраслях промышленности - для нейтрализации кислот и кислотных окислов, как реагент или катализатор в химических реакциях, в химическом анализе для титрования , для травления алюминия и в производстве чистых металлов , в нефтепереработке - для производства масел.
- Для изготовления биодизельного топлива - получаемого из растительных масел и используемого для замены обычного дизельного топлива. Для получения биодизеля к девяти массовым единицам растительного масла добавляется одна массовая единица спирта (то есть соблюдается соотношение 9:1), а также щелочной катализатор (NaOH). Полученный эфир (главным образом линолевой кислоты) отличается хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом. Цетановое число условная количественная характеристика самовоспламеняемости дизельных топлив в цилиндре двигателя (аналог октанового числа для бензинов). Если для минерального дизтоплива характерен показатель в 50-52 %, то метиловый эфир уже изначально соответствует 56-58 % цетана. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое , соевое и другие, кроме тех, в составе которых высокое содержание пальмитиновой кислоты (пальмовое масло). При его производстве в процессе этерификации также образуется глицерин который используется в пищевой, косметической и бумажной промышленности, либо перерабатывается в эпихлоргидрин по методу Solvay .
- В качестве агента для растворения засоров канализационных труб , в виде сухих гранул или в составе гелей . Гидроксид натрия дезагрегирует засор и способствует лёгкому продвижению его далее по трубе.
- В гражданской обороне для дегазации и нейтрализации отравляющих веществ, в том числе зарина , в ребризерах (изолирующих дыхательных аппаратах (ИДА), для очистки выдыхаемого воздуха от углекислого газа.
- Гидроксид натрия также используется в сочетании с цинком для фокуса . Медную монету кипятят в растворе гидроксида натрия в присутствии гранул металлического цинка, через 45 секунд, цвет копейки станет серебристым. После этого копейку вынимают из раствора и нагревают в пламени горелки, где она, практически моментально становится «золотой». Причины этих изменений заключается в следующем: ионы цинка вступают в реакцию с гидроксидом натрия (в недостатке) с образованием Zn (OH) 4 2− - который при нагревании разлагается до металлического цинка и осаждается на поверхность монеты. А при нагревании цинк и медь образуют золотистый сплав - латунь .
- Гидроксид натрия также используется для мойки пресс-форм автопокрышек.
- Гидроксид натрия также используется для нелегального производства метамфетаминов и других наркотических средств.
- В приготовлении пищи:
для мытья и очистки фруктов и овощей от кожицы, в производстве шоколада и какао, напитков, мороженого, окрашивания карамели, для размягчения маслин и придания им чёрной окраски, при производстве хлебобулочных изделий. Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E524
.
Некоторые блюда готовятся с применением каустика:- Лютефиск - скандинавское блюдо из рыбы - сушёная треска вымачивается 5-6 дней в едкой щёлочи и приобретает мягкую, желеобразную консистенцию.
- Брецель - немецкие крендели - перед выпечкой их обрабатывают в растворе едкой щёлочи, которая способствует образованию уникальной хрустящей корочки.
- В косметологии для удаления ороговевших участков кожи: бородавок, папиллом.
Меры предосторожности при обращении с гидроксидом натрия
Гидроксид натрия - едкое и коррозионноактивное вещество . Оно относится к веществам второго класса опасности . Поэтому при работе с ним требуется соблюдать осторожность. При попадании на кожу, слизистые оболочки и в глаза образуются серьёзные химические ожоги . Попадание в глаза вызывает необратимые изменения зрительного нерва (атрофию), и, как следствие, потерю зрения. При контакте слизистых поверхностей с едкой щёлочью необходимо промыть поражённый участок струей воды, а при попадании на кожу слабым раствором уксусной кислоты . При работе с едким натрием рекомендуется следующие защитные средства : химические брызгозащитные очки для защиты глаз, резиновые перчатки или перчатки с прорезиненной поверхностью для защиты рук, для защиты тела - химически-стойкая одежда пропитанная винилом или прорезиненные костюмы.
ПДК гидроксида натрия в воздухе 0,5 мг/м³.
Литература
- Общая химическая технология. Под ред. И. П. Мухленова. Учебник для химико-технологических специальностей вузов. - М.: Высшая школа.
- Основы общей химии, т. 3, Б. В. Некрасов. - М.: Химия, 1970.
- Общая химическая технология. Фурмер И. Э., Зайцев В. Н. - М.: Высшая школа, 1978.
- Приказ Минздрава РФ от 28 марта 2003 г. N 126 «Об утверждении Перечня вредных производственных факторов, при воздействии которых в профилактических целях рекомендуется употребление молока или других равноценных пищевых продуктов».
- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 4 апреля 2003 г. N 32 «О введении в действие Санитарных правил по организации грузовых перевозок на железнодорожном транспорте. СП 2.5.1250-03».
- Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов » (с изменениями на 18 декабря 2006 года).
- Приказ МПР РФ от 2 декабря 2002 г. N 786 «Об утверждении федерального классификационного каталога отходов» (с изм. и доп. от 30 июля 2003 г.).
- Постановление Госкомтруда СССР от 25.10.1974 N 298/П-22 «Об утверждении списка производств, цехов, профессий и должностей с вредными условиями труда, работа в которых дает право на дополнительный отпуск и сокращённый рабочий день» (с изменениями на 29 мая 1991 года).
- Постановление Минтруда России от 22.07.1999 N 26 «Об утверждении типовых отраслевых норм бесплатной выдачи специальной одежды, специальной обуви и других средств индивидуальной защиты работникам химических производств».
- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 30.05.2003 N 116 О введении в действие ГН 2.1.6.1339-03 «Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест».(с изменениями на 3 ноября 2005 года).
| Растворимость кислот , оснований и солей в воде | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Физические свойства
Гидроксид натрия
Термодинамика растворов
ΔH 0 растворения для бесконечно разбавленного водного раствора -44,45 кДж/моль.
Из водных растворов при 12,3 - 61,8 °C кристаллизуется моногидрат (сингония ромбическая), температура плавления 65,1 °C; плотность 1,829 г/см³; ΔH 0 обр −734,96 кДж/моль), в интервале от -28 до -24°С - гептагидрат, от -24 до -17,7°С - пентагидрат, от -17,7 до -5,4°С -тетрагидрат (α-модификация), от -5,4 до 12,3 °C. Растворимость в метаноле 23,6 г/л (t=28 °C), в этаноле 14,7 г/л (t=28 °C). NaOH·3,5Н 2 О (температура плавления 15,5 °C);
Химические свойства
(в целом такую реакцию можно представить простым ионным уравнением, реакция протекает с выделением тепла (экзотермическая реакция): OH - + H 3 O + → 2H 2 O. )
- с амфотерными оксидами которые обладают как основными, так и кислотными свойствами, и способностью реагировать с щелочами, как с твердыми при сплавлении:
ZnO + 2NaOH → Na 2 ZnO 2 + H 2 O
так и с растворами:
ZnO + 2NaOH (раствор) + H 2 O → Na 2 (раствор) +H 2
(Образующийся анион называется тетрагидроксоцинкат-ионом, а соль, которую можно выделить из раствора - тетрагидроксоцинкатом натрия. В аналогичные реакции гидроксид натрия вступает и c другими амфотерными оксидами.)
- с кислотными оксидами - с образованием солей; это свойство используется для очистки промышленных выбросов от кислотных газов (например: CO 2 , SO 2 и H 2 S):
2Na + + 2OH - + Cu 2+ + SO 4 2- → Cu(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4
Гидроксид натрия используется для осаждения гидроксидов металлов. К примеру, так получают гелеобразный гидроксид алюминия , действуя гидроксидом натрия на сульфат алюминия в водном растворе. Его и используют, в частности, для очистки воды от мелких взвесей.
Гидролиз эфиров
- с жирами (омыление), такая реакция необратима, так как получающаяся кислота со щёлочью образует мыло и глицерин . Глицерин впоследствии извлекается из подмыльных щёлоков путем вакуум-выпарки и дополнительной дистилляционной очистки полученных продуктов. Этот способ получения мыла был известен на Ближнем Востоке с VII века:
Процесс омыления жиров
В результате взаимодействия жиров с гидроксидом натрия получают твёрдые мыла (они используются для производства кускового мыла), а с гидроксидом калия либо твёрдые, либо жидкие мыла, в зависимости от состава жира.
HO-CH 2 -CH 2 ОН + 2NaOH → NaO-CH 2 -CH 2 -ONa + 2Н 2 O
2NaCl + 2H 2 О = H 2 + Cl 2 + 2NaOH,В настоящее время едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них - электролиз с твёрдым асбестовым или полимерным катодом (диафрагменный и мембранный методы производства), третий - электролиз с жидким катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым лёгким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути. Мембранный метод производства самый эффективный, наименее энергоёмкий и наиболее экологичный, но и самый капризный, в частности, требует сырьё более высокой чистоты.
Едкие щёлочи, полученные при электролизе с жидким ртутным катодом, значительно чище полученных диафрагменным способом. Для некоторых производств это важно. Так, в производстве искусственных волокон можно применять только каустик, полученный при электролизе с жидким ртутным катодом. В мировой практике используются все три метода получения хлора и каустика, при явной тенденции в сторону увеличения доли мембранного электролиза. В России приблизительно 35 % от всего выпускаемого каустика вырабатывается электролизом с ртутным катодом и 65 % - электролизом с твёрдым катодом (диафрагменный и мембранный методы).
Эффективность процесса производства рассчитывается не только по выходу едкого натра, но и по выходу хлора и водорода, получаемых при электролизе, соотношение хлора и гидроксида натрия на выходе 100/110, реакция протекает в следующих соотношениях:
1,8 NaCl + 0, 5 H 2 O + 2,8 МДж = 1,00 Cl 2 + 1,10 NaOH + 0,03 H 2 ,Основные показатели различных методов производства даны в таблице:
| Показатель на 1 тонну NaOH | Ртутный метод | Диафрагменный метод | Мембранный метод |
|---|---|---|---|
| Выход хлора % | 97 | 96 | 98,5 |
| Электроэнергия (кВт·ч) | 3 150 | 3 260 | 2 520 |
| Концентрация NaOH | 50 | 12 | 35 |
| Чистота хлора | 99,2 | 98 | 99,3 |
| Чистота водорода | 99,9 | 99,9 | 99,9 |
| Массовая доля O 2 в хлоре, % | 0,1 | 1-2 | 0,3 |
| Массовая доля Cl - в NaOH, % | 0,003 | 1-1,2 | 0,005 |
Технологическая схема электролиза с твёрдым катодом
Диафрагменный метод - Полость электролизёра с твёрдым катодом разделена пористой перегородкой - диафрагмой - на катодное и анодное пространство, где соответственно размещены катод и анод электролизёра. Поэтому такой электролизёр часто называют диафрагменным, а метод получения - диафрагменным электролизом . В анодное пространство диафрагменного электролизёра непрерывно поступает поток насыщенного анолита. В результате электрохимического процесса на аноде за счет разложения галита выделяется хлор, а на катоде за счет разложения воды - водород. Хлор и водород выводятся из электролизёра раздельно, не смешиваясь:
2Cl - − 2е = Cl 2 0 , H 2 O − 2e − 1/2 О 2 = H 2 .
При этом прикатодная зона обогащается гидроксидом натрия. Раствор из прикатодной зоны, называемый электролитическим щёлоком , содержащий неразложившийся анолит и гидроксид натрия, непрерывно выводится из электролизёра. На следующей стадии электролитический щёлок упаривают и доводят содержание в нём NaOH до 42-50 % в соответствии со стандартом. Галит и сульфат натрия при повышении концентрации гидроксида натрия выпадают в осадок. Раствор едкой щёлочи декантируют от осадка и передают в качестве готового продукта на склад или на стадию упаривания для получения твёрдого продукта, с последующим плавлением, чешуированием или грануляцией. Кристаллический галит (обратную соль) возвращают на электролиз, приготавливая из неё так называемый обратный рассол. Из него во избежание накапливания сульфата в растворах перед приготовлением обратного рассола извлекают сульфат. Убыль анолита возмещают добавкой свежего рассола, получаемого подземным выщелачиванием соляных пластов или растворением твёрдого галита. Свежий рассол перед смешиванием его с обратным рассолом очищают от механических взвесей и значительной части ионов кальция и магния. Полученный хлор отделяется от паров воды, компримируется и подаётся либо на производство хлорсодержащих продуктов, либо на сжижение.
Мембранный метод - аналогичен диафрагменному, но анодное и катодное пространства разделены катионообменной мембраной. Мембранный электролиз обеспечивает получение наиболее чистого каустика.
Технологическая схема электролиза .Основная технологическая стадия - электролиз, основной аппарат - электролитическая ванна, которая состоит из электролизёра, разлагателя и ртутного насоса, объединенных между собой коммуникациями. В электролитической ванне под действием ртутного насоса циркулирует ртуть, проходя через электролизёр и разлагатель. Катодом электролизёра служит поток ртути. Аноды - графитовые или малоизнашивающиеся. Вместе с ртутью через электролизёр непрерывно течёт поток анолита - раствор галита. В результате электрохимического разложения галита на аноде образуются ионы Cl - и выделяется хлор:
2 Cl - - 2е = Cl 2 0 ,
который отводится из электролизёра, а на ртутном катоде образуется слабый раствор натрия в ртути, так называемая амальгама :
Na + + е = Na 0 nNa + + nHg - = Na + HgАмальгама непрерывно перетекает из электролизёра в разлагатель. В разлагатель также непрерывно подаётся хорошо очищенная от примесей вода. В нем амальгама натрия в результате самопроизвольного электрохимического процесса почти полностью разлагается водой с образованием ртути, раствора каустика и водорода:
Na + Hg + Н 2 0 = NaOH + 1/2Н 2 + HgПолученный таким образом раствор каустика, являющийся товарным продуктом, не содержит примеси галита, вредной в производстве вискозы. Ртуть почти полностью освобождается от амальгамы натрия и возвращается в электролизер. Водород отводится на очистку. Анолит, выходящий из электролизера, донасыщают свежим галитом, извлекают из него примеси, внесенные с ним, а также вымываемые из анодов и конструкционных материалов, и возвращают на электролиз. Перед донасыщением из анолита извлекают двух- или трёхступенчатым процессом растворённый в нём хлор.
Лабораторные способы получения
В лаборатории гидроксид натрия получают химическими способами, которые имеют больше историческое, чем практическое значение.
Известковый способ получения гидроксида натрия заключается во взаимодействии раствора соды с известковым молоком при температуре около 80 °C . Этот процесс называется каустификацией; он описывается реакцией:
Na 2 C0 3 + Са (ОН) 2 = 2NaOH + CaC0 3В результате реакции образуется раствор гидроксида натрия и осадок карбоната кальция. Карбонат кальция отделяется от раствора, который упаривается до получения расплавленного продукта, содержащего около 92 % NaOH. Расплавленный NaOH разливают в железные барабаны, где он застывает.
Ферритный способ описывается двумя реакциями:
Na 2 C0 3 + Fe 2 0 3 = Na 2 0 Fe 2 0 3 + C0 2 (1) Na 2 0 Fe 2 0 3 -f H 2 0 = 2 NaOH + Fe 2 O 3 (2)(1) - процесс спекания кальцинированной соды с окисью железа при температуре 1100-1200°С. При этом образуется спек-феррит натрия и выделяется двуокись углерода. Далее спек обрабатывают (выщелачивают) водой по реакции (2); получается раствор гидроксида натрия и осадок Fe 2 O 3 , который после отделения его от раствора возвращается в процесс. Раствор содержит около 400 г/л NaOH. Его упаривают до получения продукта, содержащего около 92 % NaOH.
Химические методы получения гидроксида натрия имеют существенные недостатки: расходуется большое количество топлива, получаемый едкий натр загрязнен примесями, обслуживание аппаратов трудоемко. В настоящее время эти методы почти полностью вытеснены электрохимическим способом производства.
Рынок каустической соды
Мировое производство натра едкого, 2005 год| Производитель | Обьем производства, млн.тонн | Доля в мировом производстве |
|---|---|---|
| DOW | 6.363 | 11.1 |
| Occidental Chemical Company | 2.552 | 4.4 |
| Formosa Plastics | 2.016 | 3.5 |
| PPG | 1.684 | 2.9 |
| Bayer | 1.507 | 2.6 |
| Akzo Nobel | 1.157 | 2.0 |
| Tosoh | 1.110 | 1.9 |
| Arkema | 1.049 | 1.8 |
| Olin | 0.970 | 1.7 |
| Россия | 1.290 | 2.24 |
| Китай | 9.138 | 15.88 |
| Другие | 27.559 | 47,87 |
| Всего: | 57,541 | 100 |
ТР - твердый ртутный (чешуированный);
ТД - твердый диафрагменный (плавленый);
РР - раствор ртутный;
РХ - раствор химический;
РД - раствор диафрагменный.
| Наименование показателя | ТР ОКП 21 3211 0400 | ТД ОКП 21 3212 0200 | РР ОКП 21 3211 0100 | РХ 1 сорт ОКП 21 3221 0530 | РХ 2 сорт ОКП 21 3221 0540 | РД Высший сорт ОКП 21 3212 0320 | РД Первый сорт ОКП 21 3212 0330 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Внешний вид | Чешуирова- нная масса белого цвета. Допускается слабая окраска | Плавленая масса белого цвета. Допускается слабая окраска | Бесцветная прозрачная жидкость | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристалли- зованный осадок | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристалли- зованный осадок | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристалли- зованный осадок | |
| Массовая доля гидроксида натрия, %, не менее | 98,5 | 94,0 | 42,0 | 45,5 | 43,0 | 46,0 | 44,0 |
| Наименование предприятия | 2005 г. тыс.тонн | 2006 г. тыс.тонн | доля в 2005 г.% | доля в 2006 г.% |
|---|---|---|---|---|
| ОАО «Каустик» , Стерлитамак | 239 | 249 | 20 | 20 |
| ОАО «Каустик» , Волгоград | 210 | 216 | 18 | 18 |
| ОАО «Саянскхимпласт» | 129 | 111 | 11 | 9 |
| ООО «Усольехимпром» | 84 | 99 | 7 | 8 |
| ОАО «Сибур-Нефтехим» | 87 | 92 | 7 | 8 |
| ОАО «Химпром» , Чебоксары | 82 | 92 | 7 | 8 |
| ВОАО «Химпром» , Волгоград | 87 | 90 | 7 | 7 |
| ЗАО «Илимхимпром» | 70 | 84 | 6 | 7 |
| ОАО «КЧХК» | 81 | 79 | 7 | 6 |
| НАК «АЗОТ» | 73 | 61 | 6 | 5 |
| ОАО «Химпром», Кемерово | 42 | 44 | 4 | 4 |
| Итого: | 1184 | 1217 | 100 | 100 |
| Наименование предприятия | 2005 г. тонн | 2006 г. тонн | доля в 2005 г.% | доля в 2006 г.% |
|---|---|---|---|---|
| ОАО «Каустик» , Волгоград | 67504 | 63510 | 62 | 60 |
| ОАО «Каустик» , Стерлитамак | 34105 | 34761 | 31 | 33 |
| ОАО «Сибур-Нефтехим» | 1279 | 833 | 1 | 1 |
| ВОАО «Химпром» , Волгоград | 5768 | 7115 | 5 | 7 |
| Итого: | 108565 | 106219 | 100 | 100 |
Применение
Биодизельное топливо
Треска Lutefisk на праздновании Дня Конституции Норвегии
Немецкий рогалик
Едкий натр применяется в огромном множестве отраслей промышленности и для бытовых нужд:
- Каустик применяется в целлюлозно-бумажной промышленности для делигнификации (Реакция Крафта) целлюлозы, в производстве бумаги , картона , искусственных волокон, древесно-волоконных плит.,
- Для омыления жиров при производстве мыла , шампуня и других моющих средств . В древности во время стирки в воду добавляли золу, и, по-видимому, хозяйки обратили внимание, что если зола содержит жир, попавший в очаг во время приготовления пищи, то посуда хорошо моется. О профессии мыловара (сапонариуса) впервые упоминает примерно в 385 г. н. э. Теодор Присцианус. Арабы варили мыло из масел и соды с VII века, сегодня мыла производятся тем же способом, что и 10 веков назад.
- В химических отраслях промышленности
- для нейтрализации кислот и кислотных окислов, как реагент или винилом или прорезиненные костюмы.
ПДК гидроксида натрия в воздухе 0,5 мг/м³.
Литература
- Общая химическая технология. Под ред. И. П. Мухленова. Учебник для химико-технологических специальностей вузов. - М.: Высшая школа.
- Основы общей химии, т. 3, Б. В. Некрасов. - М.: Химия, 1970.
- Общая химическая технология. Фурмер И. Э., Зайцев В. Н. - М.: Высшая школа, 1978.
- Приказ Минздрава РФ от 28 марта 2003 г. N 126 «Об утверждении Перечня вредных производственных факторов, при воздействии которых в профилактических целях рекомендуется употребление молока или других равноценных пищевых продуктов».
- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 4 апреля 2003 г. N 32 «О введении в действие Санитарных правил по организации грузовых перевозок на железнодорожном транспорте. СП 2.5.1250-03».
- Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (с изменениями на 18 декабря 2006 года).
- Приказ МПР РФ от 2 декабря 2002 г. N 786 «Об утверждении федерального классификационного каталога отходов» (с изм. и доп. от 30 июля 2003 г.).
- Постановление Госкомтруда СССР от 25.10.1974 N 298/П-22 «Об утверждении списка производств, цехов, профессий и должностей с вредными условиями труда, работа в которых дает право на дополнительный отпуск и сокращенный рабочий день» (с изменениями на 29 мая 1991 года).
- Постановление Минтруда России от 22.07.1999 N 26 «Об утверждении типовых отраслевых норм бесплатной выдачи специальной одежды, специальной обуви и других средств индивидуальной защиты работникам химических производств».
- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 30.05.2003 N 116 О введении в действие ГН 2.1.6.1339-03 «Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».(с изменениями на 3 ноября 2005 года). Иллюстрированный энциклопедический словарь
НАТРИЯ ГИДРОКСИД - (едкий натр, каустическая сода, каустик) NaOH бесцветное твёрдое кристаллическое вещество, плотность 2130 кг м. t = 320°С; при его растворении в воде выделяется большое количество теплоты; разрушающе действует на кожу, ткани, бумагу, опасно… … Большая политехническая энциклопедия
- (натр едкий, каустическая сода), NaOH, сильное основание (щёлочь). Бесцветные кристаллы (технический продукт белая непрозрачная масса). Гигроскопичен, хорошо растворяется в воде, выделяя большое количество теплоты. Получают электролизом раствора … Энциклопедический словарь
натрия гидроксид - natrio hidroksidas statusas T sritis chemija formulė NaOH atitikmenys: angl. caustic soda; sodium hydroxide rus. каустик; каустическая сода; натрий едкий; натрия гидроксид ryšiai: sinonimas – natrio šarmas sinonimas – kaustinė soda … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
- (натр едкий, каустическая сода), NaОН, сильное основание (щёлочь). Бесцв. кристаллы (техн. продукт белая непрозрачная масса). Гигроскопичен, хорошо растворяется в воде, выделяя большое кол во теплоты. Получают электролизом раствора натрия хлорида … Естествознание. Энциклопедический словарь
- (каустическая сода) NaOH, бесцв. кристаллы; до 299 °С устойчива ромбич. модификация (а =0,33994 нм, с =1,1377 нм), выше 299 o С моноклинная; DH0 полиморфного перехода 5,85 кДж/моль; т. пл. 323 °С, т. кип. 1403 °С; плотн. 2,02 г/см 3; … Химическая энциклопедия
Каустическая сода, каустик, NaOH бесцветная кристаллич. масса, плотн. 2130 кг/м3, t Пл 320 °С, растворимость в воде 52,2% (при 20 °С). Сильное основание, на животную ткань действует разрушающе; особенно опасно попадание капель Н. г. в глаза.… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Сильная щелочь, широко применяемая в качестве очищающего вещества. При попадании гидроксида натрия на поверхность кожи он вызывает ее сильный химический ожог; в этом случае необходимо сразу же промыть пораженный участок кожи большим количеством… … Медицинские термины
НАТРИЯ ГИДРОКСИД, СОДА КАУСТИЧЕСКАЯ - (caustic soda) сильная щелочь, широко применяемая в качестве очищающего вещества. При попадании гидроксида натрия на поверхность кожи он вызывает ее сильный химический ожог; в этом случае необходимо сразу же промыть пораженный участок кожи… … Толковый словарь по медицине
Гидроксид натрия, натрий гидроксид — неорганическое соединение, гидроксид состав NaOH. Представляет собой белые, непрозрачные и очень гигроскопичные кристаллы. Вещество хорошо растворимый в воде при соединении с водой выделяется большое количество тепла.
Проявляет сильные щелочные свойства. Значение pH 1% -го водного раствора составляет 13.
Гидроксид натрия является токсичным соединением, может также вызывать коррозию металлов. Вещество применяется в производстве многочисленных продуктов, в частности, поверхностно-активных веществ, бумаги, косметики, лекарственных средств.
Физические свойства
Гидроксид натрия NaOH — белое твердое вещество. Оставленный на воздухе едкий натрий вскоре рассеивается так как притягивает влагу из воздуха. Вещество хорошо растворяется в воде, при этом выделяется большое количество теплоты.
Растворимость в метаноле составляет 23,6 г / л (при 28 ° C), в этаноле — 14,7 г / л (28 ° C).
Раствор едкого натра ошибкой на ощупь.
Термодинамика растворов
Энтальпия растворения для бесконечно разбавленного водного раствора составляет -44,45 кДж / моль.
Из водных растворов кристаллизуются гидраты:
- при 12,3-61,8 ° C — моногидрат NaOH · H 2 O (сингониях ромбическая, температура плавления 65,1 ° C; плотность 1,829 г / см; ΔH 0 утв -425,6 кДж / моль)
- в интервале -28 … -24 ° C — гептагидрат NaOH · 7H 2 O;
- от -24 до -17,7 ° C — пентагидрат NaOH · 5H 2 O;
- от -17,7 до -5,4 ° C — тетрагидрат NaOH · 4H 2 O (α-модификация);
- от -8,8 до 15,6 ° C — NaOH · 3,5Н 2 О (температура плавления 15,5 ° C).
- от 0 ° C до 12,3 ° C — дигидрат NaOH · 2H 2 O;
Получение
Исторически первым методом получения гидроксида натрия было взаимодействие соды Na 2 CO 3 и гашеной водой извести CaO:
Проведению реакции способствует перемешивание и высокая температура, поэтому ее осуществляли в стальных реакторах с мешалками. После получения продуктов, от продуктов отделяли растворим карбонат кальция и выпаривали остаточный раствор гидроксида натрия при 180 ° C в чугунных емкостях без доступа воздуха. Таким образом можно было получить раствор концентрацией до 95%.
В 1892 году независимо друг от друга американский ученый Гамильтон Кастнер и австриец Карл Кельнер открыли способ получения гидроксида электролизом хлорида натрия, который широко распространен в природе. Течение реакций можно описать суммарным уравнением:
Этот метод и по сей день является основным промышленным способом добывания NaOH, однако некоторые условия проведения синтеза испытывали модификаций. В частности, для предотвращения протекания реакций между продуктами и исходными веществами различные этапы взаимодействия проводят в отдельных реакторах или разграничиваются. По этому критерию различают три основных метода: ртутный, диафрагменные и мембранный.
Ртутный процесс
В оригинальном методе синтеза NaOH в качестве катода используется ртутный электрод. Попадая на катод, ионы натрия образуют там жидкие амальгамы переменного состава NaHg n:
Амальгамы выделяются из реакционной системы и переводятся в другую, где происходит разложение амальгамы водой с образованием гидроксида натрия:
По этому методу образуется раствор NaOH концентрацией 50-73% и практически свободен от загрязняющих примесей (хлора, хлорида натрия). Образована в результате разложения ртуть возвращается в электрод.
На аноде (графитовом или другом) происходит окисление хлорид-ионов с образованием свободного хлора
Кроме этого, имеют место также побочные реакции: окисление гидроксид-иона и электрохимическое образования хлорат-иона. Гидролизом полученного хлора могут образовываться и незначительные количества гипохлорит-ионов.
Диафрагменные процесс
В диафрагменного методе пространство между катодом и анодом разъединен перегородкой, которая не пропускает растворы и газы, однако не препятствует прохождению электрического тока и миграции ионов. Обычно, в качестве таких перегородок используется асбестовая ткань, пористые цементы, фарфор и т.
В анодный пространство подается раствор NaCl: на аноде (графитовом или магнетитовых) восстанавливаются хлорид-ионы, а катионы Na + (и, частично, анионы Cl -) мигрируют сквозь диафрагму к катодной пространства. Там катионы где сочетаются с гидроксид-ионами, образованными восстановлением воды на железном или медном катоде:
С катодной пространства в результате выделяется смесь гидроксида и хлорида натрия с содержанием NaOH 10-15% (и около 18% NaCl). Путем испарения удается увеличить концентрацию гидроксида до 50%, но содержание хлорида все равно остается существенным. Для выделения хлорида из смеси, ее обрабатывают жидким аммиаком с образованием легковиддилюваного хлорида аммония (однако, этот способ является малораспространенным за высокой стоимости его проведения). Также применяется метод, который заключается в охлаждении смеси и выделении кристаллов гидрата NaOH · 3,5H 2 O, которые в дальнейшем дополнительно дегидратують.
Мембранный процесс
Этот способ был разработан в 1970-х годах компанией «DuPont» и считается наиболее совершенным из существующих. В мембранном процессе в реакторе устанавливается катионообменная мембрана, которая является проницаемой для ионов Na +, движущихся в катодный пространство, и подавляет миграцию гидроксид-ионов, которые мигрируют в обратном направлении — таким образом в катодном пространстве увеличивается концентрация составляющих NaOH. Экономически выгодной для синтеза считается концентрация 30-35%, а новейшие мембраны позволяют увеличить это значение до 50%.
По этому методу хлорид натрия теоретически не образуется, но проникновение хлорид-ионов через мембрану все же может иметь место.
Получение твердого NaOH
Твердый NaOH (каустическая сода) получают выпариванием его раствора к содержимому воды меньше 0,5-1,5%. Сначала 50% -ный раствор выпаривают в вакууме до концентрации 60%, а концентрацию 99% достигают с применением теплоносителей (смесь NaNO 2, NaNO 3, KNO 3) при температуре выше 400 ° C: раствор подается насосом в разогретую камеру для испарения, где отделяется остальные воды.
Марки
Гидроксид натрия выпускается в двух видах: твердом и жидком. Твердая гранулированная каустическая сода представляет собой белую твердую массу с размером чешуек 0,5-2 см. Редкий раствор каустической соды — бесцветный. Коммерчески важны растворы гидроксида натрия с концентрацией 50%.
Технический едкий натр выпускают следующих марок:
- ТР — твердый ртутный;
- ТД — твердый диафрагменный (плавленый)
- РР — раствор ртутный;
- РХ — раствор химический;
- РД — раствор диафрагменный.
Химические свойства
Гидроксид натрия активно поглощает влагу из воздуха, образуя гидраты различного состава, которые разлагаются при нагревании:
В растворах соединение хорошо распадается:
Проявляя сильные щелочные свойства, гидроксид натрия легко взаимодействует с кислотами, кислотными и амфотерными оксидами и гидроксидами:
NaOH легко взаимодействует с галогенами, а при высоких температурах — также и с металлами:
При взаимодействии с солями, которые являются производными слабых оснований, образуются соответствующие гидроксиды:
Реагируя с монооксидом углерода, синтезируется формиат натрия:
Требования безопасности
Сода каустическая пожаро- и взрывобезопасная. Едкая, коррозионно активное вещество. По степени воздействия на организм относится к веществам 2-го класса опасности. Как твердое вещество, так и концентрированные его растворы вызывают очень сильные ожоги. Попадание щелочи в глаза может привести к тяжелым заболеваниям и даже к потере зрения. При попадании на кожу, слизистые оболочки, глаза образуются сильные химические ожоги. При попадании на кожу — промыть слабым раствором уксусной кислоты.
При работе используют защитные средства: защитные очки, резиновые перчатки, прорезиненный химостойких одежду.
Применение
Гидроксид натрия применяется во многих отраслях промышленности и в быту:
- Каустик применяется в целлюлозно-бумажной промышленности для делигнификации (сульфатный процесс) целлюлозы, в производстве бумаги, картона, искусственных волокон, древесно-волокнистых плит.
- Для омыления жиров при производстве мыла, шампуня и других моющих средств. В последнее время продукты на основе гидроксида натрия (с добавлением гидроксида калия, нагретые до 50-60 градусов Цельсия, применяются в сфере промышленной мойки для очистки изделий из нержавеющей стали от жира и других масляных веществ, а также остатков механической обработки.
- В химических отраслях промышленности — для нейтрализации кислот и кислотных оксидов, как реагент или катализатор в химических реакциях, в химическом анализе для титрования, для травления алюминия и в производстве чистых металлов, в нефтепереработке — для производства масел.
- Для изготовления биодизельного топлива — которое получают из растительных масел и используют для замены обычного дизельного топлива. Для получения биодизеля в девяти массовых единиц растительного масла добавляют одну массовую единицу спирта (то есть соблюдается пропорция 9: 1), а также щелочной катализатор (NaOH). Полученный эфир (главным образом линолевой кислоты) отличается превосходной воспламеняемости, что обеспечивается высоким цетановым числом. Если для минерального дизтоплива характерен показатель в 50-52%, то метиловый эфир соответственно 56-58% цетана. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое, соевое и другие, кроме тех, в составе которых высокое содержание пальмитиновой кислоты (пальмовое масло). При ее производстве в процессе этерификации также образуется глицерин который используется в пищевой, косметической и бумажной промышленности, или перерабатывается в Эпихлоргидрин по методу Сольве.
- Как агент для растворения засоров канализационных труб, в виде сухих гранул или в составе гелей. Гидроксид натрия дезагрегуе засорения и способствует легкому продвижению его далее по трубе.
- В гражданской обороне для дегазации и нейтрализации ядовитых веществ, в том числе зарина, в ребризера (изолирующих дыхательных аппаратах (ИДА), для очистки воздуха, выдыхаемого от углекислого газа.
- Гидроксид натрия также используется для мойки пресс-форм автопокрышек.
- В приготовлении пищи: для мытья и очистки фруктов и овощей от кожуры, в производстве шоколада и какао, напитков, мороженого, покраске карамели, для размягчения маслин и предоставления им черного окраса, при производстве хлебобулочных изделий. Зарегистрировано в качестве пищевой добавки E524.
- В косметологии для удаления ороговевших участков кожи: бородавок, папиллом.
Видео по теме
Изображения по теме
Гидроксид натрия - это вещество, которое относится к щелочам. У него есть и другие названия: каустическая сода, каустик, едкий натр, едкая щелочь. Представляет собой твердое белое вещество, которое способно поглощать водяной пар и углекислый газ из воздуха. Например, если оставить гидроксид натрия в неприкрытой банке, то вещество быстро впитает в себя пары воды из воздуха и через некоторое время превратится в бесформенную массу. Поэтому гидроксид натрия продается в герметичной вакуумной упаковке.
Также желательно не хранить кристаллы в стекле, поскольку гидроксид натрия способен вступать с ним в реакцию и разъедать его. При растворении гидроксида натрия в воде выделяется большое количество теплоты и раствор нагревается.
При взаимодействии гидроксида натрия с алюминием образуется тетрагидроксоалюминат натрия и водород. С помощью этой реакции получали водород, которым заполняли дирижабли и аэростаты.
2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na + 3H₂
При взаимодействии едкого натра с фосфором образуется гипофосфит натрия и фосфин (гидрид фосфора):
4P + 3NaOH + 3H₂O → PH₃ + 3NaH₂PO₂
В взаимодействии гидроксида натрия с серой и галогенами происходит реакция диспропорционирования. Например, с хлором и серой реакции будут протекать следующим образом:
3S + 6NaOH → Na₂SO₃ + 2Na₂S+ 3H₂O
3Cl₂ + 6NaOH → NaClO₃ +5 NaCl + 3H₂O (при нагревании)
Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O (комнатная температура)
При контакте каустической соды с жирами происходит необратимая реакция омыления, благодаря которой производят шампуни, мыло и прочую продукцию.
При взаимодействии с многоатомными спиртами получаются белые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, которые называются алкоголятами :
HOCH₂CH₂OH + 2NаOH → NaOCH₂CH₂ONa + 2H₂O
Французский учёный А. Л. Дюамель дю Монсо впервые различил эти вещества: гидроксид натрия стали называть каустической содой, карбонат натрия - кальцинированной содой (по растению Salsola Soda, из золы которого её добывали), а карбонат калия - поташем . В настоящее время содой принято называть натриевые соли угольной кислоты. В английском и французском языках слово sodium означает натрий, potassium - калий.
Физические свойства
Гидроксид натрия
Термодинамика растворов
ΔH 0 растворения для бесконечно разбавленного водного раствора -44,45 кДж/моль.
Из водных растворов при 12,3 - 61,8 °C кристаллизуется моногидрат (сингония ромбическая), температура плавления 65,1 °C; плотность 1,829 г/см³; ΔH 0 обр −734,96 кДж/моль), в интервале от -28 до -24°С - гептагидрат, от -24 до -17,7°С - пентагидрат, от -17,7 до -5,4°С -тетрагидрат (α-модификация), от -5,4 до 12,3 °C. Растворимость в метаноле 23,6 г/л (t=28 °C), в этаноле 14,7 г/л (t=28 °C). NaOH·3,5Н 2 О (температура плавления 15,5 °C);
Химические свойства
(в целом такую реакцию можно представить простым ионным уравнением, реакция протекает с выделением тепла (экзотермическая реакция): OH - + H 3 O + → 2H 2 O. )
- с амфотерными оксидами которые обладают как основными, так и кислотными свойствами, и способностью реагировать с щелочами, как с твердыми при сплавлении:
ZnO + 2NaOH → Na 2 ZnO 2 + H 2 O
так и с растворами:
ZnO + 2NaOH (раствор) + H 2 O → Na 2 (раствор) +H 2
(Образующийся анион называется тетрагидроксоцинкат-ионом, а соль, которую можно выделить из раствора - тетрагидроксоцинкатом натрия. В аналогичные реакции гидроксид натрия вступает и c другими амфотерными оксидами.)
- с кислотными оксидами - с образованием солей; это свойство используется для очистки промышленных выбросов от кислотных газов (например: CO 2 , SO 2 и H 2 S):
2Na + + 2OH - + Cu 2+ + SO 4 2- → Cu(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4
Гидроксид натрия используется для осаждения гидроксидов металлов. К примеру, так получают гелеобразный гидроксид алюминия , действуя гидроксидом натрия на сульфат алюминия в водном растворе. Его и используют, в частности, для очистки воды от мелких взвесей.
Гидролиз эфиров
- с жирами (омыление), такая реакция необратима, так как получающаяся кислота со щёлочью образует мыло и глицерин . Глицерин впоследствии извлекается из подмыльных щёлоков путем вакуум-выпарки и дополнительной дистилляционной очистки полученных продуктов. Этот способ получения мыла был известен на Ближнем Востоке с VII века:
Процесс омыления жиров
В результате взаимодействия жиров с гидроксидом натрия получают твёрдые мыла (они используются для производства кускового мыла), а с гидроксидом калия либо твёрдые, либо жидкие мыла, в зависимости от состава жира.
HO-CH 2 -CH 2 ОН + 2NaOH → NaO-CH 2 -CH 2 -ONa + 2Н 2 O
2NaCl + 2H 2 О = H 2 + Cl 2 + 2NaOH,В настоящее время едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них - электролиз с твёрдым асбестовым или полимерным катодом (диафрагменный и мембранный методы производства), третий - электролиз с жидким катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым лёгким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути. Мембранный метод производства самый эффективный, наименее энергоёмкий и наиболее экологичный, но и самый капризный, в частности, требует сырьё более высокой чистоты.
Едкие щёлочи, полученные при электролизе с жидким ртутным катодом, значительно чище полученных диафрагменным способом. Для некоторых производств это важно. Так, в производстве искусственных волокон можно применять только каустик, полученный при электролизе с жидким ртутным катодом. В мировой практике используются все три метода получения хлора и каустика, при явной тенденции в сторону увеличения доли мембранного электролиза. В России приблизительно 35 % от всего выпускаемого каустика вырабатывается электролизом с ртутным катодом и 65 % - электролизом с твёрдым катодом (диафрагменный и мембранный методы).
Эффективность процесса производства рассчитывается не только по выходу едкого натра, но и по выходу хлора и водорода, получаемых при электролизе, соотношение хлора и гидроксида натрия на выходе 100/110, реакция протекает в следующих соотношениях:
1,8 NaCl + 0, 5 H 2 O + 2,8 МДж = 1,00 Cl 2 + 1,10 NaOH + 0,03 H 2 ,Основные показатели различных методов производства даны в таблице:
| Показатель на 1 тонну NaOH | Ртутный метод | Диафрагменный метод | Мембранный метод |
|---|---|---|---|
| Выход хлора % | 97 | 96 | 98,5 |
| Электроэнергия (кВт·ч) | 3 150 | 3 260 | 2 520 |
| Концентрация NaOH | 50 | 12 | 35 |
| Чистота хлора | 99,2 | 98 | 99,3 |
| Чистота водорода | 99,9 | 99,9 | 99,9 |
| Массовая доля O 2 в хлоре, % | 0,1 | 1-2 | 0,3 |
| Массовая доля Cl - в NaOH, % | 0,003 | 1-1,2 | 0,005 |
Технологическая схема электролиза с твёрдым катодом
Диафрагменный метод - Полость электролизёра с твёрдым катодом разделена пористой перегородкой - диафрагмой - на катодное и анодное пространство, где соответственно размещены катод и анод электролизёра. Поэтому такой электролизёр часто называют диафрагменным, а метод получения - диафрагменным электролизом . В анодное пространство диафрагменного электролизёра непрерывно поступает поток насыщенного анолита. В результате электрохимического процесса на аноде за счет разложения галита выделяется хлор, а на катоде за счет разложения воды - водород. Хлор и водород выводятся из электролизёра раздельно, не смешиваясь:
2Cl - − 2е = Cl 2 0 , H 2 O − 2e − 1/2 О 2 = H 2 .
При этом прикатодная зона обогащается гидроксидом натрия. Раствор из прикатодной зоны, называемый электролитическим щёлоком , содержащий неразложившийся анолит и гидроксид натрия, непрерывно выводится из электролизёра. На следующей стадии электролитический щёлок упаривают и доводят содержание в нём NaOH до 42-50 % в соответствии со стандартом. Галит и сульфат натрия при повышении концентрации гидроксида натрия выпадают в осадок. Раствор едкой щёлочи декантируют от осадка и передают в качестве готового продукта на склад или на стадию упаривания для получения твёрдого продукта, с последующим плавлением, чешуированием или грануляцией. Кристаллический галит (обратную соль) возвращают на электролиз, приготавливая из неё так называемый обратный рассол. Из него во избежание накапливания сульфата в растворах перед приготовлением обратного рассола извлекают сульфат. Убыль анолита возмещают добавкой свежего рассола, получаемого подземным выщелачиванием соляных пластов или растворением твёрдого галита. Свежий рассол перед смешиванием его с обратным рассолом очищают от механических взвесей и значительной части ионов кальция и магния. Полученный хлор отделяется от паров воды, компримируется и подаётся либо на производство хлорсодержащих продуктов, либо на сжижение.
Мембранный метод - аналогичен диафрагменному, но анодное и катодное пространства разделены катионообменной мембраной. Мембранный электролиз обеспечивает получение наиболее чистого каустика.
Технологическая схема электролиза .Основная технологическая стадия - электролиз, основной аппарат - электролитическая ванна, которая состоит из электролизёра, разлагателя и ртутного насоса, объединенных между собой коммуникациями. В электролитической ванне под действием ртутного насоса циркулирует ртуть, проходя через электролизёр и разлагатель. Катодом электролизёра служит поток ртути. Аноды - графитовые или малоизнашивающиеся. Вместе с ртутью через электролизёр непрерывно течёт поток анолита - раствор галита. В результате электрохимического разложения галита на аноде образуются ионы Cl - и выделяется хлор:
2 Cl - - 2е = Cl 2 0 ,
который отводится из электролизёра, а на ртутном катоде образуется слабый раствор натрия в ртути, так называемая амальгама :
Na + + е = Na 0 nNa + + nHg - = Na + HgАмальгама непрерывно перетекает из электролизёра в разлагатель. В разлагатель также непрерывно подаётся хорошо очищенная от примесей вода. В нем амальгама натрия в результате самопроизвольного электрохимического процесса почти полностью разлагается водой с образованием ртути, раствора каустика и водорода:
Na + Hg + Н 2 0 = NaOH + 1/2Н 2 + HgПолученный таким образом раствор каустика, являющийся товарным продуктом, не содержит примеси галита, вредной в производстве вискозы. Ртуть почти полностью освобождается от амальгамы натрия и возвращается в электролизер. Водород отводится на очистку. Анолит, выходящий из электролизера, донасыщают свежим галитом, извлекают из него примеси, внесенные с ним, а также вымываемые из анодов и конструкционных материалов, и возвращают на электролиз. Перед донасыщением из анолита извлекают двух- или трёхступенчатым процессом растворённый в нём хлор.
Лабораторные способы получения
В лаборатории гидроксид натрия получают химическими способами, которые имеют больше историческое, чем практическое значение.
Известковый способ получения гидроксида натрия заключается во взаимодействии раствора соды с известковым молоком при температуре около 80 °C . Этот процесс называется каустификацией; он описывается реакцией:
Na 2 C0 3 + Са (ОН) 2 = 2NaOH + CaC0 3В результате реакции образуется раствор гидроксида натрия и осадок карбоната кальция. Карбонат кальция отделяется от раствора, который упаривается до получения расплавленного продукта, содержащего около 92 % NaOH. Расплавленный NaOH разливают в железные барабаны, где он застывает.
Ферритный способ описывается двумя реакциями:
Na 2 C0 3 + Fe 2 0 3 = Na 2 0 Fe 2 0 3 + C0 2 (1) Na 2 0 Fe 2 0 3 -f H 2 0 = 2 NaOH + Fe 2 O 3 (2)(1) - процесс спекания кальцинированной соды с окисью железа при температуре 1100-1200°С. При этом образуется спек-феррит натрия и выделяется двуокись углерода. Далее спек обрабатывают (выщелачивают) водой по реакции (2); получается раствор гидроксида натрия и осадок Fe 2 O 3 , который после отделения его от раствора возвращается в процесс. Раствор содержит около 400 г/л NaOH. Его упаривают до получения продукта, содержащего около 92 % NaOH.
Химические методы получения гидроксида натрия имеют существенные недостатки: расходуется большое количество топлива, получаемый едкий натр загрязнен примесями, обслуживание аппаратов трудоемко. В настоящее время эти методы почти полностью вытеснены электрохимическим способом производства.
Рынок каустической соды
Мировое производство натра едкого, 2005 год| Производитель | Обьем производства, млн.тонн | Доля в мировом производстве |
|---|---|---|
| DOW | 6.363 | 11.1 |
| Occidental Chemical Company | 2.552 | 4.4 |
| Formosa Plastics | 2.016 | 3.5 |
| PPG | 1.684 | 2.9 |
| Bayer | 1.507 | 2.6 |
| Akzo Nobel | 1.157 | 2.0 |
| Tosoh | 1.110 | 1.9 |
| Arkema | 1.049 | 1.8 |
| Olin | 0.970 | 1.7 |
| Россия | 1.290 | 2.24 |
| Китай | 9.138 | 15.88 |
| Другие | 27.559 | 47,87 |
| Всего: | 57,541 | 100 |
ТР - твердый ртутный (чешуированный);
ТД - твердый диафрагменный (плавленый);
РР - раствор ртутный;
РХ - раствор химический;
РД - раствор диафрагменный.
| Наименование показателя | ТР ОКП 21 3211 0400 | ТД ОКП 21 3212 0200 | РР ОКП 21 3211 0100 | РХ 1 сорт ОКП 21 3221 0530 | РХ 2 сорт ОКП 21 3221 0540 | РД Высший сорт ОКП 21 3212 0320 | РД Первый сорт ОКП 21 3212 0330 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Внешний вид | Чешуирова- нная масса белого цвета. Допускается слабая окраска | Плавленая масса белого цвета. Допускается слабая окраска | Бесцветная прозрачная жидкость | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристалли- зованный осадок | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристалли- зованный осадок | Бесцветная или окрашенная жидкость. Допускается выкристалли- зованный осадок | |
| Массовая доля гидроксида натрия, %, не менее | 98,5 | 94,0 | 42,0 | 45,5 | 43,0 | 46,0 | 44,0 |
| Наименование предприятия | 2005 г. тыс.тонн | 2006 г. тыс.тонн | доля в 2005 г.% | доля в 2006 г.% |
|---|---|---|---|---|
| ОАО «Каустик» , Стерлитамак | 239 | 249 | 20 | 20 |
| ОАО «Каустик» , Волгоград | 210 | 216 | 18 | 18 |
| ОАО «Саянскхимпласт» | 129 | 111 | 11 | 9 |
| ООО «Усольехимпром» | 84 | 99 | 7 | 8 |
| ОАО «Сибур-Нефтехим» | 87 | 92 | 7 | 8 |
| ОАО «Химпром» , Чебоксары | 82 | 92 | 7 | 8 |
| ВОАО «Химпром» , Волгоград | 87 | 90 | 7 | 7 |
| ЗАО «Илимхимпром» | 70 | 84 | 6 | 7 |
| ОАО «КЧХК» | 81 | 79 | 7 | 6 |
| НАК «АЗОТ» | 73 | 61 | 6 | 5 |
| ОАО «Химпром», Кемерово | 42 | 44 | 4 | 4 |
| Итого: | 1184 | 1217 | 100 | 100 |
| Наименование предприятия | 2005 г. тонн | 2006 г. тонн | доля в 2005 г.% | доля в 2006 г.% |
|---|---|---|---|---|
| ОАО «Каустик» , Волгоград | 67504 | 63510 | 62 | 60 |
| ОАО «Каустик» , Стерлитамак | 34105 | 34761 | 31 | 33 |
| ОАО «Сибур-Нефтехим» | 1279 | 833 | 1 | 1 |
| ВОАО «Химпром» , Волгоград | 5768 | 7115 | 5 | 7 |
| Итого: | 108565 | 106219 | 100 | 100 |
Применение
Биодизельное топливо
Треска Lutefisk на праздновании Дня Конституции Норвегии