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碳酸鈉
一種易溶性的碳酸鹽
碳酸鈉（Sodium Carbonate），重要的無(wú)機(jī)化合物，俗稱純堿，又稱蘇打、堿灰。化學(xué)式為Na2CO3，摩爾質(zhì)量為105.988g/mol。碳酸鈉分類屬于鹽，是一種白色吸濕性粉末，無(wú)味無(wú)臭，易溶于水，還溶于甘油，不溶于乙醇、乙醚。水溶液呈強(qiáng)堿性，易與酸發(fā)生中和反應(yīng)，放出二氧化碳，在潮濕的空氣里會(huì)吸潮結(jié)塊，部分變?yōu)?/span>碳酸氫鈉。碳酸鈉的制法有聯(lián)合制堿法、氨堿法、路布蘭法等，也可由天然堿加工精制。碳酸鈉有一水碳酸鈉、七水碳酸鈉和十水碳酸鈉等水合物，其中十水碳酸鈉可以用作洗滌劑。碳酸鈉是冶金、玻璃、化學(xué)、醫(yī)藥、紡織印染等工業(yè)重要的無(wú)機(jī)化工原料。玻璃工業(yè)是制造玻璃的主要原料；冶金工業(yè)中用作助溶劑；醫(yī)藥上用于合成安乃近等藥物；化學(xué)用于制造其他化合物的。
基本信息
中文名
碳酸鈉
英文名
Sodium Carbonate
別名
俗稱純堿，又稱蘇打、堿灰
CAS號(hào)
497-19-8
性質(zhì)
化學(xué)式
Na2CO3
摩爾質(zhì)量
105.988g/mol
外觀
白色吸濕性粉末
氣味
無(wú)味
密度
2.54g/cm
熔點(diǎn)
856oC
溶解性
易溶于水
pH值
11.5
危險(xiǎn)性
NFPA 704
碳酸鈉NFPA 704
相關(guān)歷史
古人蒲林尼（Pliny）發(fā)現(xiàn)由海藻灰可生產(chǎn)出硬皂，而木灰則可以得到軟皂。這樣的發(fā)現(xiàn)一直未得到進(jìn)展，直到1935年蒙可尤（Monceau）才證明海藻灰中的堿含有蘇打，它在化學(xué)上不同于木灰中的堿。
1793年，法國(guó)化學(xué)家勒布朗最早發(fā)明了人工合成純堿的方法，并首先獲得專利，后來(lái)被稱為勒布朗制堿法。但這種方法所制得的純堿純度不高，還會(huì)消耗大量能源。1861年，比利時(shí)化學(xué)家索爾維以食鹽、石灰石、氨為原料制得了碳酸鈉和氯化鈣（稱為氨堿法）。這種方法得到的純堿純度高、質(zhì)量好；1863年索爾維正式創(chuàng)辦了一家制堿工廠，實(shí)現(xiàn)了氨堿法的工業(yè)化。1867年，以氨堿法制得的純堿在法國(guó)巴黎舉行的世界博覽會(huì)上獲得了銅制獎(jiǎng)?wù)拢虼税眽A法被正式命名為索爾維制堿法。這個(gè)消息被英國(guó)哈琴公司得知后與索爾維簽訂了兩年獨(dú)占索爾維制堿法生產(chǎn)純堿的協(xié)議。1873年，哈琴公司改名為卜內(nèi)門公司，建立了以索爾維制堿法為制法的大規(guī)模生產(chǎn)純堿的工廠，后來(lái)在法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家相繼建廠。這幾個(gè)國(guó)家后來(lái)成立了索爾維公會(huì)，并且決定索爾維制堿法今后的技術(shù)改進(jìn)不再對(duì)外公開，不申請(qǐng)專利，直接封鎖了索爾維制堿法的對(duì)外應(yīng)用，最終壟斷了純堿的研制、生產(chǎn)、銷售、價(jià)格。
1943年，中國(guó)科學(xué)家侯德榜對(duì)索爾維法進(jìn)行改進(jìn)，將純堿和合成氨兩大工業(yè)聯(lián)合，同時(shí)生產(chǎn)碳酸鈉和化肥氯化銨，大大提高了食鹽的利用率。原子的利用率達(dá)到了100%。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
碳酸鈉為白色吸濕性粉末，密度為2.54g/cm，熔點(diǎn)為856oC。碳酸鈉為強(qiáng)電解質(zhì)，具有鹽的通性和熱穩(wěn)定性，易溶于水，還溶于甘油，不溶于乙醇、乙醚，在水溶液或熔融狀態(tài)下能導(dǎo)電，并且水溶液有澀味和滑膩感。
不同溫度下碳酸鈉在水中的溶解度 | |||
溫度（oC） | 0 | 20 | 100 |
溶解度（%） | 7.1 | 17.8 | 45.5 |
水合物
一水碳酸鈉（Na2CO3·H2O）為無(wú)色正交結(jié)晶或白色結(jié)晶粉末，含有85.48%的碳酸鈉和14.52%的結(jié)晶水。當(dāng)溫度高于35.4℃時(shí)，它可以從飽和溶液中析出結(jié)晶；當(dāng)與飽和溶液接觸時(shí)，在109℃轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕c。
七水碳酸鈉（Na2CO3·7H2O），含有45.7%的碳酸鈉和54.3%的結(jié)晶水，它的穩(wěn)定范圍狹小，僅在32℃~35.4℃間存在，所以沒有工業(yè)價(jià)值。
十水碳酸鈉（Na2CO3·10H2O）為無(wú)色單斜透明晶體，含有37.06%的碳酸鈉和62.94%的結(jié)晶水，它可以從32℃~-2.1℃的飽和溶液中結(jié)晶出來(lái)。這種結(jié)晶在干燥空氣中容易風(fēng)化，生成一水碳酸鈉。
化學(xué)性質(zhì)
碳酸鈉可以與多種酸、堿、鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。碳酸鈉水溶液呈堿性，可以使無(wú)色酚酞溶液變紅，有一定的腐蝕性，能與酸進(jìn)行中和反應(yīng)，生成相應(yīng)的鹽并放出二氧化碳。高溫可分解，生成氧化鈉和二氧化碳。長(zhǎng)期暴露在空氣中能吸收空氣中的水分和二氧化碳生成碳酸氫鈉，并結(jié)成硬塊。純堿粉塵對(duì)人體皮膚、呼吸道和眼睛有刺激性作用，其濃溶液可引起皮膚灼傷、壞死等。
碳酸鈉水解
上述反應(yīng)導(dǎo)致溶液中H減少，剩下電離的OH，故溶液最終顯堿性。
高溫分解
高溫分解，生成氧化鈉和二氧化碳。
中和反應(yīng)
碳酸鈉能與一切可溶性酸進(jìn)行中和反應(yīng)，生成相應(yīng)的鹽并放出二氧化碳。
與鹽反應(yīng)
與氧化物反應(yīng)
碳酸鈉長(zhǎng)期暴露在空氣中吸收空氣中的水分和二氧化碳生成碳酸氫鈉，并結(jié)成硬塊。
制備方法
在人工合成純堿之前，古代就發(fā)現(xiàn)某些海藻晾曬后，燒成的灰燼中含有堿類，用熱水浸取、濾清后可得褐色堿液用來(lái)洗滌。大量的天然堿來(lái)自礦物，以地下埋藏和堿水湖為主。而人工合成純堿的方法有聯(lián)合制堿法、氨堿法、勒布朗法，其中勒布朗制堿法所制的碳酸鈉是以碳酸鈉為主要的純堿粗制品，還需要經(jīng)過浸取、蒸發(fā)、精制、再結(jié)晶、烘干，才能獲得純度約為97%的純堿，這樣會(huì)消耗大量能源，故這種方法慢慢被索爾發(fā)明的氨堿法取代，索爾維的氨堿法制得的純堿純度高、質(zhì)量好，但是氨堿法會(huì)生成大量的副產(chǎn)物氯化鈣廢料，使得原子利用率僅48.8%左右；而侯氏制堿法產(chǎn)生的副產(chǎn)物氯化銨可以直接當(dāng)成肥料使用，使得原子的利用率達(dá)到了100%。
勒布朗制堿法
1791年，法國(guó)化學(xué)家勒布朗成功地以食鹽為原料生產(chǎn)出碳酸鈉。將氯化鈉與濃硫酸混合，在800℃~900℃下，反應(yīng)產(chǎn)生氯化氫氣體，并得到固體硫酸鈉；再將硫酸鈉固體粉碎，并混合于炭和石灰石中，再次放回加熱爐中用1000℃高溫加熱。
反應(yīng)方程如下：
氨堿法
1861年，比利時(shí)化學(xué)工程師索爾維（ErnestSolvay，1838-1922）發(fā)明了氨堿法，以食鹽、石灰石和氨為主要原料。石灰石在石灰窯中煅燒為石灰和二氧化碳。將氨及二氧化碳（由石灰石分解而得）先后通入飽和鹽水中生成碳酸氫鈉沉淀，再經(jīng)過濾、洗滌、煅燒等步驟而制得產(chǎn)品純堿。濾液與石灰乳混合加熱所蒸出的氨和煅燒碳酸氫鈉所放出的二氧化碳可回收循環(huán)使用。
反應(yīng)方程如下：
侯氏制堿法
1943年，侯德榜在索爾維制堿法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)明了侯氏制堿法。侯氏制堿法是將合成氨法與氨堿法工藝聯(lián)合，同時(shí)生產(chǎn)純堿和氯化銨的方法。以食鹽、氨和二氧化碳（合成氨工業(yè)的副產(chǎn)品）為原料，將氨與二氧化碳先后通入飽和鹽水中，生成碳酸氫鈉沉淀，經(jīng)過濾、洗滌、煅燒可以得產(chǎn)品純堿。在濾液中通入氨和加入食鹽并進(jìn)行冷凍，使氯化銨析出，經(jīng)過濾、洗滌、干燥而得氯化銨。此時(shí)由食鹽所飽和的濾液，可再通入氨和二氧化碳，循環(huán)使用。
反應(yīng)方程如下：
侯德榜制堿法示意圖
用途
鋼鐵工業(yè)
煉鋼時(shí)用純堿來(lái)脫硫和加大熔渣的流動(dòng)性，使熔渣和鋼水易于分開。生鐵在鑄造過程中如果沒有提前除去雜質(zhì)，很容易脆裂，造成損失。生鐵中雜質(zhì)以硫、磷危害最大，在化鐵時(shí)加入純堿，使硫變成二氧化硫和三氧化硫氣體逸出，此時(shí)純堿中的氧化鈉可以與三氧化硫和磷的氧化物反應(yīng)，最終變成熔渣除去。
煉鋁工業(yè)
鋁在現(xiàn)代的國(guó)防工業(yè)和生活用品中的需用量很大。純堿是煉鋁工業(yè)的主要原料之一，每煉1噸鋁需純堿400kg左右。在石灰燒結(jié)煉鋁過程中，利用純堿使氧化鋁轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉，使礦石中的氧化硅轉(zhuǎn)化為不溶性的硅酸鈣，從而與鋁酸鈉分離。
玻璃工業(yè)
純堿是玻璃工業(yè)的主要原料，它可以提供玻璃不可或缺的原料氧化鈉，還可以降低石英砂的熔化溫度。制造平板玻璃和一般的玻璃器皿，每噸耗純堿達(dá)200kg。由于玻璃制造過程中工藝和設(shè)備上的要求，一般要求純堿的粒度細(xì)一點(diǎn)，含鹽少一點(diǎn)。
化學(xué)工業(yè)
化學(xué)工業(yè)對(duì)純堿有很大的需求量，化工原料和試劑中的鈉鹽和碳酸鹽，基本上是以純堿為原料，例如硝酸鈉、亞硝酸鈉、硅酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸鈉、燒堿、氟化鈉等鈉鹽和碳酸鋇、碳酸鎳、碳酸鈣、碳酸鎂等碳酸鹽。
醫(yī)藥工業(yè)
紡織印染工業(yè)
食品
碳酸鈉可以作為一種食品膨松劑，主要應(yīng)用于饅頭、面包等需要經(jīng)過發(fā)面團(tuán)的食品制作過程中。面團(tuán)在發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生酸類物質(zhì)，加入純堿后，中和了酸，并且在此過程中產(chǎn)生二氧化碳使面團(tuán)膨松。碳酸鈉還可作為面制品改良劑，在水中加入碳酸鈉，再摻入面粉中，可提高面條的韌性，使之更加筋道，俗稱堿水面。
攝像
安全事宜
安全標(biāo)識(shí)
象形圖 |  刺激 |
GHS分類
GHS | 危險(xiǎn)說(shuō)明 | 危險(xiǎn)等級(jí) |
H319 | 引起嚴(yán)重的眼睛刺激 | 嚴(yán)重的眼睛損傷/眼睛刺激 |
貯存與運(yùn)輸
碳酸鈉應(yīng)儲(chǔ)存在通風(fēng)、干燥的庫(kù)房?jī)?nèi)。包裝需要密封，以防止吸水而結(jié)塊。不可與酸類物品、銨鹽和有毒、有味產(chǎn)品共儲(chǔ)。運(yùn)輸時(shí)包裝要完整，裝載應(yīng)穩(wěn)妥。運(yùn)輸過程中要確保容器不泄漏、不倒塌、不墜落、不損壞。嚴(yán)禁與酸類、食用化學(xué)品等混裝混運(yùn)。運(yùn)輸途中應(yīng)防曝曬、雨淋，防高溫。車輛運(yùn)輸完畢應(yīng)進(jìn)行徹底清掃。
毒理學(xué)資料
小鼠經(jīng)口LD50的6g/kg，犬連續(xù)3~4周投藥量150g，出現(xiàn)腹瀉、嘔吐致死。ADI（Acceptable Daily Intake）沒有特殊規(guī)定，F(xiàn)DA(Food and Drug Administration)將其列為一般公認(rèn)安全物質(zhì)。
健康危害
碳酸鈉粉塵對(duì)皮膚、呼吸道和眼睛有刺激作用，長(zhǎng)時(shí)間接觸本品溶液可能出現(xiàn)濕疹、皮膚松軟、皮炎等病癥。
急救措施
吸入：脫離現(xiàn)場(chǎng)移至空氣清新的地方進(jìn)行休息，如呼吸困難，進(jìn)行輸氧，然后就醫(yī)。
食入：用水漱口，喝牛奶或蛋清，然后就醫(yī)。
皮膚接觸：立即脫去污染的衣著，用大量流動(dòng)的清水進(jìn)行沖洗至少15分鐘，然后就醫(yī)。
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