Siarczan sodu - Sodium sulfate

Siarczan sodu
Siarczan sodu.svg
Siarczan sodu.jpg
Nazwy
Inne nazwy
Siarczan sodu Siarczan
disodu
Siarczan sodu
Thenardyt (minerał bezwodny)
Sól Glaubera (dekahydrat)
Sal mirabilis (dekahydrat)
Mirabilit (minerał dekahydrat)
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
CZEBI
CHEMBL
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA 100.028.928 Edytuj to na Wikidata
Numer E E514(i) (regulatory kwasowości, ...)
Identyfikator klienta PubChem
Numer RTECS
UNII
  • InChI=1S/2Na.H2O4S/c;;1-5(2,3)4/h;;(H2,1,2,3,4)/q2*+1;/p-2 sprawdzaćTak
    Klucz: PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L sprawdzaćTak
  • InChI=1S/2Na.H2O4S/c;;1-5(2,3)4/h;;(H2,1,2,3,4)/q2*+1;/p-2
  • InChI=1S/2Na.H2O4S/c;;1-5(2,3)4/h;;(H2,1,2,3,4)/q2*+1;/p-2
    Klucz: PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L
  • [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O
Nieruchomości
Na 2 SO 4
Masa cząsteczkowa 142,04 g/mol (bezwodny)
322,20 g/mol (dekahydrat)
Wygląd zewnętrzny białe krystaliczne ciało stałe
higroskopijne
Zapach bezwonny
Gęstość 2,664 g / cm 3 (bezwodna)
1,464 g / cm 3 (dekawodzian)
Temperatura topnienia 884 °C (1623 °F; 1157 K) (bezwodny)
32,38 °C (dekahydrat)
Temperatura wrzenia 1429 ° C (2604 ° F; 1,702 K) (bezwodny)
bezwodny:
4,76 g/100 ml (0 °C)
28,1 g/100 ml (25°C)
42,7 g/100 ml (100 °C)
heptahydrat:
19,5 g/100 ml (0 °C)
44 g/100 ml (20 °C)
Rozpuszczalność nierozpuszczalny w etanolu
rozpuszczalny w glicerynie , wodzie i jodowodorze
-52,0 x 10 -6 cm 3 / mol
1.468 (bezwodny)
1.394 (dekahydrat)
Struktura
rombowy (bezwodny)
jednoskośny (dekahydrat)
Farmakologia
A06AD13 ( KTO ) A12CA02 ( KTO )
Zagrożenia
Główne zagrożenia Drażniący
Arkusz danych dotyczących bezpieczeństwa Patrz: strona danych
ICSC 0952
NFPA 704 (ognisty diament)
1
0
0
Temperatura zapłonu Nie palne
Związki pokrewne
Inne aniony
Sodu selenian
sodu tellurate
Inne kationy
Siarczan litu Siarczan
potasu Siarczan
rubidu Siarczan
cezu
Związki pokrewne
Wodorosiarczan
sodu Siarczyn
sodu Nadsiarczan sodu
Strona z danymi uzupełniającymi
Współczynnik załamania ( n ),
stała dielektrycznar ) itp.

Dane termodynamiczne
Zachowanie fazowe
ciało stałe-ciecz-gaz
UV , IR , NMR , MS
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
sprawdzaćTak zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćTak☒n
Referencje do infoboksu

Siarczan sodu (znany również jako siarczan sodu lub siarczan sodowo ) stanowi związek nieorganiczny o wzorze Na 2 SO 4 oraz powiązanych z nim hydratu . Wszystkie formy są białymi ciałami stałymi, które są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Przy rocznej produkcji 6 milionów ton dekahydrat jest głównym towarem chemicznym. Stosowany jest głównie jako wypełniacz w produkcji sproszkowanych domowych środków piorących oraz w procesie roztwarzania papieru Kraft do wytwarzania silnie alkalicznych siarczków .

Formularze

  • Bezwodny siarczan sodu, znany jako rzadki mineralny thenardyt , stosowany jako środek suszący w syntezie organicznej .
  • Siedmiowodny siarczan sodu, bardzo rzadka forma.
  • Dekahydrat siarczanu sodu, znany jako mineralny mirabilit , szeroko stosowany w przemyśle chemicznym . Znana jest również jako sól Glaubera.

Historia

Dekahydrat siarczanu sodu jest znany jako sól Glaubera na cześć holenderskiego / niemieckiego chemika i aptekarza Johanna Rudolfa Glaubera (1604-1670), który odkrył go w 1625 roku w austriackiej wodzie źródlanej. Nazwał ją sal mirabilis (cudowna sól), ze względu na jej właściwości lecznicze: kryształy były używane jako środek przeczyszczający ogólnego przeznaczenia , dopóki w 1900 nie pojawiły się bardziej wyrafinowane alternatywy.

W XVIII wieku sól glaubera zaczęła być wykorzystywana jako surowiec do przemysłowej produkcji sody kalcynowanej ( węglan sodu ), w reakcji z potasem ( węglanem potasu ). Wzrósł popyt na sodę kalcynowaną, a podaż siarczanu sodu musiała rosnąć w kolejce. Dlatego w XIX wieku główną metodą produkcji sody kalcynowanej stał się wielkoskalowy proces Leblanc, polegający na wytwarzaniu syntetycznego siarczanu sodu jako kluczowego produktu pośredniego.

Właściwości chemiczne

Siarczan sodu jest typowym elektrostatycznie związanym siarczanem jonowym . Na istnienie wolnych jonów siarczanowych w roztworze wskazuje łatwe tworzenie nierozpuszczalnych siarczanów, gdy te roztwory traktuje się solami Ba 2+ lub Pb 2+ :

Na 2 SO 4 + BACI 2 → 2 NaCI + BaSO 4

Siarczan sodu jest niereaktywny w stosunku do większości środków utleniających lub redukujących . W wysokich temperaturach może zostać przekształcony w siarczek sodu przez redukcję karbotermiczną (inaczej termochemiczną redukcję siarczanu (TSR), ogrzewanie w wysokiej temperaturze węglem drzewnym itp.):

Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Reakcja ta została wykorzystana w procesie Leblanc , nieczynnej drodze przemysłowej do węglanu sodu .

Siarczan sodu reaguje z kwasem siarkowym, dając kwaśną sól wodorosiarczan sodu :

Na 2 SO 4 + H 2 SO 4 ⇌ 2 NaHSO 4

Siarczan sodu wykazuje umiarkowaną tendencję do tworzenia soli podwójnych . Jedynymi ałuny utworzone z typowych metali trójwartościowych są NaAl (SO 4 ) 2 (niestabilny powyżej 39 ° C) i NaCr (SO 4 ) 2 , w przeciwieństwie do siarczanu potasu i siarczanu amonowego , które tworzą wiele ałuny stabilne. Podwójne sole innych siarczanów metali alkalicznych, są znane, łącznie z Na 2 SO 4 · 3K 2 SO 4 , który występuje naturalnie jako mineralny aphthitalite . Powstawanie glaserite przez reakcję siarczanu sodu z chlorku potasu, zostały wykorzystane jako podstawa do sposobu wytwarzania siarczanu potasu , do nawozu . Inne podwójne sole obejmują 3NA 2 SO 4 · CaSO 4 , 3NA 2 SO 4 · MgSO 4 ( vanthoffite ) i NaF · Na 2 SO 4 .

Właściwości fizyczne

Siarczan sodu ma niezwykłe właściwości rozpuszczalności w wodzie. Jego rozpuszczalność w wodzie wzrasta ponad dziesięciokrotnie między 0 °C a 32,384 °C, gdzie osiąga maksimum 49,7 g/100 ml. W tym momencie krzywa rozpuszczalności zmienia nachylenie, a rozpuszczalność staje się prawie niezależna od temperatury. Ta temperatura 32,384°C, odpowiadająca uwolnieniu wody krystalicznej i stopieniu uwodnionej soli, służy jako dokładna temperatura odniesienia do kalibracji termometru .

Zależność temperaturowa rozpuszczalności Na 2 SO 4 w wodzie

Struktura

Kryształy dekahydratu składają się z jonów [Na(OH 2 ) 6 ] + o oktaedrycznej geometrii cząsteczkowej . Te oktaedry mają wspólne krawędzie, tak że 8 z 10 cząsteczek wody jest związanych z sodem, a 2 inne są śródmiąższowe, tworząc wiązania wodorowe z siarczanem. Kationy te są połączone z anionami siarczanowymi wiązaniami wodorowymi . Odległości Na–O wynoszą około 240  pm . Krystaliczny dekahydrat siarczanu sodu jest również niezwykły wśród soli uwodnionych, ponieważ ma mierzalną entropię resztkową (entropia przy zera absolutnym ) wynoszącą 6,32 J/(K·mol). Przypisuje się to jego zdolności do znacznie szybszego rozprowadzania wody w porównaniu z większością hydratów.

Produkcja

Światowa produkcja siarczanu sodu, prawie wyłącznie w postaci dekahydratu, wynosi około 5,5 do 6 mln ton rocznie (Mt/rok). W 1985 r. produkcja wynosiła 4,5 Mt/rok, z czego połowa pochodziła ze źródeł naturalnych, a połowa z produkcji chemicznej. Po 2000 r., na stabilnym poziomie do 2006 r., produkcja naturalna wzrosła do 4 Mt/r, a produkcja chemiczna spadła do 1,5 do 2 Mt/r, osiągając łącznie 5,5 do 6 Mt/r. We wszystkich zastosowaniach naturalnie wytwarzany i wytwarzany chemicznie siarczan sodu są praktycznie wymienne.

Naturalne źródła

Dwie trzecie światowej produkcji dekahydratu (sól glaubera) pochodzi z naturalnej mineralnej postaci mirabilitu , występującej na przykład w dnach jezior w południowym Saskatchewan . W 1990 roku Meksyk i Hiszpania były głównymi światowymi producentami naturalnego siarczanu sodu (każdy około 500 000  ton ), przy czym Rosja , Stany Zjednoczone i Kanada po około 350 000 ton. Zasoby naturalne szacuje się na ponad 1 miliard ton.

Główni producenci 200 000 do 1 500 000 ton rocznie w 2006 r. to Searles Valley Minerals (Kalifornia, USA), Airborne Industrial Minerals (Saskatchewan, Kanada), Química del Rey (Coahuila, Meksyk), Minera de Santa Marta i Criaderos Minerales Y Derivados, również znana jako Grupo Crimidesa (Burgos, Hiszpania), Minera de Santa Marta (Toledo, Hiszpania), Sulquisa (Madryt, Hiszpania), Chengdu Sanlian Tianquan Chemical ( powiat Tianquan , Sichuan, Chiny), Hongze Yinzhu Chemical Group ( dystrykt Hongze , Jiangsu, Chiny), Nafine Chemical Industry Group  [ zh ] (Shanxi, Chiny), prowincja Syczuan Chuanmei Mirabilite (万胜镇 [ zh ] , dystrykt Dongpo , Meishan , Syczuan, Chiny) oraz Kuchuksulfat JSC (Kraj Ałtajski, Syberia, Rosja).

Bezwodny siarczan sodu występuje w suchych środowiskach jako mineralny thenardyt . W wilgotnym powietrzu powoli zamienia się w mirabilit. Siarczan sodu występuje również jako glauberyt , minerał siarczanu sodu i wapnia. Oba minerały są mniej powszechne niż mirabilit.

Przemysł chemiczny

Około jedna trzecia światowego siarczanu sodu jest produkowana jako produkt uboczny innych procesów w przemyśle chemicznym. Większość tej produkcji jest chemicznie nieodłączna dla procesu pierwotnego i tylko marginalnie ekonomiczna. Dzięki wysiłkom przemysłu spada zatem produkcja siarczanu sodu jako produktu ubocznego.

Najważniejszym chemicznym wytwarzaniem siarczanu sodu jest produkcja kwasu solnego , albo z chlorku sodu (soli) i kwasu siarkowego , w procesie Mannheim , albo z dwutlenku siarki w procesie Hargreavesa . Powstały w tych procesach siarczan sodu jest znany jako placek solny .

Mannheim: 2 NaCI + H 2 SO 4 → 2 HCI + Na 2 SO 4
Hargreaves: 4 NaCl + 2 SO 2 + O 2 + 2 H 2 O → 4 HCl + 2 Na 2 SO 4

Drugim ważnym produkcji siarczanu sodu są procesy, w których nadmiar wodorotlenku sodu zostaje zneutralizowane za pomocą kwasu siarkowego, co stosowane na dużą skalę do produkcji sztucznego jedwabiu . Ta metoda jest również regularnie stosowanym i wygodnym preparatem laboratoryjnym.

2 NaOH( aq ) + H 2 SO 4 (aq) → Na 2 SO 4 (aq) + 2 H 2 O( l ) ΔH = -112,5 kJ (wysoce egzotermiczny)

W laboratorium może być również syntetyzowany w reakcji pomiędzy wodorowęglanu sodu i siarczanu magnezu .

2 NaHCO 3 + MgSO 4 → Na 2 SO 4 + Mg(OH) 2 + 2 CO 2

Jednakże, ponieważ źródła komercyjne są łatwo dostępne, synteza laboratoryjna nie jest często praktykowana. Dawniej siarczan sodu był również produktem ubocznym wytwarzania dwuchromianu sodu , gdzie kwas siarkowy jest dodawany do roztworu chromianu sodu, tworząc dwuchromian sodu, a następnie kwas chromowy. Alternatywnie, siarczan sodu jest lub powstał przy produkcji węglanu litu , środków chelatujących , rezorcynolu , kwasu askorbinowego , pigmentów krzemionkowych , kwasu azotowego i fenolu .

Masowy siarczan sodu jest zwykle oczyszczany w postaci dekahydratu, ponieważ postać bezwodna ma tendencję do przyciągania związków żelaza i związków organicznych . Forma bezwodna jest łatwo wytwarzana z formy uwodnionej poprzez delikatne podgrzewanie.

Do głównych producentów produktów ubocznych siarczanu sodu w ilości 50-80 Mt/rok w 2006 r. należą: Elementis Chromium (przemysł chromowy, Castle Hayne, NC, USA), Lenzing AG (200 Mt/rok, przemysł sztucznego jedwabiu, Lenzing, Austria), Addiseo (dawniej Rhodia, przemysł metioninowy, Les Roches-Roussillon, Francja), Elementis (przemysł chromowy, Stockton-on-Tees, Wielka Brytania), Shikoku Chemicals (Tokushima, Japonia) i Visko-R (przemysł sztuczny jedwab, Rosja).

Aplikacje

Siarczan sodu używany do suszenia cieczy organicznej. Tutaj tworzą się grudki, wskazujące na obecność wody w cieczy organicznej.
Przez dalsze nanoszenie siarczanu sodu ciecz można doprowadzić do suchości, wskazanej tutaj brakiem zbrylania.

Branże towarowe

Przy cenach w USA wynoszących 30 USD za tonę w 1970 r., do 90 USD za tonę w przypadku makuchów solnych i 130 USD za tonę lepszych gatunków, siarczan sodu jest bardzo tanim materiałem. Największe zastosowanie ma jako wypełniacz w sproszkowanych domowych środkach piorących, zużywający około. 50% światowej produkcji. To zastosowanie zanika, ponieważ konsumenci domowi coraz częściej przestawiają się na detergenty kompaktowe lub płynne, które nie zawierają siarczanu sodu.

Innym ważnym wcześniej zastosowaniem siarczanu sodu, zwłaszcza w USA i Kanadzie, jest proces Krafta do produkcji pulpy drzewnej . Substancje organiczne obecne w „czarnym ługu” z tego procesu są spalane w celu wytworzenia ciepła potrzebnego do prowadzenia redukcji siarczanu sodu do siarczku sodu . Jednak ze względu na postępy w wydajności cieplnej procesu odzyskiwania Krafta na początku lat 60. osiągnięto bardziej wydajne odzyskiwanie siarki i drastycznie zmniejszono potrzebę uzupełniania siarczanu sodu. W związku z tym zużycie siarczanu sodu w przemyśle celulozowym w USA i Kanadzie spadło z 1 400 000 ton rocznie w 1970 r. do zaledwie ok. 3 tys. 150 000 ton w 2006 roku.

Przemysł szklarski zapewnia kolejne znaczące zastosowanie siarczanu sodu, jako drugie co do wielkości zastosowanie w Europie. Siarczan sodu jest używany jako środek klarujący , aby pomóc usunąć małe pęcherzyki powietrza z roztopionego szkła. Upłynnia szkło i zapobiega tworzeniu się piany w stopionym szkle podczas rafinacji. Przemysł szklarski w Europie zużywa od 1970 do 2006 roku stabilne 110 000 ton rocznie.

Siarczan sodu jest ważny w produkcji tekstyliów , szczególnie w Japonii, gdzie ma największe zastosowanie. Siarczan sodu jest dodawany w celu zwiększenia siły jonowej roztworu, a tym samym pomaga w „wyrównywaniu”, redukując ujemne ładunki elektryczne na włóknach tekstylnych, dzięki czemu barwniki mogą przenikać równomiernie (patrz teoria podwójnej warstwy dyfuzyjnej (DDL) opracowana przez Gouy i Chapman ). W przeciwieństwie do alternatywnego chlorku sodu , nie powoduje korozji naczyń ze stali nierdzewnej używanych do barwienia. Ta aplikacja w Japonii i USA zużyła w 2006 roku około 100 000 ton.

Przemysł spożywczy

Siarczan sodu jest używany jako rozcieńczalnik do barwników spożywczych. Jest znany jako dodatek do numeru E E514 .

Magazynowanie termiczne

Wysoka zdolność magazynowania ciepła przy przemianie fazowej ze stałego na ciekły oraz korzystna temperatura przemiany fazowej 32 ° C (90 ° F) sprawia, że ​​materiał ten jest szczególnie odpowiedni do przechowywania ciepła słonecznego niskiej jakości do późniejszego uwolnienia w zastosowaniach ogrzewania pomieszczeń. W niektórych zastosowaniach materiał jest wprowadzany do płytek termicznych, które są umieszczane na poddaszu, podczas gdy w innych zastosowaniach sól jest włączana do ogniw otoczonych wodą ogrzewaną energią słoneczną. Zmiana fazy pozwala na znaczne zmniejszenie masy materiału potrzebnego do efektywnego magazynowania ciepła (ciepło topnienia dekahydratu siarczanu sodu wynosi 82 ​​kJ/mol lub 252 kJ/kg), z dodatkową korzyścią w postaci niezmienności temperatury tak długo ponieważ dostępna jest wystarczająca ilość materiału w odpowiedniej fazie.

W zastosowaniach chłodniczych mieszanina ze zwykłą solą chlorku sodu (NaCl) obniża temperaturę topnienia do 18°C ​​(64°F). Ciepło topnienia NaCl · Na 2 SO 4 · 10H 2 O rzeczywiście wzrósł nieznacznie do 286 kJ / kg.

Aplikacje na małą skalę

W laboratorium bezwodny siarczan sodu jest szeroko stosowany jako obojętny środek suszący , do usuwania śladów wody z roztworów organicznych. Jest wydajniejszy, ale wolniej działający, niż podobny środek siarczan magnezu . Jest skuteczny tylko w temperaturze poniżej około 30 °C, ale można go stosować z różnymi materiałami, ponieważ jest dość obojętny chemicznie. Do roztworu dodaje się siarczan sodu, aż kryształy przestaną się zlepiać; dwa klipy wideo (patrz powyżej) pokazują, jak kryształy zbijają się, gdy są jeszcze mokre, ale niektóre kryształy swobodnie przepływają po wyschnięciu próbki.

Sól glaubera, dekahydrat, jest używana jako środek przeczyszczający . Skutecznie usuwa z organizmu niektóre leki, takie jak paracetamol (acetaminofen), np. po przedawkowaniu.

W 1953 roku zaproponowano siarczan sodu do magazynowania ciepła w pasywnych słonecznych systemach grzewczych . Wykorzystuje to jego niezwykłe właściwości rozpuszczalności i wysokie ciepło krystalizacji (78,2 kJ/mol).

Inne zastosowania siarczanu sodu obejmują odmrażanie okien, produkcję skrobi , jako dodatek do odświeżaczy dywanów i jako dodatek do paszy dla bydła.

Co najmniej jedna firma, Thermaltake, produkuje matę chłodzącą do laptopa (iXoft Notebook Cooler) przy użyciu dekahydratu siarczanu sodu wewnątrz pikowanej plastikowej podkładki. Materiał powoli zamienia się w ciecz i recyrkuluje, wyrównując temperaturę laptopa i działając jako izolacja.

Bezpieczeństwo

Chociaż siarczan sodu jest ogólnie uważany za nietoksyczny, należy się z nim obchodzić ostrożnie. Pył może powodować przejściową astmę lub podrażnienie oczu; temu ryzyku można zapobiec, stosując ochronę oczu i papierową maskę. Transport nie jest ograniczony i nie obowiązują żadne Zwroty Ryzyka ani Zwroty Bezpieczeństwa .

Bibliografia

Zewnętrzne linki