СОДА, Енциклопедія Навколишній світ
СОДА – карбонат натрію Na2CO3, безбарвна кристалічна речовина, дуже гігроскопічна, що плавиться при 858° С і добре розчинна у воді. При охолодженні насичених водних розчинів соди нижче 32–35° З них виділяються кристали десятиводного карбонату натрію Na2CO3·10H2O – декагідрату карбонату натрію. Якщо упарювати водний розчин соди, то при температурі вище 113° кристалізується безводний карбонат натрію Na2CO3. Безводний карбонат натрію в техніці та побуті називають кальцинованою содою, а десятиводний – кристалічною содою. Є ще гідрокарбонат натрію NaHCO3, більш відомий у побуті та в медицині як питна, або харчова, сода.
Сода була відома людині приблизно за півтори-дві тисячі років до нашої ери, а можливо і раніше. Її видобували з содових озер і витягували з нечисленних родовищ у вигляді мінералів натрону Na2CO3 10H2O, термонатриту Na2CO3 H2O і трони Na2CO3 NaHCO3 2H2O.
Перші відомості про отримання соди шляхом упарювання води содових озер відносяться до 64 і наведені у творі римського лікаря Діоскорида Педання про лікарські речовини. І йому, і алхімікам усіх країн до 18 в. сода представлялася якоюсь речовиною, яка шипіла з виділенням якогось газу при дії на нього відомих на той час кислот - оцтової CH3COOH і сірчаної H2SO4.
Тепер відомо, що шипіння – це результат виділення газоподібного діоксиду вуглецю (вуглекислого газу) CO2 у результаті реакцій
де утворюються ще ацетат натрію Na(CH3COO) та гідросульфат натрію NaHSO4.
За часів Діоскорида Педанія про склад соди ніхто не мав уявлення, адже і діоксид вуглецю відкрив голландський хімік Ян ван Гельмонт (який назвав його «лісовим газом»). тільки через шістсот років
Штучну соду навчилися отримувати післядовгих і болісних пошуків лише у 18 ст. Але спочатку слід було визначити склад цієї речовини, виділивши її в досить чистому вигляді. У 1736 році французький хімік, лікар і ботанік Анрі Луї Дюамель де Монсо, користуючись водою содових озер і застосувавши метод перекристалізації, вперше виділив чисту соду. Йому вдалося встановити, що сода містить хімічний елемент "натр". Роком пізніше Дюамель і німецький хімік Андреас Сигізмунд Маргграф дійшли висновку, що сода Na2CO3 і поташ (карбонат калію K2CO3) – різні речовини, а не те саме, як вважалося раніше.
Дюамель намагався отримати соду, діючи оцтовою кислотою CH3COOH на сульфат натрію Na2SO4. З погляду сучасного хіміка, це абсолютно безглуздо, але Дюамель не знав складу ні того, ні іншого із взятих ним вихідних речовин. Йому було також невідомо, що сильну кислоту (сірчану) не можна витіснити із солей слабкою кислотою (оцтовою). Проте Дюамель зробив цікаве спостереження: при нагріванні суміші сульфату натрію з оцтовою кислотою почали виділятися пари, що спалахнули від полум'я свічки. Це була досить летюча та горюча оцтова кислота.
Історія знає чимало інших, іноді й небезпечних спроб одержати соду. Так, Маргграф із цією метою змішував нітрат натрію з вугіллям, а потім нагрівав суміш. Досвід завершився спалахом суміші, яка обпекла йому обличчя та руки. Маргграф не врахував, що достатньо до суміші нітрату натрію (натрієвої селітри) і вугілля додати сірку, як вийде один із видів пороху.
Щоправда, під час проведення реакції
вдалося отримати трохи соди, але якою ціною!
Перший промисловий спосіб отримання соди зародився в Україні. У 1764 р. український хімік, швед за походженням академік Ерік Густав Лаксман повідомив, що соду можна отримати спіканням природного сульфатунатрію з деревним вугіллям.
При цьому протікає реакція:
Тут крім карбонату натрію Na2CO3 утворюються дві газоподібні речовини - діоксид вуглецю CO2 і діоксид сірки SO2.
Оскільки природний сульфат натрію часто містить домішок карбонату кальцію CaCO3 (вапняку), то цієї реакції супроводжує друга:
де виділяється газоподібний монооксид вуглецю і виходить малорозчинний сульфід кальцію CaS, який при обробці суміші водою відокремлюється від карбонату натрію. Остання стадія процесу – випарювання розчину, відфільтрованого від осаду, та кристалізація карбонату натрію.
Лаксман здійснив отримання соди за своїм способом у 1784 на власному скляному заводі в Тальцинську неподалік Іркутська. На жаль, подальшого розвитку цей спосіб не отримав і незабаром був забутий. Адже ще Петро I в 1720, відповідаючи питанням князя Голіцина, навіщо потрібна «зода», писав: «Зодою пом'якшують шерсть». У 1780 р. український академік Гільденштедт зазначав, що «свербіж можна вшанувати важливим товаром в українській торгівлі. Скляри і барвники багато її витримують, а надалі ще й більше за неї розходитися буде, коли більше робитимуть білого скла».
«Зодою» або «свербінням» називали в Україні соду. Незважаючи на велику кількість власної сировини для виробництва соди її ввозили в Україну з-за кордону аж до 1860 року.
У 1791 р. французький лікар і хімік-технолог Нікола Леблан, нічого не знаючи про спосіб Лаксмана, отримав патент на «Спосіб перетворення глауберової солі в соду» (глауберова сіль – декагідрат сульфату натрію Na2SO4·10H2O). Леблан запропонував для отримання соди сплавляти суміш сульфату натрію, крейди (карбонату кальцію) та деревного вугілля. В описі винаходу він вказував: «Над поверхнею маси, що плавиться, спалахує безліч вогників, схожих навогні свічок. Отримання соди завершується, коли ці вогники зникають.
При сплавленні суміші відбувається відновлення сульфату натрію вугіллям:
Сульфід натрію Na2S, що утворився, взаємодіє з карбонатом кальцію CaCO3:
Після повного вигоряння вугілля та монооксиду вуглецю CO («вогники зникають») розплав охолоджують та обробляють водою. У розчин переходить карбонат натрію, а сульфід кальцію залишається в осаді. Соду можна виділити упарюванням розчину.
Свою технологію отримання соди Леблан запропонував герцогу Пилипу Орлеанському, особистим лікарем якого він був. У 1789 році герцог підписав з Лебланом угоду і виділив йому двісті тисяч срібних ліврів на будівництво заводу. Содовий завод у передмісті Парижа Сен-Жені називався «Франсіада – Сода Леблана» і щодня давав 100–120 кг соди. Під час Французької революції 1793 року герцог Орлеанський був страчений, власність його конфіскована, а содовий завод і сам патент Леблана – націоналізовані. Лише за сім років Леблану повернули розорений завод, відновити який йому вже не вдалося. Останні роки Леблана пройшли у злиднях, а в 1806 він покінчив життя самогубством.
Технологію виробництва соди по Леблану почали використовувати у багатьох країнах Європи. Перший содовий завод такого типу в Укаїні був заснований промисловцем М.Прангом і з'явився в Барнаулі в 1864 році. соди на рік. Цей завод використав нову технологію виробництва соди – аміачний спосіб, винайдений бельгійським інженером-хіміком Ернестом Сольве. З цього часу заводи в Україні та інших країнах, які використовували метод Леблана, не витримавши конкуренції, стали поступово.закриватися: технологія Сольве виявилася економічнішою.
Аміачний спосіб одержання соди був запропонований ще в 1838–1840 англійськими інженерами-хіміками Г.Грей-Дьюаром та Д.Хеммінгом. Вони пропускали через воду газоподібні аміак NH3 та діоксид вуглецю CO2, які при взаємодії дають розчин гідрокарбонату амонію NH4HCO3:
а потім додавали до цього розчину хлорид натрію NaCl, щоб виділити малорозчинний на холоді гідрокарбонат натрію NaHCO3:
Гідрокарбонат натрію відфільтровували і нагріванням перетворювали на соду:
Діоксид вуглецю CO2, необхідний для проведення процесу, отримували з карбонату кальцію СаСО3 – крейди або вапняку – при прожарюванні:
а оксид кальцію CaO, який при цьому виходив, після обробки водою давав гідроксид кальцію Ca(OH)2:
необхідний для отримання аміаку NH3 з хлориду амонію NH4Cl:
Таким чином, аміак постійно перебував у обігу і не витрачався, відходом виробництва залишався лише хлорид кальцію CaCl2.
Ернест Сольве не вніс принципових нововведень у хімічну основу содового процесу англійських інженерів, він лише технологічно оформив виробництво, проте це теж непросто. Зокрема, він застосував тут апарати колонного типу, які дозволили безперервно вести процес і досягти високого виходу продукту.
Переваги аміачного методу над способом Леблана полягали в отриманні більш чистої соди, меншому забрудненні навколишнього середовища та економії палива (оскільки температура тут нижча). Все це призвело до того, що в 1916–1920-х закрилися майже всі заводи, які працювали за методом Леблана.
Першими у світі заводами, що використовують аміачний спосіб отримання соди, стали бельгійський завод у Куйє, побудований за проектом самого Сольве у 1865, таКамсько-Содовий завод Лихачова в Україні, який почав працювати в 1868 році. Український завод був створений полковником Іваном Лихачовим у його маєтку на березі річки Ками в Казанській губернії. Лихачов видобував аміак NH3 шляхом сухої перегонки відходів, які йому постачали майже двісті шкіряних майстерень з усієї округи. Діоксид вуглецю СО2 отримували прожарюванням вапняку, знайденого поблизу. Завод проіснував недовго і вже за чотири роки було закрито через нерентабельність: сильно подорожчали і шкіряні відходи, і кухонна сіль NaCl.
Зараз у світі виробляється кілька мільйонів тонн соди на рік.
Карбонат натрію застосовується в склоробії (це складова шихти – суміші вихідних речовин, з якої виплавляється скло), для отримання мила та інших миючих засобів, в целюлозо-паперовій промисловості (для варіння целюлози). Багато соди споживається у технологічному процесі отримання алюмінію, саме сода йде на обробку вихідної сировини алюмінієвої промисловості – бокситів. Карбонатом натрію нейтралізують кислоти у промислових стоках, у тому числі – при очищенні нафтопродуктів, осаджують із розчинів солей нерозчинні карбонати та гідроксиди, які після прожарювання використовуються як пігменти:
Гідрокарбонат натрію теж не залишається без застосування – він є джерелом вуглекислого газу при випіканні хліба та кондитерських виробів, газованих напоїв, а також у вогнегасниках. Крім того, питна сода, як і раніше, займає своє законне місце в домашній аптечці як одне з найпростіших і найдешевших, але дуже потрібних лікарських засобів.