Гидроксид натрия

Эквивалент в окислительно-восстановительных реакциях

Фактор эквивалентности соединений в окислительно-восстановительных реакциях равен:

f_экв(X) = 1/n,                (2.5)

где n – число отданных или присоединенных электронов.

Для определения фактора эквивалентности рассмотрим три уравнения реакций с участием перманганата калия:

2KMnO₄ + 5Na₂SO₃ + 3H₂SO₄ = 5Na₂SO₄ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O.

2KMnO₄ + 2Na₂SO₃ + H₂O = 2Na₂SO₄ + 2MnO₂ + 2KOH.

2KMnO₄ + Na₂SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + K₂MnO₄ + Na₂MnO₄ + H₂O.

В результате получаем следующую схему превращения KMnO₄.

в кислой среде: Mn+7 + 5e = Mn+2

в нейтральной среде: Mn+7 + 3e = Mn+4

в щелочной среде: Mn+7 + 1e = Mn+6

 Схема превращений KMnO₄ в различных средах

Таким образом, в первой реакции f_экв(KMnO₄) = 1/5, во второй – f_экв(KMnO₄) = 1/3, в третьей – f_экв(KMnO₄) = 1.

Следует подчеркнуть, что фактор эквивалентности дихромата калия, реагирующего в качестве окислителя в кислой среде, равен 1/6:

Cr₂O₇2- + 6e + 14H+ = 2 Cr3+ + 7H₂O

Производство

Гидроксид натрия промышленно производится в виде 50% -ного раствора с помощью электролитического хлорщелочного процесса . В этом процессе также образуется газообразный хлор . Из этого раствора испарением воды получают твердый гидроксид натрия. Твердый гидроксид натрия чаще всего продается в виде хлопьев, гранул и литых блоков.

В 2004 году мировое производство было оценено в 60 миллионов сухих тонн гидроксида натрия, а спрос оценивался в 51 миллион тонн. В 1998 году общее мировое производство составляло около 45 миллионов тонн . Северная Америка и Азия произвели около 14 миллионов тонн, в то время как Европа произвела около 10 миллионов тонн. В Соединенных Штатах основным производителем гидроксида натрия является компания Olin, которая ежегодно производит около 5,7 миллионов тонн на площадках во Фрипорте , штат Техас, и в Плакемине , штат Луизиана, Сент-Габриэль, Луизиана, Макинтош, Алабама, Чарльстон, Теннесси, Ниагарафоллс, Нью-Йорк. Йорк и Беканкур, Канада. К другим крупным производителям в США относятся Oxychem , Westlake , Shintek и Formosa . Все эти компании используют процесс хлористой щелочи .

Исторически сложилось так , гидроксид натрия получают путем обработки карбоната натрия с гидроксидом кальция в реакции метатезиса , которое использует тот факт , что гидроксид натрия растворим, в то время как карбонат кальция не является. Этот процесс получил название каустизации.

Са (ОН)2(водн.) + Na2CO3(s) → CaCO3(т) + 2 NaOH (водн.)

Этот процесс был вытеснен процессом Solvay в конце 19 века, который, в свою очередь, был вытеснен процессом хлористой щелочи, который мы используем сегодня.

Гидроксид натрия также получают путем объединения чистого металлического натрия с водой. Побочными продуктами являются газообразный водород и тепло, часто приводящие к возникновению пламени.

2 Na + 2 H2О → 2 NaOH + Н2

Эта реакция обычно используется для демонстрации реакционной способности щелочных металлов в академической среде; однако это коммерчески нецелесообразно, поскольку выделение металлического натрия обычно проводят восстановлением или электролизом соединений натрия, включая гидроксид натрия.

Эквивалент в кислотно-основных реакциях

На примере взаимодействия ортофосфорной кислоты со щелочью с образованием дигидро-, гидро- и среднего фосфата рассмотрим эквивалент вещества H₃PO₄.

H₃PO₄ + NaOH = NaH₂PO₄ + H₂O, f_экв(H₃PO₄) =1.

H₃PO₄ + 2NaOH = Na₂HPO₄ + 2H₂O, f_экв(H₃PO₄) =1/2.

H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O, f_экв(H₃PO₄) =1/3.

Эквивалент NaOH соответствует формульной единице этого вещества, так как фактор эквивалентности NaOH равен единице. В первом уравнении реакции молярное соотношение реагентов равно 1:1, следовательно, фактор эквивалентности H₃PO₄ в этой реакции равен 1, а эквивалентом является формульная единица вещества H₃PO₄.

Во втором уравнении реакции молярное отношение реагентов H₃PO₄ и NaOH составляет 1:2, т.е. фактор эквивалентности H₃PO₄ равен 1/2 и её эквивалентом является 1/2 часть формульной единицы вещества H₃PO₄ .

В третьем уравнении реакции количество веществ реагентов относятся друг к другу как 1:3. Следовательно, фактор эквивалентности H₃PO₄ равен 1/3, а её эквивалентом является 1/3 часть формульной единицы вещества H₃PO₄.

Таким образом, эквивалент вещества зависит от вида химического превращения, в котором принимает участие рассматриваемое вещество.

Следует обратить внимание на эффективность применения закона эквивалентов: стехиометрические расчёты упрощаются при использовании закона эквивалентов, в частности, при проведении этих расчётов отпадает необходимость записывать полное уравнение химической реакции и учитывать стехиометрические коэффициенты. Например, на взаимодействие без остатка 0,25 моль-экв ортофосфата натрия потребуется равное количество эквивалентов вещества хлорида кальция, т.е. n(1/2CaCl2) = 0,25 моль

Области применения

Гидроокись натрия применяют в различных областях промышленности, в производстве, а также широко применяется для бытовых нужд:

• производство моющих агентов (мыла, шампуни), средства бытовой химии;
• целлюлозно-бумажная промышленность;
• химическая промышленность (в качестве катализатора или реагента, в аналитической химии для титрования, в нефтепереработке);
• оборонная промышленность использует каустик для нейтрализации отравляющих газов, как агент, очищающий воздух, вдыхаемый через дыхательный аппарат, от углекислого газа;
• текстильная промышленность (обработка хлопковых и шерстяных нитей — мерсеризация);
• пищевая промышленность (в процессе производства множества различных продуктов, таких как хлеб, различные напитки, карамель, мороженое и многое другое);
• косметология (в составах для пилинга);
• фотография (вещество используется в проявлении фотоматериалов).

Химические свойства

Гидроксид натрия (едкая щёлочь) — сильное химическое основание (к сильным основаниям относят гидроксиды, молекулы которых полностью диссоциируют в воде), к ним относят гидроксиды щелочных и щёлочноземельных металлов подгрупп Iа и IIа периодической системы Д. И. Менделеева, KOH (едкое кали), Ba(OH)₂ (едкий барит), LiOH, RbOH, CsOH, а также гидроксид одновалентного таллия TlOH. Щёлочность (основность) определяется валентностью металла, радиусом внешней электронной оболочки и электрохимической активностью: чем больше радиус электронной оболочки (увеличивается с порядковым номером), тем легче металл отдаёт электроны, и тем выше его электрохимическая активность и тем левее располагается элемент в электрохимическом ряду активности металлов, в котором за ноль принята активность водорода.

Водные растворы NaOH имеют сильную щелочную реакцию (pH 1%-раствора = 13,4). Основными методами определения щелочей в растворах являются реакции на гидроксид-ион (OH−), (c фенолфталеином — малиновое окрашивание и метиловым оранжевым (метилоранжем) — жёлтое окрашивание). Чем больше гидроксид-ионов находится в растворе, тем сильнее щёлочь и тем интенсивнее окраска индикатора.

Гидроксид натрия вступает в следующие реакции:

с кислотами, амфотерными оксидами и гидроксидами

c кислотами — с образованием солей и воды:

 NaOH + HCl → NaCl + H₂O

 NaOH + H₂S → NaHS + H₂O  (кислая соль, при отношении 1:1)

 2NaOH + H₂S → Na₂S + 2H₂O (в избытке NaOH)

Общая реакция в ионном виде:

 OH− + H+ → H₂O

с амфотерными оксидами которые обладают как основными, так и кислотными свойствами, и способностью реагировать с щелочами, как с твёрдыми при сплавлении:

 2NaOH + ZnO →ot Na₂ZnO₂ + H₂O  — при сплавлении

 2NaOH + ZnO + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] — в растворе

с амфотерными гидроксидами

 NaOH + Al(OH)₃ →ot NaAlO₂ + 2H₂O — при сплавлении

 3NaOH + Al(OH)₃ → Na₃[Al(OH)₆]  — в растворе

с солями в растворе

 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na2SO₄

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.

c неметаллами

например, с фосфором — с образованием гипофосфита натрия:

 4P + 3NaOH + 3H₂O → PH₃↑ + 3NaH₂PO₂

с серой:

 3S + 6NaOH → 2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂O

с галогенами

 2NaOH + Cl₂ → NaClO + NaCl + H₂O  (дисмутация хлора при комнатной температуре)

 6NaOH + 3Cl₂ → NaClO₃ + 5NaCl + 3H₂O  (дисмутация хлора при нагревании раствора)

с металлами

Гидроксид натрия вступает в реакцию с алюминием, цинком, титаном. Он не реагирует с железом и медью (металлами, которые имеют низкий электрохимический потенциал). Алюминий легко растворяется в едкой щёлочи с образованием хорошо растворимого комплекса — тетрагидроксоалюмината натрия и водорода:

 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

Эта реакция использовалась в первой половине XX века в воздухоплавании: для заполнения водородом аэростатов и дирижаблей в полевых (в том числе боевых) условиях, так как данная реакция не требует источников электроэнергии, а исходные реагенты для неё могут легко транспортироваться.

с эфирами, амидами и алкилгалогенидами (гидролиз):

Гидролиз эфиров

с жирами (омыление) такая реакция необратима, так как получающаяся кислота со щёлочью образует мыло и глицерин. Глицерин впоследствии извлекается из подмыльных щёлоков путём вакуум-выпарки и дополнительной дистилляционной очистки полученных продуктов. Этот способ получения мыла был известен на Ближнем Востоке с VII века.

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.

с многоатомными спиртами — с образованием алкоголятов:

 HOCH₂CH₂OH + 2NaOH → NaOCH₂CH₂ONa + 2H₂O

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 году нашей эры 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 °C, 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 — 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. Сырьём 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 (наряду с гидроксидом калия). 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.
В текстильной промышленности — для мерсеризации хлопка и шерсти. При кратковременной обработке едким натром с последующей промывкой волокно приобретает прочность и шелковистый блеск.
Гидроксид натрия также используется для мойки пресс-форм автопокрышек.
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 E-524. 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.
В фотографии — как ускоряющее вещество в проявителях для высокоскоростной обработки фотографических материалов.

Методы получения вещества

Промышленные методы, с помощью которых можно получить едкий натр, делятся на химические и электрохимические.

Химические методы

Существует три основных химических метода.

Пиролитический метод состоит из двух стадий:

1. Получение оксида натрия, разложением карбоната или гидрокарбоната при температуре: Na2CO3 = Na2O + CO2 или NaНCO3 = Na2O + 2CO2↑ + Н2О — при 1000 °C.
2. Получение непосредственно гидроокиси натрия, растворением оксида: Na2O + H2O = 2NaOH.

Известковый метод: взаимодействие карбоната натрия (соды) с гашёной известью (гидроксидом кальция) при температуре (80 °C) называют каустификацией. Результатом такой реакции является раствор каустической соды и осадок карбоната кальция.

Уравнение реакции: Na2CО3 + Са (ОН)2 = CaCО3 ↓ + 2NaOH.

Ферритный метод получения может происходить двумя способами:

1. Спекание кальцинированной соды с оксидом железа (III) при температуре 1100−1200 °C с образованием феррита натрия: Na2CO3 + Fe2O3 = NaFeO2 + CO2↑.
2. Получение гидроокиси натрия происходит с помощью «ощелачивания» (добавления воды) феррита: 2NaFeO2 + H2O = 2NaOH + Fe2O3*H2O↓.

Серьёзными недостатками таких способов является большой расход энергии и сильная загрязнённость продукта. Такие методы получения NaOH в настоящее время почти не используются в промышленности.

Электрохимические методы

Из минерала галита, состоящего преимущественно из NaCl, с помощью электролиза получают гидроксид натрия. Помимо щёлочи в результате такой реакции, получают ещё и хлор и водород.

В лабораторных условиях щёлочь можно получить, например:

• растворением оксида в воде Na2O + H2O = 2NaOH;
• реакцией перекиси натрия с водой Na2O2 + H2O = 2NaOH+Н2О2.

Но в настоящее время химические методы получения редко используются в лаборатории, чаще используют электрохимические методы.

Место хранения

При обращении с гидроксидом натрия, особенно в больших объемах, необходимо осторожное хранение. Всегда рекомендуется соблюдение надлежащих инструкций по хранению NaOH и обеспечение безопасности труда и окружающей среды, учитывая опасность ожога химикатом

Гидроксид натрия часто хранят в бутылях для использования в небольших лабораториях, в контейнерах средней грузоподъемности ( контейнеры среднего объема) для обработки и транспортировки грузов или в больших стационарных резервуарах для хранения объемом до 100000 галлонов для производства или очистных сооружений с большим содержанием NaOH. использовать. Общие материалы, которые совместимы с гидроксидом натрия и часто используются для хранения NaOH, включают: полиэтилен ( HDPE , обычный, XLPE , реже), углеродистую сталь , поливинилхлорид (PVC), нержавеющую сталь и пластик, армированный стекловолокном (FRP, с прочным лайнер).

Гидроксид натрия необходимо хранить в герметичных контейнерах, чтобы сохранить его нормальность, так как он будет поглощать воду из атмосферы.

Рынок каустической соды

В России, согласно ГОСТ 2263-79, производятся следующие марки натра едкого:

• 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	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

Свойства едкой щелочи

Гидроокись (гидроксид) натрия называют также едким натром, едкой щёлочью (такое название обусловлено способностью вещества разъедать стекло, кожу, бумагу, вызывать сильнейшие химические ожоги) и каустической содой (каустик — от греч. kaustikos жгучий, едкий).

Физические свойства

Гидроксид натрия выпускается в виде гранул белого цвета, скользких на ощупь.

Растворение вещества в воде, происходит с выделением большого количества тепла. Гидроксид натрия является гигроскопичным веществом, т. е. он активно поглощает водяные пары из воздуха. А также каустик способен поглощать углекислый газ, образуя на воздухе NaНCO3.

Молярная масса NaOH равна 39,997 г/моль, плотность вещества 2,02 г/см3, растворимость в воде 108,7 г/100 мл, температуры кипения и плавления для каустической соды равны соответственно 1403 °C и 323 °C.

Молекулы гидроокиси натрия полностью диссоциируют на ионы в водных растворах, а значит едкий натр — сильное основание. Водные растворы гидроокиси натрия обладают сильнейшей щелочной реакцией (pH 1%-раствора = 13).

Химические свойства

NaOH способен вступать в реакции с кислотами (серной H2SO4, угольной H2CO3, соляной HCl и другими), в результате чего образуются соли и вода:

• 2NaOH + H2CO3 → Na2СO3 + 2H2O,
• 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O.

С кислотными оксидами в результате взаимодействия образуются соль и вода:

• SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O,
• 2NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O.

C основными оксидами реакция не идёт: MgO/ Bao /CaO + NaOH ≠.

C амфотерными оксидами гидроксид натрия также образует соли и воду: ZnO + 2NaOH + H2O → Na2 (раствор).

C солями гидроокись натрия реагирует при условии, что в результате будет образовано нерастворимое как, например, в реакции с сульфатом меди (CuSO4 + NaOH), газообразное вещество или вода:

• Fe2 (SO4)3 + 6NaOH → 2Fe (OH)3↓ + 3Na2SO4,
• CuSO4 + 2NaOH → Cu (OH)2↓ + Na2SO4,
• CuCl2 + 2NaOH → Cu (OH)2↓ + 2NaCl.

C неметаллами:

• с фосфором 3NaOH + 4P + 3H2O → 3NaH2PO4 + PH3,
• с серой 6NaOH + 3S → 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O.

C металлами гидроокись натрия реагирует с цинком (Zn), алюминием (Al), титаном (Ti). C железом же и медью NaOH не взаимодействует. Примеры:

• Zn + 2NaOH + 2H2O → H2↑ + Na2 тетрагидроксицинкат натрия,
• 2NaOH + 2Al + 6H2O → 3H2↑ + 2Na тетрагидроксиалюминат натрия.

C жирами щёлочь реагирует с образованием мыла: (C17H35COO)3C3H5 + 3NaOH → C3H5 (OH)3 + 3C17H35COONa.

Меры предосторожности при обращении с гидроксидом натрия

Химический ожог в результате действия раствора гидроксида натрия. Фотография сделана через 44 часа после воздействия

Гидроксид натрия — едкое, токсическое и коррозионно-активное 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 струёй воды, а при попадании на кожу — слабым раствором уксусной или борной кислоты. При попадании едкого натра в глаза следует немедленно промыть их сначала слабым раствором борной кислоты, а затем водой.

При работе с едким натром 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.

Предельно допустимая концентрация гидроксида натрия в воздухе 0,5 мг/м³.