Соли натрия и калия
Сода: от Леблана до Сольве
Начнём с соды: она нужна для производства стекла, мыла, бумаги и текстиля. Природной соды для этих целей не хватало, поэтому в 1791 году Никола Леблан предложил получать её из поваренной соли. Сначала из соли получали сульфат натрия, а затем нагревали его с углём и известняком: \(\ce{2NaCl + H2SO4 -> Na2SO4 + 2HCl}\); \(\ce{Na2SO4 + 2C + CaCO3 ->[t] Na2CO3 + CaS + 2CO2}\). Недостатками способа были большое количество отходов \(\ce{CaS}\) и выбросы хлороводорода.
history_eduЭрнест Сольве
В 1861 году бельгиец Эрнест Сольве создал аммиачный способ получения соды. В нём аммиак возвращают в производство, хотя побочный продукт \(\ce{CaCl2}\) остаётся. Способ включает несколько стадий:
- \(\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 v + NH4Cl}\) — из холодного рассола выпадает малорастворимый гидрокарбонат натрия.
- \(\ce{2NaHCO3 ->[t] Na2CO3 + CO2 + H2O}\) — при нагревании гидрокарбоната образуется сода, а выделившийся \(\ce{CO2}\) возвращают на первую стадию.
- \(\ce{CaCO3 ->[t] CaO + CO2}\); \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\) — при нагревании известняка получают оксид кальция и углекислый газ, а затем из оксида кальция получают гидроксид.
- \(\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 -> CaCl2 + 2NH3 + 2H2O}\) — гидроксид кальция позволяет выделить аммиак из хлорида аммония и вернуть его в производство.
Если сложить уравнения стадий и учесть возвращение реагентов, получится итоговое уравнение: \(\ce{2NaCl + CaCO3 -> Na2CO3 + CaCl2}\). Оно не означает, что хлорид натрия непосредственно реагирует с карбонатом кальция в растворе: такое превращение нельзя провести как прямую реакцию обмена по правилу Бертолле (урок 56). Продукты удаётся получить благодаря последовательности стадий. Сольве заработал огромное состояние и финансировал знаменитые Сольвеевские конгрессы физиков, на которых спорили Эйнштейн и Бор.
boltОсаждение \(\ce{NaHCO3}\)
Почему из холодного раствора выпадает именно гидрокарбонат натрия? Среди четырёх возможных солей — \(\ce{NaCl}\), \(\ce{NH4Cl}\), \(\ce{NaHCO3}\) и \(\ce{NH4HCO3}\) — он наименее растворим. Его осаждение сдвигает равновесие.
Карбонаты и кристаллогидраты
Сода существует как безводная соль и как кристаллогидрат — кристаллическое вещество, в состав которого входит вода. Сопоставим эти вещества с другими важными солями натрия и калия.
| Соль | Название | Особенности |
|---|---|---|
| \(\ce{Na2CO3}\) | кальцинированная сода | Это безводная соль; её используют при производстве стекла. |
| \(\ce{Na2CO3*10H2O}\) | кристаллическая сода | Этот кристаллогидрат выветривается на воздухе. |
| \(\ce{NaHCO3}\) | питьевая сода | Её используют как разрыхлитель и антацид. |
| \(\ce{K2CO3}\) | поташ | Его получали из золы растений; он нужен для производства жидкого мыла и стекла. |
| \(\ce{Na2SO4*10H2O}\) | глауберова соль | Её используют как слабительное и в тепловых аккумуляторах. |
Выветриванием называют потерю кристаллогидратом воды на воздухе. Кристаллическая сода выветривается по уравнению \(\ce{Na2CO3*10H2O -> Na2CO3*H2O + 9H2O}\): прозрачные кристаллы превращаются в белый порошок. Это происходит потому, что давление водяного пара над кристаллогидратом больше, чем в сухом воздухе.
auto_awesomeПоташ из золы
Название «поташ» восходит к голландскому potas; английское potash означает «горшечная зола». Древесную золу вываривали в горшках и получали \(\ce{K2CO3}\). В XVIII веке Россия была крупнейшим экспортёром поташа; ради его получения сжигали огромные леса. Слово «калий» (kalium) восходит к арабскому «аль-кали», связанному с золой растений.
scienceСоли натрия и калия
- \(\ce{Na2CO3 + H2O <=> NaHCO3 + NaOH}\) — при взаимодействии карбоната натрия с водой образуется щелочная среда.
- \(\ce{NaHCO3 + HCl -> NaCl + CO2 ^ + H2O}\) — гидрокарбонат натрия реагирует с соляной кислотой желудочного сока; на этом основано его применение против изжоги.
- \(\ce{Na2SO4*10H2O <=>[32 °C] Na2SO4 + 10H2O}\) — плавление глауберовой соли в собственной кристаллизационной воде сопровождается поглощением теплоты; это свойство используют в тепловых аккумуляторах.
Нитраты и хлориды
Чилийская селитра \(\ce{NaNO3}\) встречается в природных залежах пустыни Атакама. В XIX веке она была главным источником связанного азота для производства удобрений и пороха. Войны за селитру, в том числе Тихоокеанская война 1879–1884 годов, изменили карту Южной Америки. После появления синтеза Габера — Боша чилийская селитра утратила роль главного источника связанного азота.
Калийная селитра \(\ce{KNO3}\) служит окислителем в чёрном порохе (урок 115). В отличие от натриевой селитры, она негигроскопична, поэтому порох не отсыревает. Прежде калийную селитру получали в «селитряницах» из гниющего навоза с известью. Позднее её стали получать обменом солей: \(\ce{NaNO3 + KCl -> KNO3 + NaCl}\). Такую селитру называют конверсионной: при охлаждении раствора менее растворимый \(\ce{KNO3}\) выпадает в осадок.
Хлорид калия, минерал сильвин, и карналлит \(\ce{KCl*MgCl2*6H2O}\) — главные калийные руды. Их месторождения есть в районе Соликамска, в Канаде и Беларуси. Калий входит в тройку важнейших питательных элементов, указываемых на удобрениях обозначением NPK.
boltРазделение солей кристаллизацией
Растворимость \(\ce{KNO3}\) сильно зависит от температуры: от 13 г при 0 °C она возрастает до 246 г при 100 °C в расчёте на 100 г воды. Растворимость \(\ce{NaCl}\) при этом почти не меняется. Поэтому из горячего насыщенного раствора смеси при охлаждении выделяется почти чистая калийная селитра. Такое разделение основано на перекристаллизации (урок 1).
scienceНитраты и хлориды
- \(\ce{NaNO3 + KCl -> KNO3 v + NaCl}\) — при охлаждении горячего раствора кристаллизуется нитрат калия.
- \(\ce{2KNO3 ->[t] 2KNO2 + O2}\) — при нагревании нитрат калия разлагается с выделением кислорода.
- \(\ce{2KCl + H2SO4 (конц) -> K2SO4 + 2HCl}\) — в результате реакции образуется сульфат калия, который используют как бесхлорное калийное удобрение.
push_pinГлавное
Соду \(\ce{Na2CO3}\) получают по способу Сольве, предложенному в 1861 году: сначала протекает реакция \(\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 v + NH4Cl}\), затем гидрокарбонат нагревают: \(\ce{2NaHCO3 -> Na2CO3 + CO2 + H2O}\). Аммиак возвращают в производство, выделяя его из \(\ce{NH4Cl}\) с помощью извести; побочным продуктом остаётся \(\ce{CaCl2}\). Из 2 моль NaCl получают 1 моль соды. Кристаллическая сода \(\ce{Na2CO3*10H2O}\) выветривается на воздухе, а поташ \(\ce{K2CO3}\) получали из золы. Селитры \(\ce{NaNO3}\) и \(\ce{KNO3}\) используют как удобрения и окислители, в том числе при производстве пороха; \(\ce{KCl}\), минерал сильвин, служит сырьём для калийных удобрений. Глауберова соль представляет собой кристаллогидрат \(\ce{Na2SO4*10H2O}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.