Введение

Натриевый сульфат (также известный как сульфат натрия или сульфат соды) — это неорганическое соединение с формулой Na2SO4, а также несколько связанных с ним гидратов. Все формы представляют собой белые твердые вещества, обладающие высокой растворимостью в воде. Декагидрат, с годовым производством в 6 миллионов тонн, является важным промышленным химическим продуктом. Он в основном используется в качестве наполнителя при производстве порошкообразных стиральных средств для домашнего использования и в Kraft-процессе производства целлюлозы для получения высокощелочных сульфидов.

Формы

Безводный сульфат натрия, известный как редкий минерал танардит, используется в качестве осушителя в органическом синтезе. Гептагидрат сульфата натрия – очень редкая форма. Декагидрат сульфата натрия, известный как минерал мирабилит, широко применяется в химической промышленности. Он также известен как соль Глаубера.

История

Декагидрат сульфата натрия известен как соль Глаубера в честь голландско-немецкого химика и аптекаря Иоганна Рудольфа Глаубера (1604–1670), который обнаружил его в австрийских источниках в 1625 году. Он назвал её "sal mirabilis" (чудесная соль) из-за её целебных свойств: кристаллы использовались как общеупотребительное слабительное средство, пока в 1900-х годах не появились более совершенные альтернативы. Однако позднее Й. Кункель утверждал, что она была известна как секретное лекарство в Саксонии уже в середине XVI века. В XVIII веке соль Глаубера начали использовать в качестве сырья для промышленного производства кальцинированной соды (карбоната натрия) в результате реакции с поташем (карбонатом калия). Спрос на кальцинированную соду рос, и поставки сульфата натрия должны были увеличиваться пропорционально. Поэтому в XIX веке широкомасштабный процесс Леблана, производящий синтетический сульфат натрия как ключевой промежуточный продукт, стал основным методом производства кальцинированной соды.

Физические свойства

Сульфат натрия обладает необычными характеристиками растворимости в воде. Его растворимость в воде возрастает более чем в десять раз между 0 °C и 32,384 °C, где она достигает максимума в 49,7 г/100 мл. В этой точке кривая растворимости меняет свой наклон, и растворимость становится практически независимой от температуры. Эта температура в 32,384 °C, соответствующая высвобождению кристаллизационной воды и плавлению гидрата, служит точным температурным ориентиром для калибровки термометров.

Структура

Кристаллы декагидрата состоят из ионов [Na(OH2)6]+ с октаэдрической молекулярной геометрией. Эти октаэдры разделяют ребра, в результате чего 8 из 10 молекул воды координированы с ионом натрия, а 2 другие находятся в междоузлиях, образуя водородные связи с сульфат-ионами. Эти катионы связаны с сульфат-анионами посредством водородных связей. Расстояния Na–O составляют около 240 пм. Кристаллический сульфат натрия декагидрат также необычен среди гидратированных солей тем, что обладает измеримой остаточной энтропией (энтропией при абсолютном нуле) в 6,32 Дж/(К·моль). Это объясняется его способностью к более быстрому распределению воды по сравнению с большинством гидратов.

Производство

Мировое производство сульфата натрия, почти исключительно в форме декагидрата, составляет приблизительно 5,5–6 миллионов тонн в год (Mt/a). В 1985 году производство составляло 4,5 Mt/a, причем половина приходилась на природные источники, а половина – на химическое производство. После 2000 года, до 2006 года на стабильном уровне, производство из природных источников возросло до 4 Mt/a, а химическое производство снизилось до 1,5–2 Mt/a, в сумме – 5,5–6 Mt/a. Для всех областей применения природный и химически полученный сульфат натрия практически взаимозаменяемы.

Маломасштабные применения

В лаборатории безводный сульфат натрия широко используется как инертное осушительное средство для удаления следов воды из органических растворов. Он более эффективен, но действует медленнее, чем аналогичное средство – сульфат магния. Он эффективен только при температуре ниже примерно 30 °C, но может использоваться с различными материалами, поскольку химически достаточно инертен. Сульфат натрия добавляют в раствор до тех пор, пока кристаллы перестанут слипаться; два видеоролика (см. выше) демонстрируют, как кристаллы слипаются, когда они еще влажные, но некоторые кристаллы свободно текут, когда образец высушен. Соль Глаубера, декагидрат, используется как слабительное. Она эффективна для выведения из организма определенных лекарств, таких как парацетамол (ацетаминофен); таким образом, ее можно использовать после передозировки. В 1953 году было предложено использовать сульфат натрия для аккумулирования тепла в пассивных солнечных системах отопления. Это использует его необычные свойства растворимости и высокую теплоту кристаллизации (78,2 кДж/моль). Другие области применения сульфата натрия включают удаление наледи с окон, производство крахмала, в качестве добавки в освежители ковров и в качестве добавки в корм для скота. По крайней мере одна компания, Thermaltake, производит охлаждающий коврик для ноутбуков (iXoft Notebook Cooler), в котором используется декагидрат сульфата натрия внутри стеганой пластиковой подкладки. Материал медленно переходит в жидкое состояние и циркулирует, выравнивая температуру ноутбука и служа изолятором.

Безопасность

Хотя сульфат натрия обычно считается нетоксичным, с ним следует обращаться с осторожностью. Пыль может вызывать временную астму или раздражение глаз; этого можно избежать, используя средства защиты глаз и бумажную маску. Транспортировка не ограничена, и фразы риска и предосторожности не применяются.