Гідрокси́д на́трію, натрій гідроксид, каустична сода або просто каустик — неорганічна сполука, гідроксид складу NaOH. Являє собою білі, непрозорі та дуже гігроскопічні кристали. Речовина добре розчинна у воді — при з'єднанні з водою виділяється велика кількість тепла. Проявляє сильні лужні властивості. Значення pH 1%-го водного розчину становить 13. Гідроксид натрію є їдкою сполукою, при потраплянні на шкіру викликає омилення жирів та хімічні опіки, спричиняє корозію окремих металів. Речовина застосовується у виробництві численних продуктів, зокрема, поверхнево-активних речовин, паперу, косметики, лікарських засобів.
Фізичні властивості Гідроксид натрію NaOH — біла тверда речовина. Залишений на повітрі їдкий натрій незабаром розпливається, оскільки притягує вологу з повітря. Речовина добре розчиняється у воді, при цьому виділяється велика кількість теплоти.
+ Розчинність NaOH у воді Температура, °C 0 10 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 Розчинність, %Значення розчинності у відсотках розраховується як відношення маси розчиненої речовини до маси усього розчину 30 39 46 50 53 58 63 71 74 76 76 79
Розчинність в метанолі складає 23,6 г/л (при 28 °C), в етанолі — 14,7 г/л (28 °C).
Розчин їдкого натру милкий на дотик.
Термодинаміка розчинів Ентальпія розчинення для нескінченно розведеного водного розчину складає −44,45 кДж/моль.
З водних розчинів кристалізуються гідрати: при 12,3–61,8 °C — моногідрат NaOH·H2O (сингонія ромбічна, температура плавлення 65,1 °C; густина 1,829 г/см³;ΔH0утв −425,6 кДж/моль); в інтервалі -28…-24 °C — гептагідрат NaOH·7H2O; від -24 до -17,7 °C — пентагідрат NaOH·5H2O; від -17,7 до -5,4 °C — тетрагідрат NaOH·4H2O (α-модифікація); від -8,8 до 15,6 °C — NaOH·3,5Н2О (температура плавлення 15,5 °C). від 0 °C до 12,3 °C — дигідрат NaOH·2H2O;
Отримання
+ Виробництво каустичної соди (92% NaOH; тис. тонн) Країна 1937 1950 1960 1962 1963 1964 Європа Болгарія 0,01 0,1 19 20 22 31 Велика Британія — 707 913 — — — Угорщина 3,9 9 18 25 42 48 НДР — 163 355 386 387 396 Іспанія — 75 148 154 166 179 Італія 188 174 463 546 622 706 Нідерланди — — 80 — — — Польща 30 67 182 204 209 224 Румунія 13 16 80 169 180 213 Чехословаччина 24 53 125 154 156 159 Франція 137 263 286 232 249 298 ФРН — 365 844 979 1138 1220 Швеція 18 78 199 212 — — Югославія 15 20 52 57 75 80 СРСР 164 325 765 961 1049 1153 Азія Індія — 12 107 138 166 200 КНДР — 9 25 32 43 —
Історично першим методом отримання гідроксиду натрію була взаємодія соди Na2CO3 та гашеного вапна Ca(OH)2 у водному розчині:
Проведенню реакції сприяє перемішування та висока температура, тому її здійснювали у сталевих реакторах із мішалками. Після отримання продуктів, від продуктів відділяли малорозчинний карбонат кальцію та випарювали залишковий розчин гідроксиду натрію при 180 °C у чавунних ємностях без доступу повітря. Таким чином можна було отримати розчин концентрацією до 95 %.
У 1892 році незалежно один від одного американський вчений Гамільтон Кастнер та австрієць Карл Кельнер відкрили спосіб отримання гідроксиду електролізом хлориду натрію, який широко розповсюджений у промисловості. Перебіг реакцій можна описати сумарним рівнянням:
Цей метод і донині є основним промисловим способом добування NaOH, однак деякі умови проведення синтезу зазнавали модифікацій. Зокрема, для запобігання перебігу реакцій між продуктами та вихідними речовинами різні етапи взаємодії проводять в окремих реакторах або ж розмежовуються. За цим критерієм розрізняють три основні методи: ртутний, діафрагменний та мембранний.
Ртутний процес В оригінальному методі синтезу NaOH як катод використовується ртутний електрод. Потрапляючи на катод, іони натрію утворюють там рідкі амальгами змінного складу NaHgn:
Амальгами виділяються з реакційної системи і переводяться в іншу, де відбувається розкладання амальгами водою з утворенням гідроксиду натрію:
За цим методом утворюється розчин NaOH концентрацією 50–73 % та практично чистий від забруднюючих домішок (хлору, хлориду натрію). Утворена в результаті розкладання ртуть повертається в електрод.
На аноді (графітовому чи іншому) відбувається окиснення хлорид-іонів з утворенням вільного хлору:
Окрім цього, мають місце також побічні реакції: окиснення гідроксид-іона та електрохімічне утворення хлорат-іона. Гідролізом отриманого хлору можуть утворюватися і незначні кількості гіпохлорит-іонів.
Діафрагменний процес У діафрагменному методі простір між катодом та анодом розмежований перегородкою, яка не пропускає розчини і гази, однак не перешкоджає проходженню електричного струму та міграції іонів. Зазвичай, як такі перегородки використовується азбестова тканина, пористі цементи, порцеляна тощо.
В анодний простір подається розчин NaCl: на аноді (графітовому або титановому з оксидними покритями або покриттям платиновими металами (магнетитові мають завеликий опір та перенапругу виділення хлору, тому в промисловості широко не використовуються) відновлюються хлорид-іони, а катіони Na+ (та, частково, аніони Cl-) мігрують крізь діафрагму до катодного простору. Там катіони не сполучаються із гідроксид-іонами, утвореними відновленням води на залізному або мідному катоді:
З катодного простору в результаті виділяється суміш гідроксиду та хлориду натрію із вмістом NaOH 10–15 % (та близько 18 % NaCl). Шляхом випаровування вдається збільшити концентрацію гідроксиду до 50 %, але вміст хлориду все одно залишається суттєвим. Для виділення хлориду з суміші, її обробляють рідким аміаком із утворенням легковідділюваного хлориду амонію (однак, цей спосіб є малопоширеним через високу вартість його проведення). Також застосовується метод, який полягає в охолодженні суміші та виділенні кристалів гідрату NaOH·3,5H2O, які надалі додатково дегідратують.
Хоча магнетитові не використовуються в промисловості їх, в модифікованому вигляді можна виготовити та використовувати в домашніх умовах при наявності листового титану та концентрованої сульфатної кислоти (для протравлення оксидного шару): частина титанового електроду яка в майбутньому має бути занурена в хлоридний розчин протравлюється в концентрованій сульфатній кислоті кілька хвилин і без змивання кислоти занурюється в розчин сульфату заліза або солі Мора як катод (анод логічно робити залізним - тоді склад електроліту залишатиметься малозмінним). Після гальванічного покриття титану залізом електрод відпалюється на повітрі для закріплення зв'язку титану із залізом та переведення заліза в магнетит. З непротравленого анода магнетитовий шар в процесі роботи швидко обсиплеться. Вугільні аноди досить швидко розсипаються.
Мембранний процес Цей спосіб був розроблений у 1970-х роках компанією «DuPont» і вважається найбільш досконалим з існуючих. У мембранному процесі в реакторі встановлюється катіонообмінна мембрана, яка є проникною для іонів Na+, що рухаються у катодний простір, і пригнічує міграцію гідроксид-іонів, які мігрують у зворотному напрямку — таким чином у катодному просторі збільшується концентрація складових NaOH. Економічно вигідною для синтезу вважається концентрація 30–35 %, а новітні мембрани дозволяють збільшити це значення до 50 %.
За цим методом хлорид натрію теоретично не утворюється, але проникнення хлорид-іонів крізь мембрану усе ж може мати місце.
Катіонпровідні мембрани використовуються в літій-полімерних акумуляторах. Це співполімери з тетрафлуоретиленом, технологічно виготовлені з кількох несиметрично розміщених шарів шарів. Зовнішній вигляд — тефлонова плівка.
Отримання твердого NaOH Твердий NaOH (каустична сода) отримують випарюванням його розчину до вмісту води менше за 0,5–1,5 %. Спочатку 50 %-ий розчин випарюють у вакуумі до концентрації 60%, а концентрацію 99 % досягають із застосуванням теплоносіїв (суміш NaNO2, NaNO3, KNO3) за температури понад 400 °C: розчин подається насосом у розігріту камеру для випаровування, де відокремлюється решта води.
Випарювання розчину NaOH проводять в залізних , нікелевих , кобальтових або срібних ємностях. Скло, порцеляна, платина в присутності кисню розплавом руйнуються .
Марки Гідроксид натрію випускається у двох видах: твердому та рідкому. Тверда гранульована каустична сода являє собою білу тверду масу з розміром лусочок 0,5–2 см. Рідкий розчин каустичної соди — безбарвний. Комерційно важливими є розчини гідроксиду натрію із концентрацією у 50 %.
Технічний їдкий натр випускають таких марок: ТР — твердий ртутний; ТД — твердий діафрагмовий (плавлений); РР — розчин ртутний; РХ — розчин хімічний; РД — розчин діафрагмовий.
Хімічні властивості Гідроксид натрію активно поглинає вологу з повітря, утворюючи гідрати різного складу, які розкладаються при нагріванні:
У розчинах сполука добре дисоціює:
Проявляючи сильні лужні властивості, гідроксид натрію легко взаємодіє з кислотами, кислотними та амфотерними оксидами і гідроксидами:
NaOH легко взаємодіє із галогенами, а за високих температур — також і з металами:
При взаємодії з солями, що є похідними слабких основ, утворюються відповідні гідроксиди:
Реагуючи із монооксидом вуглецю, синтезується форміат натрію. Реакція проходить під тиском, за температури 120–200 °С у присутності каталізатора:
Вимоги безпеки
Сода каустична пожежо- та вибухобезпечна. Їдка, корозійно активна речовина. За ступенем впливу на організм належить до речовин 2-го класу небезпеки. Як тверда речовина, так і концентровані її розчини викликають дуже сильні опіки. Попадання лугу в очі може призвести до їх важких захворювань і навіть до втрати зору. При попаданні на шкіру, слизові оболонки, очі утворюються сильні хімічні опіки. При потраплянні на шкіру — промити слабким розчином оцтової кислоти.
При роботі використовують захисні засоби: захисні окуляри, гумові рукавички, прорезинений хімічностійкий одяг.
Застосування Гідроксид натрію застосовується в багатьох галузях промисловості та у побуті: Каустик застосовується в целюлозно-паперовій промисловості для делігніфікації (сульфатний процес) целюлози, у виробництві паперу, картону, штучних волокон, деревно-волоконних плит. Для омилення жирів при виробництві мила, шампуню та інших миючих засобів. Останнім часом продукти на основі гідроксиду натрію (з додаванням гідроксиду калію, нагріті до 50–60 градусів Цельсія, застосовуються в сфері промислової мийки для очищення виробів з нержавіючої сталі від жиру та інших масляних речовин, а також залишків механічної обробки. В хімічних галузях промисловості — для нейтралізації кислот і кислотних оксидів, як реагент або каталізатор в хімічних реакціях, в хімічному аналізі для титрування, для травлення алюмінію та у виробництві чистих металів, в нафтопереробці — для виробництва масел. Для виготовлення біодизельного палива — яке отримують з рослинних олій і використовують для заміни звичайного дизельного палива. Для отримання біодизелю до дев'яти масових одиниць рослинної олії додають одну масову одиницю спирту (тобто дотримується пропорція 9:1), а також лужний каталізатор (NaOH). Отриманий ефір (головним чином лінолевої кислоти) відрізняється чудовою займистістю, що забезпечується високим цетановим числом. Якщо для мінерального дизпалива характерний показник в 50–52 %, то метиловий ефір відповідно 56–58 % цетана. Сировиною для виробництва біодизеля можуть бути різні рослинні олії: ріпакова, соєва та інші, крім тих, у складі яких високий вміст пальмітинової кислоти (пальмова олія). При її виробництві в процесі етерифікації також утворюється гліцерин, що використовується в харчовій, косметичній та паперовій промисловості або переробляється в епіхлоргідрин за методом Сольве. Як агент для розчинення засмічень каналізаційних труб, у вигляді сухих гранул або у складі гелів. Гідроксид натрію дезагрегує засмічення і сприяє легкому просуванню його далі по трубі. В цивільній обороні для дегазації та нейтралізації отруйних речовин, у тому числі зарину, в ребрізерах (ізолюючих дихальних апаратах (ІДА), для очищення повітря, що видихається, від вуглекислого газу. Гідроксид натрію також використовується для мийки прес-форм автопокришок.