Карбонат натрия

Карбонат натрия (пищевая добавка Е500(i)) — неорганическое соединение, натриевая соль угольной кислоты с химической формулой Na₂CO₃. Бесцветные кристаллы или белый порошок, хорошо растворим в воде; нерастворим в этаноле. В промышленности в основном получают из хлорида натрия по методу Солвэ.

При растворении в воде карбонат натрия образует угольную кислоту и гидроксид натрия. Являясь сильным основанием, гидроксид натрия нейтрализует желудочную кислоту, действуя как антацид.

Пищевая добавка Е500(i) относится к добавкам препятствующим слёживанию и комкованию, разрыхлителям и регуляторам кислотности искусственного происхождения, используется в технологических целях в процессе производства пищевых продуктов.

Пищевая добавка Е500 включает в себя 3 родственных соединения — натриевые соли угольной кислоты (Sodium salt of carbonic acid):

• Е500(i) Карбонат натрия (Sodium Carbonate, кальцинированная сода);
• Е500(i) Гидрокарбонат натрия (Sodium Hydrogen Carbonate, бикарбонат натрия, натрий двууглекислый, пищевая или питьевая сода);
• Е500(iii) Смесь карбоната и гидрокарбоната натрия (Sodium Sesquicarbonate, секвикарбонат натрия, декагидрат карбоната натрия, кристаллическая сода).

Нахождение в природе

Природный источник — в грунтовых рассолах, рапе соляных озёр. Минералы — натрон, нахколит, трона, натрит (сода), термонатрит.

Получают прокаливанием гидрокарбоната натрия из природных залежей, соляных рассолов.

Современные содовые озёра известны в Забайкалье и в Западной Сибири; большой известностью пользуется озеро Натрон в Танзании и озеро Сирлс в Калифорнии. Трона, имеющая промышленное значение, открыта в 1938 году в составе эоценовой толщи Грин-Ривер (Вайоминг, США). Вместе с троной в этой осадочной толще обнаружено много ранее считавшихся редкими минералов, в том числе давсонит, который рассматривается как сырьё для получения соды и глинозёма. В США природная сода удовлетворяет более 40 % потребности страны в этом полезном ископаемом.

Получение

До начала ⅩⅨ века карбонат натрия получали преимущественно из золы некоторых морских водорослей, прибрежных и солончаковых растений путём перекристаллизации относительно малорастворимого NaHCO₃ из щёлока.

Способ Леблана

В 1791 году французский химик Никола Леблан получил патент на «Способ превращения глауберовой соли в соду». По этому способу при температуре около 1 000 °C запекается смесь сульфата натрия («глауберовой соли»), мела или известняка (карбоната кальция) и древесного угля. Уголь восстанавливает сульфат натрия до сульфида:

Na₂SO₄ + 2C → Na₂S + 2CO₂

Сульфид натрия реагирует с карбонатом кальция:

Na₂S + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaS

Полученный расплав обрабатывают водой, при этом карбонат натрия переходит в раствор, сульфид кальция отфильтровывают, затем раствор карбоната натрия упаривают. Сырую соду очищают перекристаллизацией. Процесс Леблана даёт соду в виде кристаллогидрата, поэтому полученную соду обезвоживают кальцинированием.

Сульфат натрия получали обработкой каменной соли (хлорида натрия) серной кислотой:

2NaCl + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2HCl

Выделявшийся в ходе реакции хлороводород улавливали водой с получением соляной кислоты.

Первый содовый завод такого типа в России был основан промышленником М. Прангом и появился в Барнауле в 1864 году.

После появления более экономичного (не остаётся в больших количествах побочный сульфид кальция) и технологичного способа Сольве, заводы, работающие по способу Леблана, стали закрываться. К 1900 году 90 % предприятий производили соду по методу Сольве, а последние фабрики, работающие по методу Леблана, закрылись в начале 1920-х.

Промышленный аммиачный способ (способ Сольве)

В 1861 году бельгийский инженер-химик Эрнест Сольве запатентовал метод производства соды, который используется и по сей день.

В насыщенный раствор хлорида натрия пропускают эквимолярные количества газообразных аммиака и диоксида углерода, то есть как бы вводят гидрокарбонат аммония NH₄HCO₃:

NH₃ + CO₂ + H₂O + NaCl → NaHCO₃ + NH₄Cl

Выпавший остаток малорастворимого (9,6 г на 100 г воды при 20 °C) гидрокарбоната натрия отфильтровывают и кальцинируют (обезвоживают) нагреванием до 140–160 °C, при этом он переходит в карбонат натрия:

2NaHCO₃ °t→ Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ ↑

Образовавшийся CO₂ возвращают в производственный цикл. Хлорид аммония NH₄Cl обрабатывают гидроксидом кальция Ca(OH)₂:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O

Полученный NH₃ также возвращают в производственный цикл.

Таким образом, единственным отходом производства является хлорид кальция.

Первый содовый завод такого типа в мире был открыт в 1863 году в Бельгии; первый завод такого типа в России был основан в районе уральского города Березники фирмой «Любимов, Сольве и Ко» в 1883 году. Его производительность составляла 20 000 тонн соды в год. В 2010 году ФАС России отказала фирме Solvay в покупке этого завода, разрешив покупку группе Башкирская химия (ей также принадлежит завод Сода).

До сих пор этот способ остаётся основным способом получения соды во всех странах.

Способ Хоу

Разработан китайским химиком Хоу (Hou Debang) в 1930-х годах. Отличается от процесса Сольве тем, что не использует гидроксид кальция.

По способу Хоу в раствор хлорида натрия при температуре 40 °C подаётся диоксид углерода и аммиак. Менее растворимый гидрокарбонат натрия в ходе реакции выпадает в осадок (как и в методе Сольве). Затем раствор охлаждают до 10 °C. При этом выпадает в осадок хлорид аммония, а раствор используют повторно для производства следующих порций соды.

Сравнение способов

По методу Хоу в качестве побочного продукта образуется NH₄Cl вместо CaCl₂ по методу Сольве.

Способ Сольве был разработан до появления процесса Габера, в то время аммиак был в дефиците, поэтому регенерировать его из NH₄Cl было необходимо. Метод Хоу появился позже, необходимость регенерации аммиака уже не стояла так остро, соответственно, аммиак можно было не извлекать, а использовать его как азотное удобрение в виде соединения NH₄Cl.

Тем не менее NH₄Cl содержит хлор, избыток которого вреден для многих растений, поэтому использование NH₄Cl в качестве удобрения ограничено. В свою очередь рис хорошо переносит избыток хлора, и в Китае, где применяется NH4Cl для рисоводства, метод Хоу, дающий NH₄Cl в качестве побочного продукта, более широко представлен по сравнению с другими регионами.

В настоящее время в ряде стран практически весь искусственно производящийся карбонат натрия вырабатывается по методу Сольве (включая метод Хоу как модификацию), а именно в Европе 94 % искусственно производимой соды, во всём мире — 84 % (2000 год).

Применение

Как пищевая добавка Е500(i)

В качестве стабилизатора продуктов переработки мяса.

Карбонат натрия по ГОСТ 83-79 «Натрий углекислый. Технические условия» и ГОСТ 84-76 «Натрий углекислый 10-водный. Технические условия» внесён в перечень сырья в ГОСТ 18236-85 «Продукты из свинины варёные. Технические условия»; ГОСТ 18255-85 «Продукты из свинины копчено-варёные. Технические условия»; ГОСТ 18256-85 «Продукты из свинины копчено-запечённые. Технические условия»; ГОСТ 23670-79 «Колбасы варёные, сосиски и сардельки, хлебы мясные. Технические условия».

Другие сферы применения

Карбонат натрия используют в стекольном производстве; мыловарении и производстве стиральных и чистящих порошков; эмалей, для получения ультрамарина. Также он применяется для смягчения воды паровых котлов и вообще уменьшения жёсткости воды, для обезжиривания металлов и десульфатизации доменного чугуна. Карбонат натрия — исходный продукт для получения NaOH, Na₂B₄O₇, Na₂HPO₄. Может использоваться в сигаретных фильтрах.

Одна из новейших технологий повышения нефтеотдачи пластов — АСП заводнение, в котором применяется сода в сочетании с ПАВ для снижения межфазного натяжения между водой и нефтью.

Применяют при изготовлении стекла, для производства моющих средств, используют в процессе получения алюминия из бокситов и при очистке нефти. В фотографии используется в составе проявителей как ускоряющее средство. Самостоятельно добавляется в моторное масло для предотвращения полимеризации (концентрация 2 г на 1 л масла).

Польза и вред

Карбонаты натрия, благодаря способности нейтрализовать сильные кислоты, могут устранить боль, вызванную гиперацидностью желудочного сока при гастрите, язвенной болезни. Снижает болевые ощущения при нарушении целостности слизистой желудка (гастрит, язва), при тяжёлых пищевых отравлениях, в том числе алкогольных.

При наружном применении карбонаты натрия действуют как антисептик. Нейтрализует патогенную микрофлору, в том числе бактерии, грибки и вирусы.

Проявляет микролитические свойства, что позволяет использовать её в народной медицине для разжижения мокроты, смягчения кашля.

При чрезмерном употреблении карбоната натрия возможны следующие явления: затруднение дыхания, обморок, резкая желудочная боль. Добавка Е500 негативно влияет на печень, может стать причиной появления сыпи на лбу, руках и голове.

LD₅₀ (средняя доза вещества, вызывающая гибель половины членов испытуемой группы) 4 г/кг (крысы, орально).

Применение при беременности

Адекватных и хорошо контролируемых исследований о возможности применения карбоната натрия у беременных женщин не проведено.

Применение в период грудного вскармливания

Специальных исследований о возможности применения карбоната натрия в период грудного вскармливания не проведено.

LD₅₀ (полулетальная доза, средняя доза вещества, вызывающая гибель половины членов испытуемой группы): мыши (перорально) — 6600 мг/кг, крысы (перорально) — 4090 мг/кг, человек (перорально) — 714 мг/кг.

В Российской Федерации, Евросоюзе, на Украине и в большинстве стран мира пищевая добавка Е500(i) разрешена для применения в пищевой промышленности.

Гигиенические нормы

ДСП не ограничено.

Опасности по ГН-98: ПДК в воздухе рабочей зоны 2 мг/м³, класс опасности 3.

Codex: разрешён в качестве регулятора кислотности в 3 стандартах на пищевые продукты в количестве 2 г/кг или GMP; в качестве стабилизатора в 14 стандартах на пищевые продукты в количестве 2, 5 или 50 г/кг или GMP.

В Российской Федерации разрешён в продукты из какао и шоколада в количестве до 70 г/кг от сухого обезжиренного вещества в пересчёте на карбонаты кальция (п. 3.1.1. СанПиН 2.3.2.1293-03); в сухое молоко и другие пищевые продукты согласно ТИ в количестве согласно ТИ индивидуально или в комбинации с другими карбонатами (п. п. 3.1.7, 3.2.22 СанПиН 2.3.2.1293-03).

• Категория при беременности по FDA

  N (не классифицировано FDA)