Гидроксид натрия: описание, польза и вред, применение, реакции

Гидроксид натрия – это вещество, которое относится к классу щелочей, другие название – едкий натр, каустическая сода. Это сильный гидроксид, проявляющий яркие основные свойства. Едкий натр – это самая распространённая и востребованная щелочь в мире. Ежегодно производится более 57 тонн гидроокиси натрия, которая расходуется на различные нужды. Вещество применяют во всех сферах жизни: в химической промышленности для производства мылящих средств, а также в качестве реагента, в пищевой промышленности используется как стабилизатор (пищевая добавка Е524). В косметологии едкий натр вносят в состав отшелушивающей продукции, гидроксид необходим также для изготовления топлива.

Что такое гидроксид натрия, формула

Гидроксид натрия представляет собой основание, состоящее из двух частей, соединённых ионной связью: щелочного активного металла натрия – Na и гидроксильной группировки – OH. Химическая формула – NaOH.

В природе едкий натр не встречается, его синтезируют искусственным путём. Чистое вещество имеет вид твёрдых гранул сферообразной формы либо мелких мыльных чешуек белого цвета. Запах отсутствует, вкус напоминает мыло, разъедающий, горький. Соединение отличается крайне высокой гигроскопичностью, на открытом воздухе быстро поглощает водяные пары, а также углекислый газ, расплывается. Температура плавления составляет 323 °С.

Гидроксид натрия хорошо растворим в воде, растворение идёт с выделением теплоты. При приготовлении водного раствора возникает опасность нагревания посуды и разбрызгивания. Хуже растворяется в других полярных растворителях – этаноле, метаноле. Не растворима в эфире, бензоле, толуоле. Раствор имеет вязкость, близкую к растительному маслу, даёт щелочную реакцию, показатель pH равен примерно 13,4. При поглощении воды характерно образование гидратов – соединений, в которых вода присутствует как отдельный структурный элемент. Зачастую в промышленности используют моногидрат натрия NaOH · H₂O.

Реакции с гидроксидом натрия и химические свойства, взаимодействия

Каустическая сода проявляет химические свойства, сходные с другими щелочами. Она является сильной щелочью, т.е. молекулы вещества полностью диссоциируют в воде, при этом образуется большое количество гидроксид-ионов (OH^–). Натриевый гидроксид вступает во взаимодействие со слабыми и сильными кислотами, при этом формируется соль и вода:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

Реакция может протекать по-разному, это зависит от количества вещества:

2NaOH + H₃PO₄ → Na₃PO₄ + H₂O

3NaOH + H₃PO₄ → Na₂HPO₄ + H₂O

NaOH + H₃PO₄ → NaH₂PO₄ + H₂O

В итоге может образоваться ортофосфат натрия, гидрофосфат натрия либо дигидрофосфат натрия.

Едкий натр взаимодействует с кислотными и амфотерными оксидами. Амфотерными называют соединения, проявляющие двойственные свойства: они способны как брать, так и отдавать электроны. В ходе реакции с кислотными оксидами происходит формирование средних и кислых солей. При реакции с углекислым газом выделяется карбонат натрия и вода:

 NaOH + CO₂↑ → Na₂CO₃ + H₂O

В избытке углекислого газа формируется кислая соль, гидрокаборнат натрия:

NaOH + CO₂↑ → NaHCO₃

К амфотерным оксидам относят окиси меди, цинка, железа, алюминия, свинца, хрома. При повышении температуры в результате реакции с амфотерным соединением образуются средние соли:

NaOH + Al₂O₃ → 2NaAlO₂ + H₂O

При протекании реакции в жидкой фазе идёт образование комплексных солей:

NaOH + Al₂O₃ + H₂O → 2Na[Al(OH)₄]

Каустическая сода реагирует с кислыми солями – соль, содержащая помимо катиона металла также катион водорода. В таком типе реакций происходит выделение менее кислых солей или средних солей:

NaOH + NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O

Гидроксид натрия реагирует с простыми веществами. Среди неметаллов он не способен взаимодействовать с водородом, азотом, кислородом, углеродом. Вступает в реакцию с фтором, который окисляет вещество до фторидов и молекулярного кислорода:

4NaOH + 2F₂ → 4NaF + F₂O + O₂↑ +2H₂O

Неметаллы галогенового ряда при реакциях с едким натром могут выступать как в качестве окислителя, так и в роли восстановителя. Так, реакция с фосфором в водной среде приводит к формированию гидрофосфита натрия и летучего фосфида водорода:

3NaOH + P₄ + 3H₂O → 3NaH₂PO₂ + PH₃↑

Растворение хлора в холодном гидроксиде натрия ведёт к образованию хлорида и гипохлорида натрия:

2NaOH + Cl₂ → NaCl + NaClO + H₂O

При разогревании раствора едкого натра и добавлении в него хлора при реакции происходит выделение хлората натрия:

6NaOH + 3Cl₂ → 5NaCl + NaClO₃ + 3H₂O

Реакция едкого натра с молекулярной серой идёт только при нагревании и приводит к образованию натриевых полисульфидов и сульфитов:

6NaOH + 3S → 2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂O

Среди металлов гидроксид натрия реагирует только с амфотерными соединениями, не вступает в реакцию с хромом и железом. При растворении веществ образуется комплексная соль и выделяется газообразный водород:

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

При нагревании твёрдых соединений продукты реакции меняются:

NaOH + Zn → Na₂ZnO₂ + H₂↑

Для каустической соды характерны обменные реакции – взаимодействия, во время которых происходит обмен функциональными группировками. Она реагирует по такому механизму с некоторыми растворимыми солями:

2NaOH + CuCl₂ → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl

Растворение гидроксида натрия в воде протекает с образованием ионов гидроксильных группировок:

NaOH → Na⁺ + OH^–

Наличие большого количества гидроксильных групп обуславливает щелочную реакцию растворов. В расплавленном состоянии вещество подвергается электролизу, к катоду передвигается положительно заряженный натрий, а на аноде выделяется кислород:

4NaOH → 4Na⁺ + O₂ + 2H₂O

Термическое разложение каустической соды происходит при нагревании до 600 °С:

2NaOH → Na₂O + H₂O

Гидроксид натрия реагирует и с органическими веществами. При взаимодействии с жирами происходит омыление – необратимая реакция гидролиза сложного эфира до спирта, кислоты либо её соли.

Производство и получение

Получение едкой щелочи в лабораторных условиях ведётся различными путями. Чаще всего, для экономии реактивов и получения большого выхода продукта, применяют реакцию электролиза хлорида натрия:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂

Гидроокись натрия можно получить путём взаимодействия натрия, его гидридов, пероксидов и оксидов с водой. В качестве побочных продуктов выделяется водород или перекись водорода:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑

Другой способ получения гидроксида натрия – реакция обмена между гидроксидом кальция и карбонатом натрия:

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → NaOH + CaCO₃↓

В промышленности наиболее популярны электрохимические способы производства каустической соды. Все они основаны на реакции электролиза и могут быть описаны общей формулой:

2NaCl + 2H₂O → H₂↑ + Cl₂↑+ 2NaOH

В зависимости от используемого оборудования выделяют три метода электрохимического получения едкого натра:

• диафрагменный;
• мембранный;
• ртутный.

Диафрагменная методика предполагает использование диафрагменного электролизера, включающего анод и катод (электроды), изоляторы, пространство для газов и диафрагму. Работа устройства идёт в несколько этапов:

1. Раствор соли (галит) подаётся в анодное пространство, протекая через диафрагму, нанесенную на катод.
2. Анод может быть угольным или графитовым, более продвинутые – титановые со специальным покрытием. На аноде происходит образование молекулярного хлора с отделением двух электронов. Вода отдаёт 4 электрона, разлагаясь на молекулярный кислород и катионы водорода. Формируются хлорат-ионы.
3. На катоде идёт разложение воды на молекулярный водород и две гидроксильные группировки. Хлорат-ионы, присоединяя воду и электроны, дают хлор и разное количество гидроксильных ионов.
4. Щёлок, богатый гидроксидом натрия, упаривают до содержания вещества не менее 50%.
5. Побочные продукты выпадают в осадок и выводятся, газообразный молекулярный хлор сжимают и отправляют на производство хлорсодержащих веществ или на утилизацию.

Диафрагменный способ наиболее древний и дешевый, поэтому применяется в промышленности до сих пор. Более сложный метод – мембранный, используется последнее время всё чаще, поскольку позволяет достичь высокого выхода продукта при экономии ресурсов. Техническое отличие данного способа от диафрагменного в том, что диафрагма заменяется тонкой непроницаемой для анионов мембраной. При этом в анодное пространство подаётся раствор соли, а в катодное – вода. Щёлок получается более чистым.

Самый эффективный и распространённый способ промышленного получения гидроксида натрия – ртутный. Он заключается в использовании ртутного катода. При этом организация производства очень проста: необходим электролизёр, разлагатель сплавов ртути, нанос, соединённые ртутепроводами. Нанос прокачивает поток ртути, который выступает в роли катода. Аноды могут быть любые.

На аноде выделяется хлор, который отводится их электролизера, а также анолит. На катоде происходит восстановление ионов натрия до сплава со ртутью, которая затем поступает в разлагатель, где отделяется гидроксид натрия, водород, а ртуть сливается и может быть повторна использована. Выход продукта достаточно высок, при этом он отличается чистотой и хорошим качеством.

Химические способы промышленного синтеза каустической соды делят на несколько разновидностей:

• пиролитический;
• известковый;
• ферритный.

Эти методики возникли задолго до электрохимических. Однако они сопряжены с большими расходами, необходимостью тщательной очистки, поскольку готовый продукт сильно загрязнён.

Пиролитический способ основан на прокаливании в печи карбоната либо гидрокарбоната натрия при температуре порядка 250 °С. При этом образуется оксид натрия, который затем охлаждают и небольшими порциями добавляют в воду. Растворение происходит с интенсивным выделением тепла, поэтому внесение вещества проводят очень медленно.

Известковый метод предполагает каустификацию – смешивание кальцинированной соды с гидроксидом калия при подогреве до 80 °С. При этом образутеся гидроксид натрия и карбонат кальция, выпадающий в осадок. Полученную массу отправляют на фильтрацию, читый раствор упаривают и кристаллизуют.

Ферритный метод схож с известковым, однако в данном случае применяется оксид железа, который спекают с карбоксидом натрия при температуре свыше 800 °С. Полученный феррит натрия выщелачивают водой, в результате образуется гидроокись натрия и осадок оксида железа.

Полезные свойства

Гидроксид натрия в качестве пищевой добавки не оказывает существенного влияния на организм человека. Это связано с тем, что пищевая добавка Е524 вносится в состав продукта в очень малых количествах, поэтому не участвует в метаболизме.

Польза соединения заключается в многогранности использования. Уникальные физико-химические свойства щелочи позволяют применять её во многих областях жизни: от пищевой промышленности и производства косметики до изготовления топлива и текстиля.

Вред

Каустическая сода является крайне опасным веществом. В чистом виде она может вызвать химические ожоги кожи и слизистых оболочек, поэтому при работе с ней необходимо соблюдать меры безопасности. Попадание соединения в дыхательные пути приведёт к раздражению дыхательного центра, сильному кашлю, отёку гортани, боли в горле. Щёлочь, попавшая в глаза, приводит к глубокому прогрессирующему ожогу роговицы и слепоте.

Проглатывание гидроксида натрия вызывает сильнейшее отравление, которое характеризуется следующими симптомами:

1. Повышение артериального давления и учащение пульса, возникает тахикардия.
2. Возникает сильная боль в пищеводе и желудке, что связано с расплавлением тканей, возникновением язв и некроза.
3. Появляется распространяющееся чувство острого жжения.
4. Дыхание затрудняется, появляется одышка, признаки анафилактического шока.

Применение

Гидроокись натрия применяется во многих сферах жизни. Большинство производимого соединения потребляется химической отраслью для выпуска мыла, шампуней, гелей для душа, моющих средств. Пищевая добавка Е524 используется в производстве продуктов питания как стабилизатор и эмульгатор. Реагент является необходимым для создания целлюлозы сульфатным методом, это важный компонент моторного биотоплива, основанного на смеси органических и неорганических веществ.  Кроме того, каустическая сода применима в косметологии, фотографии и текстильной промышленности.

Применение гидроксида натрия в пищевой промышленности

Пищевая добавка Е524 – это стабилизатор и эмульгатор, который в небольших количествах вносится в продукцию для стабилизации структуры. Добавку можно найти в составе такой продукции:

• фруктовые джемы;
• мармелад и другая желейная продукция;
• фруктовая и овощная консервация;
• кондитерские изделия;
• сливочное масло, маргарин;
• какаосодержащие продукты;
• хлебобулочные изделия.

В составе продукции, содержащие фрукты, гидроокись натрия регулирует кислотность, улучшает вкусовые качестве, предотвращает расслоение и выделение жидкости, разрушение структуры. Порошок Е524 – улучшитель муки, он позволяет добиться хрустящей корочки при выпечке при сохранении мягкости начинки. Внесение каустической соды в консервированные оливки размягчает их, придаёт интенсивную чёрную окраску.

Гидроксид натрия является компонентом национальных блюд. Так, при приготовлении скандинавского блюда лютефиск кристаллами щёлочи засыпают высушенную треску и вымачивают её 3-5 дней, после чего рыбное мясо приобретает желеобразную консистенцию. Кроме того, едкий натр используется при изготовлении немецких солёных кренделей. Перед выпеканием заготовки на несколько секунд опускают в раствор, из-за чего впоследствии образуется уникальная хрустящая корочка.

Применение гидроксида натрия в химической промышленности

Каустическая сода вступает в реакцию омыления жиров, образуя стойкую густую пену. Издревле это свойство использовалось для приготовления мыла. Гидроксид натрия применяется чаще всего при выпуске твёрдой мыльной продукции. Как основный компонент он вносится в состав любого мыла, даже натурального. На упаковке ингредиент обозначается как «sodium hydroxide».

Раствор едкого натра применяется в промышленности как чистящее средство. Он эффективно избавляет от жиров и масел, налёта, скапливающегося в резервуарах и котлах на заводах. Щелочь подходит для избавления от застоявшейся грязи и засоров, поэтому является действующим веществом в средствах для прочистки труб. Она растворяет белки и жиры, поэтому применима в домашних условиях. По сравнению с хлорсодержащими средствами натриевый гидроксид более экологичен, хотя также агрессивен.

Применение гидроксида натрия в косметологии и других сферах

В косметологии каустическая сода используется для удаления ороговевших участков кожи, прижигания папиллом и бородавок. Это небезопасный способ, который применяется только под контролем специалиста. Местное прижигание бородавки способствует уничтожению патогена вместе с живыми тканями, поэтому процедура очень болезненна. Сегодня она чаще всего проводится с жидким азотом, который менее травмоопасный и более контролируемый.

Гидроксид натрия применяется в топливной промышленности для производства биологического топлива, в состав которого входит смесь органических веществ, в основном растительных масел и спиртов. К этой массе в качестве катализатора добавляют едкий натр, который вступает в реакцию со спиртом, образуется легковоспламеняемый эфир. Это более безопасное для окружающей среды топливо, чем жидкость, основанная на нефтепродуктах. Однако оно более эффективно, чем его минеральный аналог.

В текстильной промышленности едкой щелочью обрабатывают ткани при натяжении и пониженных температурах. Впоследствии их промывают последовательной горячей и холодной водой. Благодаря этому нити становятся прочными и шелковистыми, лучше окрашиваются и дольше удерживают краситель. После обработки текстиль менее подвержен усадке. В основе мерсеризации лежит физико-химическое превращение волокон под действием гидроксида натрия: целлюлоза активно впитывает соединение и набухает, некоторые водородные связи внутри этого природного полимера рвутся, за счёт набухания увеличивается пространство между волокнами, в ткани возникают поры. Нити приобретают правильную форму, поэтому в целом текстиль выглядит более ровным и блестящим.

Кроме этих сфер гидроокись натрия используется также:

• как проявляющий агент в фотографии;
• для дезактивации фосфорорганических отравляющих веществ;
• для очистки вдыхаемого воздуха от углекислого газа в специализированных респираторах;
• в качестве катализатора и реагента в химических синтезах и титровании.

Тип пищевой добавки, класс опасности и токсичности, хранение

Пищевая добавка Е524 относится к типу стабилизаторов, эмульгаторов и регуляторов кислотности. Вещество относится ко второму классу опасности и оценивается как высокоопасное соединение. Щелочь оказывается негативное воздействие на окружающую среду и токсична для человека, при попадании на кожу, слизистые оболочки глаз, дыхательных путей и ЖКТ вызывает сильнейшие ожоги, некроз тканей. Работать с веществом необходимо в защитной одежде и респираторе. Едкий натр хранят в герметично закрытой оригинальной упаковке в хорошо вентилируемом помещении при температурном режиме 15-25 °С. Натр едкий технический может иметь ГОСТ Р 55064-2012, ГОСТ 2263-79 и другие.

Где купить и сколько стоит

Технический гидроксид натрия продают заводы-производители и магазины, специализирующиеся на лабораторных реагентах. Цена составляет порядка 100 рублей за 1 кг. Жидкие формы стоят дороже, стоимость одномолярного раствора около 400 рублей. Пищевая добавка Е524 продаётся оптом компаниями, которые производят либо перекупают соединение. Цена 1 кг порошка составляет 150-200 рублей.

Заключение

Гидроксид натрия – это неорганическое вещество, которое обладает ярко выраженными основными свойствами. Эта сильная щелочь применяется в пищевой промышленности для стабилизации структуры и кислотности продуктов, она необходима для производства мыла, моющих средств и шампуней. Каустическая сода – это опасный реагент, вызывающий повреждение и изъязвление тканей, работать с ним нужно осторожно. За счёт уникальных химических свойств едкий натр используется для очищения стоков и технического оборудования.

Читайте также:

• Гидроксид аммония: свойства, применение, опасность, реакции
• Гидроксид кальция (Е526): описание, польза и вред, применение
• Гидроксид калия: описание, вред и польза, применение
• Сульфат натрия: описание, получение, реакции, применение