كربونات الصوديوم Sodium Carbonate (المعروف أيضًا باسم صودا الغسيل washing soda ، ورماد الصودا soda ash ، و كريستال الصودا soda crystals) هي مادة غير عضوية و صيغتها الكيميائية في حالة النقاوة Na2CO3 و لها هيدرات مختلفة. و هذه المادة عبارة عن مسحوق أبيض اللون و لها طعم قلوي بقوة وتعطي محاليل قلوية معتدلة في الماء.
تاريخيا تم استخراج كربونات الصوديوم من رماد النباتات التي تنمو في التربة الغنية بالصوديوم. نظرًا لأن رماد هذه النباتات الغنية بالصوديوم كان مختلفًا بشكل ملحوظ عن رماد الخشب (كان يستخدم سابقًا لإنتاج البوتاس) ، أصبحت كربونات الصوديوم تُعرف باسم “رماد الصودا”. و حاليا يتم إنتاجها بكميات كبيرة من كلوريد الصوديوم والحجر الجيري بواسطة عملية تعرف باسم طريقة أو عملية سولفاي Solvay.
يتم الحصول على كربونات الصوديوم في شكل ثلاث هيدرات (ماءات) وكملح لا مائي:
– كربونات الصوديوم عشارية الماء (النطرون) ، Na2CO3.10H2O ، والتي تتزهر بسهولة لتشكيل أحادي الماء.
– كربونات الصوديوم سباعي الماء Na2CO3.7H2O.
– كربونات الصوديوم احادي الماء Na2CO3.H2O (ثيرموناترايت) و المعروف أيضا باسم كريستال الكربونات. (لمعلومات أكثر عن كربونات الصوديوم أحادي الماء يرجى الضغط على الرابط الآتي: كربونات الصوديوم المائية
و تتكون كربونات الصوديوم اللامائية ، والمعروفة أيضًا باسم الصودا الكلسية، عن طريق تسخين الهيدرات. و يتشكل أيضًا عند تسخين كربونات الصوديوم الهيدروجينية (المكلس) في الخطوة الأخيرة من عملية سولفاي على سبيل المثال.
و يتكون عشاري الماء من المحاليل المائية التي تتبلور في نطاق درجة الحرارة -2.1 إلى +32.0 درجة سيليزية، بينما يتكون السباعي الماء في النطاق الضيق من 32.0 إلى 35.4 درجة سيليزية وما فوق درجة الحرارة هذه ، تتشكل أحادي الماء.
و في الهواء الجاف ، يفقد كربونات الصوديوم عشاري الماء وكربونات الصوديوم سباعي الماء ماءاتها و ينتج عن ذلك أحادي الماء. و هناك أنواع أخرة من الهيدرات و لكنها غير شائعة كثيرا . الوزن الجزيئي لكربونات الصودبوم اللامائية Na2CO3 هو 105.9888 جرام/مول ، و لكربونات الصوديوم عشارية الماءNa2CO3.10H2O هو 286.1416 جرام/مول. و كثافة مركبات كربونات الصوديوم كما يلي:
2.54 g/cm3 (25 °C, اللامائي)-
2.25 g/cm3 (احادي الماء)-
1.51 g/cm3 (سباعي الماء)-
1.46 g/cm3 (عشاري الماء)-
و لكربونات الصوديوم العديد من التطبيقات و الاستعمالات الهامة فهو يدخل في صناعة الزجاج والورق والحرير الصناعي و الصابون والمنظفات.
ففي صناعة الزجاج تعمل كربونات الصوديوم كمدفق للسيليكا ، حيث تخفض درجة انصهار الخليط إلى شيء يمكن تحقيقه دون مواد خاصة. هذا “الزجاج الصودا” قابل للذوبان في الماء بشكل معتدل ، لذلك تتم إضافة بعض كربونات الكالسيوم إلى خليط الذوبان لجعل الزجاج غير قابل للذوبان.
و يتم صناعة الزجاج و خاصة زجاج النوافذ عن طريق إذابة هذه الخلائط من كربونات الصوديوم و كربونات الكالسيوم ورمل السيليكا (ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)). عندما يتم تسخين هذه المواد ، تطلق الكربونات ثاني أكسيد الكربون. وبهذه الطريقة ، تكون كربونات الصوديوم مصدرًا لأكسيد الصوديوم. يعتبر زجاج الجير الصودا أكثر أشكال الزجاج شيوعًا منذ قرون.
كما يستخدم كربونات الصوديوم لإزالة عسرالماء عن طريق إزالة +Mg2 و +Ca2 . هذه الأيونات تشكل رواسب صلبة غير قابلة للذوبان عند العلاج مع أيونات الكربونات:
Ca2+ + CO32- → CaCO3
فكربونات الصوديوم هي مصدر رخيص وغير قابل للذوبان في الماء من أيونات الكربونات.
كما يستخدم كربونات الصوديوم كمادة مضافة للغذاء (E500) وتستخدم كمنظم للحموضة ، وعامل مضاد للتآكل ، وعامل رفع ، ومثبت.
كما يستخدم كربونات الصوديوم كقاعدة قوية نسبيا في مختلف المجالات. كقلوي شائع ، يفضل في العديد من العمليات الكيميائية لأنه أرخص من هيدروكسيد الصوديوم وأكثر أماناً في التعامل معه. و يتم استخدامه كمنظم لدرجة الحموضة للحفاظ على ظروف قلوية مستقرة ضرورية لعمل غالبية عوامل تطوير الأفلام الفوتوغرافية.
و في الصباغة بالأصباغ المتفاعلة بالألياف ، يتم استخدام كربونات الصوديوم (غالبًا تحت اسم مثل مثبت رماد الصودا أو منشط رماد الصودا) لضمان الترابط الكيميائي الصحيح للصبغة بألياف السليلوز ، وعادةً قبل الصباغة (لصبغة التعادل) ، ممزوجة بالصبغة (لطلاء الصبغة) ، أو بعد الصباغة (لغمر الصباغة).
كما أنها تستخدم في عملية التعويم الزبد للحفاظ على درجة الحموضة مواتية كمكيف تعويم إلى جانب CaO وغالبًا ما يتم تحضير بيكربونات الصوديوم (NaHCO3) أو صودا الخبيز من كربونات الصوديوم ، وهي أيضًا مكون في طفايات الحريق، و على الرغم من أن NaHCO3 هو في حد ذاته منتج وسيط لعملية Solvay ، فإن التدفئة اللازمة لإزالة الأمونيا التي تلوثها تتحلل ببعض NaHCO3 ، مما يجعل التفاعل مع Na2CO3 النهائي مع ثاني أكسيد الكربون أكثر اقتصادية.
Na2CO3 + CO2 + H2O → 2NaHCO3
في تفاعل ذي صلة ، يتم استخدام كربونات الصوديوم لصنع بيكبريتيت الصوديوم (NaHSO3) ، والذي يستخدم لطريقة “كبريتيت” لفصل اللجنين من السليلوز. و يتم استغلال هذا التفاعل لإزالة ثاني أكسيد الكبريت من غازات المداخن في محطات الطاقة:
Na2CO3 + SO2 + H2O → NaHCO3 + NaHSO3
أصبح هذا التطبيق أكثر شيوعًا ، خاصةً حيث يتعين على المحطات تلبية ضوابط صارمة للانبعاثات. تستخدم صناعة القطن كربونات الصوديوم لتحييد حمض الكبريتيك اللازم لإزالة الحموض من بذرة القطن .و كربونات الصوديوم قابلة للذوبان في الماء ، ويمكن أن توجد بشكل طبيعي في المناطق القاحلة ، وخاصة في الرواسب المعدنية (التبخرات) التي تشكلت عندما تتبخر البحيرات الموسمية.
تم استخراج رواسب النطرون المعدني من قيعان البحيرة الجافة في مصر منذ العصور القديمة ، عندما استخدم النطرون في تحضير المومياوات وفي التصنيع المبكر للزجاج.
طرق تحضير كربونات الصوديوم
طريقة ليبلانك (لوبلان)
في عام 1792 ، حصل الكيميائي الفرنسي نيكولاس ليبلانك (لوبلان) على براءة اختراع لعملية إنتاج كربونات الصوديوم من الملح وحمض الكبريتيك والحجر الجيري والفحم. في الخطوة الأولى ، يتم معالجة كلوريد الصوديوم مع حمض الكبريتيك في عملية مانهايم Mannheim process . ينتج هذا التفاعل كبريتات الصوديوم (كعكة الملح) و كلوريد الهيدروجين:
2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl
يتم تقليل كعكة الملح والحجر الجيري المسحوق (كربونات الكالسيوم) عن طريق التسخين باستخدام الفحم. و هذا التحويل يستلزم جزأين. الأول هو تفاعل كربوني حراري حيث يعمل الفحم على اختزال الكبريتات إلى كبريتيد:
Na2SO4 + 2C → Na2S + 2CO2
المرحلة الثانية هي تفاعل لإنتاج كربونات الصوديوم وكبريتيد الكالسيوم:
Na2S + CaCO3 → Na2CO3 + CaS
و هذا الخليط يسمى الرماد الأسود. يتم استخراج رماد الصودا من الرماد الأسود بالماء. و تبخر هذا المستخلص ينتج كربونات الصوديوم الصلبة.
إن حمض الهيدروكلوريك الناتج عن عملية ليبلانك (لوبلان) Leblanc مصدرًا رئيسيًا لتلوث الهواء ، كما عرض المنتجات الثانوية لكبريتيد الكالسيوم أيضًا قضايا التخلص من النفايات. ومع ذلك ، ظلت طريقة الإنتاج الرئيسية لكربونات الصوديوم حتى أواخر الثمانينات من القرن التاسع عشر.
عملية سولفاي
طور الكيميائي الصناعي البلجيكي إرنست سولفاي طريقة لتحويل كلوريد الصوديوم إلى كربونات الصوديوم باستخدام الأمونيا وثاني أكسيد الكربون:
NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl
ثم تم تحويل بيكربونات الصوديوم إلى كربونات الصوديوم عن طريق تسخينه ، وإطلاق الماء وثاني أكسيد الكربون:
2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2
وفي الوقت نفسه ، تم إعادة إنتاج الأمونيا من ناتج كلوريد الأمونيوم عن طريق معالجته مع الجير (أكسيد الكالسيوم) المتبقي من توليد ثاني أكسيد الكربون:
2NH4Cl + CaO → 2NH3 + CaCl2 + H2O
تقوم عملية سولفاي بإعادة تدويرالأمونيا، و هي تستهلك الماء المالح والحجر الجيري فقط ، وكلوريد الكالسيوم هو منتج النفايات الوحيد. و هذه العملية أكثر اقتصادا من عملية ليبلانك (لوبلان) ، التي تولد ناتجين من النفايات ، كبريتيد الكالسيوم وكلوريد الهيدروجين. و سرعان ما أصبحت عملية سولفاي تسيطر على إنتاج كربونات الصوديوم في جميع أنحاء العالم. و بحلول عام 1900 ، تم إنتاج 90 ٪ من كربونات الصوديوم من خلال عملية سولفاي Solvay ، وأغلقت آخر محطة معالجة ليبلانك في أوائل العشرينات.
و تُستخدم الخطوة الثانية من عملية سولفاي Solvay ، وهي تسخين بيكربونات الصوديوم ، على نطاق صغير من قبل الطهاة في المنازل وفي المطاعم لصنع كربونات الصوديوم لأغراض الطهي (بما في ذلك البريتزل والمعكرونة القلوية) ، حيث إن بيكربونات الصوديوم عادة ما يكون متاحًا كصودا الخبز يمكن تحقيق درجات الحرارة المطلوبة (121 درجة مئوية) إلى (149 درجة مئوية)) لتحويل صودا الخبيز إلى كربونات الصوديوم في أفران المطبخ التقليدية.
طريقة هوي
تم تطوير هذه الطريقة من قبل الكيميائي الصيني هوي ديبانج في ثلاثينيات القرن الماضي. ففي هذه الطريقة يتم ضخ ثاني أكسيد الكربون خلال محلول مشبع من كلوريد الصوديوم والأمونيا لإنتاج بيكربونات الصوديوم بواسطة هذه التفاعلات:
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
3H2 + N2 → 2NH3
NH3 + CO2 + H2O → NH4HCO3
NH4HCO3 + NaCl → NH4Cl + NaHCO3
ويتم جمع بيكربونات الصوديوم كراسب بسبب انخفاض ذوبانه ثم تسخينه إلى حوالي 80 درجة سيليزية أو 95 درجة سيليزية إنتاج كربونات الصوديوم النقي على غرار الخطوة الأخيرة من عملية سولفاي. ثم يضاف المزيد من كلوريد الصوديوم إلى المحلول المتبقي من الأمونيوم وكلوريد الصوديوم و ايضا يتم ضخ المزيد من الأمونيا عند 30-40 درجة سيليزية لهذا المحلول.
ثم يتم خفض درجة حرارة المحلول إلى أقل من 10 درجة سيليزية. فقابلية ذوبان كلوريد الأمونيوم أعلى من كلوريد الصوديوم عند 30 درجة سيليزية وأقل عند 10 درجة سيليزية. و نظرًا لاختلاف القابلية للذوبان في درجة الحرارة والتأثير الأيسون المشترك ، يتم ترسيب كلوريد الأمونيوم في محلول كلوريد الصوديوم.
بوسترات (لوحات) كيميائية بدقة عالية (أكثر من 25 لوحة) من تصميم الأستاذ أكرم أمير العلي
تطبيقات كيميائية من تصميم الأستاذ أكرم امير العلي متوفر للجوالات التي تعمل بنظام أندرويد android على سوق جوجل بلاي google play
1 – تطبيق ملصقات الجدول الدوري باللغة العربية : بطاقات تحتوي على معلومات شاملة و مختصرة في نفس الوقت كل عنصر على حدة (اللغة العربية).
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.akramir2
2 – تطبيق ملصقات كيميائية: ملصقات بتصميم جميل جدا للكواشف و الأدلة و الزجاجيات المستخدمة في المختبر و كذلك ملصقات و بطاقات لخزانات حفظ المواد و الأدوات الزجاجية .
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.akramir
3 – إذا كنت تواجه صعوبة في تحضير المحاليل الكيميائية الأكثر شيوعا في مختبرات الكيمياء و الاحياء، فهذا التطبيق سوف يساعدك كثيرا في تحضير المحاليل :
