硫酸鈉
| 硫酸鈉 | |
|---|---|
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| IUPAC名 Sodium sulfate | |
| 別名 | 元明粉 芒硝 格勞勃鹽 |
| 識別 | |
| CAS號 | 7757-82-6  7727-73-3（十水）
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| PubChem | 24436 |
| ChemSpider | 22844 |
| SMILES |
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| InChI |
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| ChEBI | 32149 |
| RTECS | WE1650000 |
| 性質 | |
| 化學式 | Na2SO4 |
| 摩爾質量 | 無水：142.04 g/mol 十水：322.20 g·mol⁻¹ |
| 外觀 | 白色結晶狀固體 有吸濕性 |
| 氣味 | 無味 |
| 密度 | 2.664 g/cm3（無水） 1.464 g/cm3（十水） |
| 熔點 | 884 °C（1157 K） |
| 沸點 | 1429 °C（1702 K） |
| 溶解性（水） | 無水： 4.76 g/100 mL (0 °C) 28.1 g/100 mL (25 °C)[1] 42.7 g/100 mL (100 °C) 十水： 19.5 g/100 mL (0 °C) 44 g/100 mL (20 °C) |
| 溶解性 | 難溶於乙醇 可溶於甘油、水和碘化氫 |
| 磁化率 | −52.0·10−6 cm3/mol |
| 折光度n D |
1.468（無水） 1.394（十水） |
| 結構 | |
| 晶體結構 | 斜方（無水）[2] 單斜（十水） |
| 藥理學 | |
| ATC代碼 | A06AD13（A06），A12 |
| 危險性 | |
| 主要危害 | 刺激性 |
| NFPA 704 |
 0
1
0
|
| 閃點 | 不可燃 |
| 相關物質 | |
| 其他陰離子 | 硒酸鈉 碲酸鈉 |
| 其他陽離子 | 硫酸鋰 硫酸鉀 硫酸銣 硫酸銫 |
| 相關化學品 | 硫酸氫鈉 亞硫酸鈉 過硫酸鈉 |
| 若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。 | |
硫酸鈉是一種無機化合物，化學式為Na2SO4，是一種白色固體，易溶於水。其十水合物的年產量為600萬噸，是一種主要的化工產品。它主要用於製造粉狀家用洗衣劑的填料，應用於紙漿製造中的硫酸鹽製漿法，以及製造高鹼性的硫化物。[3]
形態
[編輯]- 無水硫酸鈉；礦物形式為無水芒硝，高純度、細顆粒時也稱元明粉，為斜方晶系構成的晶體[4]。其在各工業領域有廣泛應用：在造紙工業中用以充當硫酸鹽紙漿的蒸煮劑；在玻璃工業中代替純鹼；在化工行業用以製造硫化鈉、矽酸鈉；在染料工業中充當助染劑等[5]。
- 七水硫酸鈉：一種非常稀有的形態，為正方或斜方晶系構成的晶體[4]，可由無水硫酸鈉吸水生成[6]。
- 十水硫酸鈉：常被稱為芒硝，為單斜晶系構成晶體[4]。其在化學工業、醫藥、鞣革、紡織印染等行業中都有廣泛使用[7]。
歷史
[編輯]十水硫酸鈉被稱為格勞勃鹽，以荷蘭/德國化學家和藥劑師約翰·格勞勃的名字命名。他於1625年在奧地利的泉水中發現了這種鹽。因為其晶體具有通用瀉藥的藥用價值，將其命名為sal mirabilis（神奇的鹽），直到20世紀才發現其他有類似作用的藥物[8][9]。
在18世紀，芒硝開始被用作工業生產純鹼（碳酸鈉）的原料。由於對純鹼的需求增加，硫酸鈉的供應也必須相應增加。因此在19世紀，大規模的勒布朗制鹼法以生產合成硫酸鈉作為關鍵的中間物質，成為純鹼生產的主要方法。[10]
化學性質
[編輯]硫酸鈉是一種典型的靜電結合的離子硫酸鹽。當加入鋇或鉛鹽形成難溶性硫酸鹽，可證明溶液中存在游離的硫酸根離子：
- Na2SO4 + BaCl2 → 2 NaCl + BaSO4
硫酸鈉對大多數氧化劑或還原劑都沒有反應。在高溫下，它可以通過碳熱還原轉化為硫化鈉：[11]
- Na2SO4 + 2 C → Na2S + 2 CO2
這一反應被用於勒布朗工藝，這是一條已經過時的生產碳酸鈉的工業路線。
- Na2SO4 + H2SO4 ⇌ 2 NaHSO4
硫酸鈉略微顯示出形成復鹽的性質。與常見的三價金屬形成的礬只有NaAl(SO4)2（在39℃以上不穩定）和NaCr(SO4)2，而硫酸鉀和硫酸銨則形成許多穩定的礬。[14]
物理性質
[編輯]
硫酸鈉在水中具有不尋常的溶解特性。[15]其在水中的溶解度在0°C和32.384°C之間上升了10倍以上，達到的最大值為49.7 g/100 mL，隨後溶解度逐漸下降，這個溫度對應結晶水的釋放和水合鹽的熔化，可作為溫度計校準的精確溫度參考。
結構
[編輯]十水合物的晶體由具有八面體形分子構型的[Na(H2O)6]+離子組成。這些八面體共享邊，故10個水分子中有8個與鈉結合，另外2個是間隙性的，與硫酸根氫鍵結合。這些陽離子通過氫鍵與硫酸根陰離子相連。Na-O的距離約為240pm。結晶的十水硫酸鈉在水合鹽中也是不尋常的，它具有可測量的余熵（絕對零度時的熵），為6.32J/（K-mol）。這是因為與大多數水合物相比，它能夠更迅速地分佈水。[16]
生產
[編輯]硫酸鈉的世界產量，幾乎完全以十水合物的形式存在，每年約為550萬至600萬噸（Mt/a）。1985年產量為450Mt/a，一半來自自然資源，一半來自化工生產。21世紀後在2006年之前處於穩定的水平，自然生產增加到4Mt/a，化學生產減少到1.5至2 Mt/a，總產量為5.5至6 Mt/a。[17][18][19][20]對於所有的應用，自然生產和化學生產的硫酸鈉實際上可互換。
自然資源
[編輯]世界上三分之二的十水鹽產量來自礦物芒硝，例如在薩斯喀徹溫省南部的湖床上發現的。1990年，墨西哥和西班牙是世界上自然硫酸鈉的主要生產國（各約50萬噸），俄羅斯、美國和加拿大各約35萬噸。[18]天然資源估計在10億噸以上。[17][18]
用以製備硫酸鈉的天然礦物主要有芒硝、無水芒硝、鈣芒硝三種，其中芒硝和無水芒硝為硫酸鈉及其水合物，鈣芒硝為含鈣鈉的硫酸鹽礦物，化學式為Na2Ca(SO4)2，理論成分為22.29%Na2O，20.16%CaO，57.55%SO3，單斜晶系。這三種礦石均主要用於工業製備無水硫酸鈉和硫化鈉，且其礦床常有互相伴生關係。[21]
化學生產
[編輯]世界上大約三分之一的硫酸鈉是作為化學工業中其他工藝的副產品生產的。這種生產的大部分是初級工藝中固有的化學成分，而且只有很小的經濟效益。作為副產品的硫酸鈉生產正在下降。
最重要的硫酸鈉化學生產是在鹽酸生產過程中，在曼海姆工藝中由氯化鈉和硫酸生產，或在哈格里夫斯工藝中由二氧化硫生產。這些過程中產生的硫酸鈉被稱為鹽餅。
- 2 NaCl + H2SO4 → 2 HCl + Na2SO4
- 4 NaCl + 2 SO2 + O2 + 2 H2O → 4 HCl + 2 Na2SO4
硫酸鈉的第二個主要生產過程是用硫酸中和剩餘的氫氧化鈉。這種方法也是一種經常應用和方便的實驗室製備方法。
- 2 NaOH(aq) + H2SO4(aq) → Na2SO4(aq) + 2 H2O(l) ΔH = -112.5 kJ（高度放熱）
在實驗室中，它也可以從碳酸氫鈉和硫酸鎂的反應中，通過沉澱碳酸鎂製備。
- 2 NaHCO3 + MgSO4 → Na2SO4 + MgCO3 + CO2 + H2O
由於商業來源很容易獲得，通常不會在實驗室製備。
過去硫酸鈉也是製造重鉻酸鈉的副產品，將硫酸加入鉻酸鈉溶液中形成重鉻酸鈉，或隨後形成鉻酸。另外，硫酸鈉在生產碳酸鋰、螯合劑、間苯二酚、抗壞血酸、矽石顏料、硝酸和苯酚的過程中形成或曾經形成。[17]
散裝硫酸鈉通常通過十水合物形式提純，因為無水形式往往會吸引鐵化合物和有機化合物。通過溫和加熱，無水物很容易從水合物中產生。
應用
[編輯]商業用途
[編輯]硫酸鈉是一種非常便宜的材料。最大的用途是作為家用洗衣粉的填充劑，消耗了世界產量的大約50%。隨着消費者逐漸改用不含硫酸鈉的緊湊型或液體洗滌劑，這種用途正在減少。[17]
造紙業
[編輯]硫酸鈉以前的另一個主要用途是用於製造木漿的硫酸鹽製漿法。然而，由於在20世紀60年代初牛皮紙回收過程中熱效率的提高，實現了更有效的硫回收，對硫酸鈉的需求也大幅減少。[22] 因此，美國和加拿大紙漿行業對硫酸鈉的使用從1970年的每年140萬噸下降到2006年的大約15萬噸。
玻璃製造
[編輯]玻璃工業是硫酸鈉的另一個重要用途，是歐洲的第二大用途。硫酸鈉被用作熔煉劑，以幫助去除熔融玻璃中的小氣泡。它能使玻璃透明，並防止玻璃熔體在精煉過程中形成浮渣。從1970年到2006年，歐洲的玻璃工業每年的消費量穩定在110,000噸。[23]
紡織面料
[編輯]硫酸鈉在紡織品的生產中很重要，尤其在日本。添加硫酸鈉是為了增加溶液的離子強度，減少紡織纖維上的負電荷，使染料能夠均勻地滲透。與替代品氯化鈉不同，它不會腐蝕用於染色的不鏽鋼容器。2006年，日本和美國的這種應用消耗了大約10萬噸。[17]
食品工業
[編輯]熱儲存
[編輯]硫酸鈉在從固體到液體的相變中具有很高的儲熱能力，以及32 °C（90 °F）的有利相變溫度，使這種材料特別適合於儲存低級別的太陽能熱量，以便未來在空間升溫中釋放。在一些應用中，該材料被納入放置在閣樓空間的熱瓦中，而在其他應用中，該鹽被納入被太陽能加熱的水包圍的電池中。相變使得有效儲熱所需的材料質量大幅降低（十水硫酸鈉的熔融熱為82kJ/mol或252kJ/kg[25]），而且只要有足夠的適當相的材料，溫度就能保持一致。
對於冷卻應用，與氯化鈉（NaCl）的混合物將熔點降低到18 °C（64 °F）。NaCl·Na2SO4·10H2O混合物的熔化熱略微增加到286kJ/kg。[26]
小規模應用
[編輯]在實驗室中，無水硫酸鈉廣泛用於惰性中性乾燥劑，用於去除有機溶液中的微量水分。[27]它比類似的硫酸鎂更有效，但作用較慢。它只在30℃以下有效，但由於其化學性質相當惰性，所以可以用於各種材料。
十水硫酸鈉被用作瀉藥。它可以有效從體內清除撲熱息痛（對乙酰氨基酚）等藥物，如在用藥過量之後。[28][29]
1953年，硫酸鈉被提議用於被動式太陽能採暖系統的蓄熱。這利用了其不尋常的溶解特性和高結晶熱（78.2kJ/mol）。[30]
硫酸鈉的其他用途包括為窗戶除霜、澱粉製造、作為地毯清新劑的添加劑，以及作為牛飼料的添加劑。
至少有一家公司Thermaltake，在絎縫塑料墊內使用十水硫酸鈉製造筆記本電腦冷卻墊（iXoft Notebook Cooler）。該材料會慢慢變成液體並再循環，從而平衡筆記本電腦的溫度並起到絕緣作用。[31]
安全性
[編輯]雖然硫酸鈉通常被認為是無毒的[24]，但應小心處理。粉塵可能導致暫時性哮喘或眼睛刺激，這種風險可以通過使用眼睛保護和紙質面具來預防。
參考資料
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外部連結
[編輯]- Calculators: surface tensions （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, and densities, molarities and molalities （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） of aqueous sodium sulfate
