كربونات الصوديوم

كربونات الصوديوم المائية (Na₂CO₃ _{· 10H₂O} ) ، والمعروفة أيضًا باسم صودا _الغسيل ، هي أكثر أنواع كربونات الصوديوم المائية شيوعًا، وتحتوي على 10 جزيئات من ماء التبلور . يتم إذابة رماد الصودا في الماء ثم بلورته للحصول على صودا الغسيل.   

Na ₂ CO ₃ + 10 H ₂ O → Na ₂ CO ₃ · 10 H ₂ O

وهو أحد كربونات المعادن القليلة التي تذوب في الماء.

يُستخدم كربونات الصوديوم كعامل مساعد لصهر السيليكا ( SiO₂ _، درجة انصهارها 1713  درجة مئوية)، مما يُخفض درجة انصهار الخليط إلى درجة يُمكن الوصول إليها دون استخدام مواد خاصة. هذا "الزجاج الصودا" قابل للذوبان في الماء بشكل طفيف، لذا تُضاف إليه كمية من كربونات الكالسيوم لجعله غير قابل للذوبان. يُصنع زجاج الزجاجات والنوافذ (" زجاج الصودا والجير " ذو درجة حرارة التحول ~570  درجة مئوية) عن طريق صهر مخاليط من كربونات الصوديوم وكربونات الكالسيوم ورمل السيليكا ( ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ₎ ). عند تسخين هذه المواد، تُطلق الكربونات ثاني أكسيد الكربون. وبهذه الطريقة، يُعد كربونات الصوديوم مصدرًا لأكسيد الصوديوم. لطالما كان زجاج الصودا والجير أكثر أنواع الزجاج شيوعًا لقرون. كما أنه يُعد عنصرًا أساسيًا في صناعة زجاج أدوات المائدة. ^{[ 15 ]}

تحتوي المياه العسرة عادةً على أيونات الكالسيوم أو المغنيسيوم. ويُستخدم كربونات الصوديوم لإزالة هذه الأيونات واستبدالها بأيونات الصوديوم. ^{[ 16 ]}

كربونات الصوديوم مصدر قابل للذوبان في الماء للكربونات. تشكل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم رواسب صلبة غير قابلة للذوبان عند معالجتها بأيونات الكربونات .

Ca ²⁺ (aq) + CO 2− 3 (aq) → CaCO ₃ (s)

يتم تليين الماء لأنه لم يعد يحتوي على أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم المذابة. ^{[ 16 ]}

يُستخدم كربونات الصوديوم في العديد من تطبيقات الطهي، ويعود ذلك أساسًا إلى كونه قاعدة أقوى من صودا الخبز ( بيكربونات الصوديوم ) وأضعف من الصودا الكاوية (التي قد تشير إلى هيدروكسيد الصوديوم أو، في حالات أقل شيوعًا، هيدروكسيد البوتاسيوم ). تؤثر القلوية على إنتاج الغلوتين في العجائن، كما تُحسّن عملية التحمير عن طريق خفض درجة الحرارة التي يحدث عندها تفاعل ميلارد . وللاستفادة من هذا التأثير، يُعدّ كربونات الصوديوم أحد مكونات "كانسوي" (かん水) ، وهو محلول من الأملاح القلوية يُستخدم لإضفاء النكهة المميزة والقوام المطاطي على نودلز الرامين اليابانية ؛ ويُستخدم محلول مشابه في المطبخ الصيني لصنع "لاميان" (Lamean) لأسباب مماثلة. وبالمثل، يستخدم الخبازون الكانتونيون كربونات الصوديوم كبديل لمحلول الصودا الكاوية لإضفاء القوام المميز على كعك القمر وتحسين تحميره. وفي المطبخ الألماني (ومطبخ أوروبا الوسطى بشكل عام)، يمكن معالجة أنواع الخبز، مثل المعجنات المالحة ولفائف الصودا الكاوية، التي تُعالج تقليديًا بالصودا الكاوية لتحسين تحميرها، بكربونات الصوديوم بدلًا من ذلك. لا ينتج كربونات الصوديوم لونًا بنيًا قويًا مثل الصودا الكاوية، ولكنه أكثر أمانًا وأسهل في الاستخدام. ^{[ 18 ]}

يُستخدم كربونات الصوديوم في إنتاج مسحوق الشربات . وينتج الإحساس بالبرودة والفقاعات عن التفاعل الماص للحرارة بين كربونات الصوديوم وحمض ضعيف، عادةً حمض الستريك ، والذي يُطلق غاز ثاني أكسيد الكربون، ويحدث ذلك عندما يتبلل الشربات باللعاب.

يُستخدم كربونات الصوديوم أيضاً في صناعة الأغذية كمادة مضافة ( رقم الهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية E500) كمنظم للحموضة، ومضاد للتكتل ، وعامل رفع ، ومثبت. كما يُستخدم في إنتاج السنوس لتثبيت درجة حموضة المنتج النهائي.

يُستخدم كربونات الصوديوم أيضًا كقاعدة قوية نسبيًا في مجالات متنوعة. وباعتباره قلويًا شائعًا، يُفضّل استخدامه في العديد من العمليات الكيميائية لأنه أرخص من هيدروكسيد الصوديوم وأكثر أمانًا في التعامل. كما أن خصائصه المعتدلة تجعله مناسبًا للاستخدامات المنزلية.

على سبيل المثال، يُستخدم كمنظم لدرجة الحموضة للحفاظ على ظروف قلوية مستقرة ضرورية لعمل معظم عوامل تحميض أفلام التصوير . كما أنه مادة مضافة شائعة في مياه حمامات السباحة وأحواض السمك للحفاظ على درجة حموضة وصلابة كربونات (KH) مناسبة. في الصباغة باستخدام الأصباغ التفاعلية للألياف، يُستخدم كربونات الصوديوم (غالبًا تحت مسميات مثل مثبت رماد الصودا أو منشط رماد الصودا) كمادة مثبتة لضمان الترابط الكيميائي السليم للصبغة مع ألياف السليلوز (النباتية). كما يُستخدم في عملية التعويم الرغوي للحفاظ على درجة حموضة مناسبة كمُحسِّن للتعويم إلى جانب أكسيد الكالسيوم ومركبات قاعدية أخرى ضعيفة.

يُنتج بيكربونات الصوديوم (NaHCO₃ ₎ أو صودا الخبز، وهو أحد مكونات طفايات الحريق، غالبًا من كربونات الصوديوم. على الرغم من أن _NaHCO₃ هو نفسه منتج وسيط في عملية سولفاي، إلا أن التسخين اللازم لإزالة الأمونيا الملوثة به يؤدي إلى تحلل جزء من NaHCO₃ _، مما يجعل تفاعل Na₂CO₃ النهائي _مع CO₂ _{أكثر اقتصادية .}

Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O → 2 NaHCO ₃

في تفاعل مشابه، يُستخدم كربونات الصوديوم لتحضير بيسلفيت الصوديوم (NaHSO₃ ₎ ، الذي يُستخدم في طريقة "السلفيت" لفصل اللجنين عن السليلوز. ويُستغل هذا التفاعل لإزالة ثاني أكسيد الكبريت من غازات المداخن في محطات توليد الطاقة.

Na ₂ CO ₃ + SO ₂ + H ₂ O → NaHCO ₃ + NaHSO ₃

أصبح هذا التطبيق أكثر شيوعاً، خاصة في الأماكن التي يتعين على المحطات فيها تلبية ضوابط صارمة للانبعاثات.

يستخدم كربونات الصوديوم في صناعة القطن لمعادلة حمض الكبريتيك اللازم لإزالة الوبر من بذور القطن الزغبية.

كما يستخدم لتكوين كربونات المعادن الأخرى عن طريق التبادل الأيوني، وغالبًا مع كبريتات المعادن الأخرى.

يُستخدم كربونات الصوديوم في صناعة الطوب كعامل ترطيب لتقليل كمية الماء اللازمة لبثق الطين. وفي عملية الصب، يُشار إليه باسم "عامل الربط" ويُستخدم لتمكين الألجينات الرطبة من الالتصاق بالألجينات المتجمدة. كما يُستخدم كربونات الصوديوم في معاجين الأسنان، حيث يعمل كعامل رغوي ومادة كاشطة، ولزيادة درجة حموضة الفم مؤقتًا.

يُستخدم كربونات الصوديوم أيضًا في معالجة ودباغة جلود الحيوانات لمعادلة الأحماض. ^{[ 19 ]}

وباعتبارها مادة أولية لأحد مكونات بطارية أيونات الصوديوم ، فإن تكلفة كربونات الصوديوم تبلغ 1% من تكلفة كربونات الليثيوم المستخدمة في بطارية أيونات الليثيوم . ^{[ 20 ]}

يُستخرج الترونا ، المعروف أيضاً باسم ثنائي هيدرات هيدروجين كربونات الصوديوم ( Na₃HCO₃CO₃ · _2H₂O ) _، من عدة مناطق في الولايات المتحدة، ويُغطي تقريباً كامل استهلاك الولايات المتحدة من كربونات الصوديوم. وقد جعلت الرواسب الطبيعية الكبيرة التي اكتُشفت عام 1938، مثل تلك الموجودة بالقرب من _غرين ريفر _في وايومنغ ، التعدين أكثر جدوى اقتصادية من الإنتاج الصناعي في أمريكا الشمالية. وتوجد احتياطيات هامة من الترونا في تركيا؛ ^{[ 25 ]} حيث استُخرج مليونا طن من رماد الصودا من الاحتياطيات القريبة من أنقرة.  

يمكن معالجة العديد من أنواع النباتات " الهالوفيتية " (المتحملة للملوحة) وأنواع الطحالب البحرية لإنتاج شكل غير نقي من كربونات الصوديوم، وقد سادت هذه المصادر في أوروبا وغيرها حتى أوائل القرن التاسع عشر. كانت تُحصد النباتات البرية (عادةً نباتات الزعتر أو الزعتر البحري ) أو الطحالب البحرية (عادةً أنواع الفوقس ) وتُجفف وتُحرق. ثم يُغسل الرماد بالماء لتكوين محلول قلوي. يُغلى هذا المحلول حتى يجف تمامًا لإنتاج المنتج النهائي، والذي كان يُطلق عليه اسم "رماد الصودا"؛ هذا الاسم القديم مشتق من الكلمة العربية " صودا" ، والتي بدورها كانت تُطلق على نبات السالسولا الصودا ، وهو أحد أنواع نباتات الشواطئ العديدة التي تُحصد للإنتاج. "باريلا" هو مصطلح تجاري يُطلق على شكل غير نقي من البوتاس يُستخرج من النباتات الساحلية أو عشب البحر . ^{[ 26 ]}

تفاوت تركيز كربونات الصوديوم في رماد الصودا بشكل كبير، من 2-3% للنوع المستخلص من الأعشاب البحرية (" عشب البحر ")، إلى 30% لأفضل أنواع الباريلا المنتجة من نباتات الساليكورنيا في إسبانيا. وبحلول نهاية القرن الثامن عشر، أصبحت مصادر النباتات والأعشاب البحرية لرماد الصودا، وكذلك القلوي المرتبط به " البوتاس "، غير كافية بشكل متزايد، واشتدت الجهود للبحث عن طرق مجدية تجاريًا لتصنيع رماد الصودا من الملح ومواد كيميائية أخرى. ^{[ 27 ]}

في عام 1792، حصل الكيميائي الفرنسي نيكولا لوبلان على براءة اختراع لعملية إنتاج كربونات الصوديوم من الملح وحمض الكبريتيك والحجر الجيري والفحم. في الخطوة الأولى، يُعالج كلوريد الصوديوم بحمض الكبريتيك في عملية مانهايم . ينتج عن هذا التفاعل كبريتات الصوديوم ( كعكة الملح ) وكلوريد الهيدروجين .

2 كلوريد الصوديوم + H2 _SO 4 _→ Na ₂ SO ₄ + 2 حمض الهيدروكلوريك

تم اختزال كعكة الملح والحجر الجيري المسحوق ( كربونات الكالسيوم ) عن طريق التسخين بالفحم . ^{[ 15 ]} يتضمن هذا التحويل جزأين. الأول هو التفاعل الكربوني الحراري حيث يقوم الفحم، وهو مصدر للكربون ، باختزال الكبريتات إلى كبريتيد :

نا ₂ SO ₄ + 2 C → نا ₂ S + 2 CO ₂

المرحلة الثانية هي التفاعل لإنتاج كربونات الصوديوم وكبريتيد الكالسيوم :

Na2S + _CaCO3 → _{Na2CO3 +} CaS_​​

يُطلق على هذا المزيج اسم الرماد الأسود . يُستخلص كربونات الصوديوم من الرماد الأسود بالماء. ويؤدي تبخير هذا المستخلص إلى إنتاج كربونات الصوديوم الصلبة. تُعرف عملية الاستخلاص هذه باسم الترشيح .

كان حمض الهيدروكلوريك الناتج عن عملية لوبلان مصدراً رئيسياً لتلوث الهواء، كما أن منتج كبريتيد الكالسيوم الثانوي شكّل أيضاً مشكلة التخلص من النفايات. ومع ذلك، فقد ظلت هذه الطريقة هي الطريقة الرئيسية لإنتاج كربونات الصوديوم حتى أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

في عام 1861، طور الكيميائي الصناعي البلجيكي إرنست سولفاي طريقة لصنع كربونات الصوديوم عن طريق تفاعل كلوريد الصوديوم والأمونيا والماء وثاني أكسيد الكربون أولاً لتوليد بيكربونات الصوديوم وكلوريد الأمونيوم : ^{[ 15 ]}

كلوريد الصوديوم + _NH3 + _CO2 + _H2O → _NaHCO3 + _NH4Cl

ثم تم تحويل بيكربونات الصوديوم الناتجة إلى كربونات الصوديوم عن طريق تسخينها، مما أدى إلى إطلاق الماء وثاني أكسيد الكربون:

2 NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + H ₂ O + CO ₂

وفي الوقت نفسه، تم تجديد الأمونيا من منتج كلوريد الأمونيوم الثانوي عن طريق معالجته بالجير ( أكسيد الكالسيوم ) المتبقي من توليد ثاني أكسيد الكربون:

2 NH ₄ Cl + CaO → 2 NH ₃ + CaCl ₂ + H ₂ O

تعتمد عملية سولفاي على إعادة تدوير الأمونيا. وهي لا تستهلك سوى المحلول الملحي والحجر الجيري، وكلوريد الكالسيوم هو ناتجها الثانوي الوحيد. وتُعدّ هذه العملية أكثر اقتصادية بكثير من عملية لوبلان، التي تُنتج ناتجين ثانويين هما كبريتيد الكالسيوم وكلوريد الهيدروجين . وسرعان ما هيمنت عملية سولفاي على إنتاج كربونات الصوديوم عالميًا. وبحلول عام 1900، كان 90% من كربونات الصوديوم يُنتج باستخدام عملية سولفاي، وأُغلق آخر مصنع لعملية لوبلان في أوائل عشرينيات القرن العشرين. ^{[ 15 ]}

تُستخدم الخطوة الثانية من عملية سولفاي، وهي تسخين بيكربونات الصوديوم، على نطاق ضيق من قِبل الطهاة المنزليين والمطاعم لتحضير كربونات الصوديوم لأغراض الطهي (بما في ذلك المعجنات المالحة والمعكرونة القلوية ). وتُعدّ هذه الطريقة جذابة لهؤلاء المستخدمين لأن بيكربونات الصوديوم تُباع على نطاق واسع باسم صودا الخبز، كما أن درجات الحرارة اللازمة (من 121 درجة مئوية إلى 149 درجة مئوية ) لتحويل صودا الخبز إلى كربونات الصوديوم يُمكن الوصول إليها بسهولة في أفران المطبخ التقليدية . ^{[ 18 ]}    

طُوِّرت هذه العملية على يد الكيميائي الصيني هو ديبانغ في ثلاثينيات القرن العشرين. وكان ثاني أكسيد الكربون، وهو ناتج ثانوي لعملية إعادة تشكيل البخار ، يُضخ عبر محلول مشبع من كلوريد الصوديوم والأمونيا لإنتاج بيكربونات الصوديوم من خلال هذه التفاعلات:

CH ₄ + 2 H ₂ O → CO ₂ + 4 H ₂

3 H ₂ + N ₂ → 2 NH ₃

NH ₃ + CO ₂ + H ₂ O → NH ₄ HCO ₃

NH ₄ HCO ₃ + NaCl → NH ₄ Cl + NaHCO ₃

تم جمع بيكربونات الصوديوم على شكل راسب نظرًا لانخفاض ذوبانيته، ثم سُخّن إلى حوالي 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت) أو 95 درجة مئوية (203 درجة فهرنهايت) للحصول على كربونات الصوديوم النقية، على غرار الخطوة الأخيرة من عملية سولفاي. أُضيف المزيد من كلوريد الصوديوم إلى المحلول المتبقي من كلوريد الأمونيوم وكلوريد الصوديوم، كما ضُخ المزيد من الأمونيا عند درجة حرارة 30-40 درجة مئوية إلى هذا المحلول. ثم خُفّضت درجة حرارة المحلول إلى أقل من 10 درجات مئوية. تكون ذوبانية كلوريد الأمونيوم أعلى من ذوبانية كلوريد الصوديوم عند 30 درجة مئوية، وأقل عند 10 درجات مئوية. وبسبب هذا الاختلاف في الذوبانية المرتبط بدرجة الحرارة، وتأثير الأيون المشترك ، يترسب كلوريد الأمونيوم في محلول كلوريد الصوديوم.        

الاسم الصيني لعملية هو، lianhe zhijian fa (联合制碱法)، يعني "طريقة تصنيع القلويات المزدوجة": تُدمج عملية هو مع عملية هابر ، وتوفر اقتصادًا ذريًا أفضل من خلال التخلص من إنتاج كلوريد الكالسيوم، حيث يُستهلك أي أمونيا مُنتجة في التفاعل. ويمكن بيع كلوريد الأمونيوم الناتج كمنتج ثانوي كسماد.