硫酸钠

硫酸根与钠离子化合生成的盐

硫酸钠(英文: 钠 sulfate),又称为无水芒硝 、 sodium sulphate anhydrous ,是钠的 硫酸盐 。分子式为Na 2 SO 4 。 是一种白色结晶固体或粉末, 摩尔质量 为142.04 g/ 摩尔 ,密度为2.671 g/cm 3 ,易溶于水,其溶液大多为中性,溶于甘油而不溶于乙醇。 暴露于空气中易吸水生成十水合硫酸钠(Na 2 SO 4 ·10H 2 O),又名芒硝,偏碱性。 硫酸钠可与 钡盐 反应生成硫酸钡[bèi]沉淀,可被H 2 或C等 还原剂 还原,与酸反应生成硫酸氢盐。

硫酸钠在造纸工业上主要用于制作牛皮纸浆,在玻璃工业中用于为平板玻璃提供钠元素和硫元素,在洗涤剂工业用作充填剂和稀释剂。在印染工业中用作促 染料 和缓染剂,制革工业中用作底革植物速鞣[róu]预处理剂、毛皮酸膨胀抑制剂、匀染剂等,在食品工业中可用作食用色素的稀释剂, 焦糖色素 制造剂。 硫酸钠也用作缓泻剂和钡盐中毒的解毒剂。 用于饲料中具有补钠、补硫,调节离子平衡的作用。也用于照片冲洗中和用作干燥剂等。

硫酸钠性质稳定。未有特殊的燃烧爆炸特性。受高热分解产生有毒的硫化物烟气。 会对眼睛产生刺激或造成严重损伤;如果摄入,可能会引起胃肠道紊乱;对皮肤和粘膜无刺激性。

物质结构

分子结构

硫酸钠的共有32个 价电子 ,钠和 硫酸根 之间为 离子键 , 中是 共价键 ,但氧和氧之间不能形成共价键,因为没有观察到该化合物具有 过氧化物 的性质。

晶体结构

硫酸钠依结晶条件的不同而从溶液中沉析出Na 2 SO 4 ,Na 2 SO 4 ·7H 2 O和Na 2 SO 4 ·10H 2 O,所有上述化合物的 晶体 都是无色的。 无水硫酸钠 是 斜方晶系 构成的 晶体 ,七水硫酸钠是正方或斜方晶系构成的晶体,十水硫酸钠是 单斜晶系 。

当温度由0 ℃提高到32℃时, 溶解度 增加,继续提高温度会引起溶解度下降。在0~32 ℃的温度范围内,从 过饱和 水溶液 中析出单斜晶系的 芒硝 Na 2 SO 4 ·10H 2 O。在比较高的温度下,直到233℃时生成斜方晶体的 sodium sulphate anhydrous 。芒硝的溶解度有良好的 温度系数 。在32.4 ~120 ℃的温度范围内,无水硫酸钠的溶解度随温度的提高而降低。有NaCl或 氢氧化钠 存在时,硫酸钠的溶解度一般是降低的,但是关系式复杂。

十水硫酸钠极易生成过饱和溶液。绝对极限过饱和度是一介稳界限,低于它时实际上没有一次晶核生成。没有 晶种 存在时,硫酸钠结晶是困难的。如果遇到的是负温结晶,有晶种存在时新的成长中心的出现则取决于溶液的冷却速度。25 ℃时饱和的溶液,在0.29~0.6 ℃的过冷度下开始结晶,而且溶液冷却得愈快,过冷度也愈大。

十水硫酸钠,即 芒硝 为干涸 盐湖 的 化学 沉积物 。它从含钠和 硫酸根 的 过饱和 盐湖中,在温度低于33°C条件下晶出。当溶液中存在 氯化钠 和其它可溶性盐类时,它的沉淀温度下降至18°C以下。与 石膏 、 石盐 、无水芒硝、泻利盐等共生。用于化学制碱工业。

硫酸钠,即无水芒硝,产于含硫酸钠 卤水 盐湖中,由结晶沉淀而成,与芒硝、 七水硫酸镁 、白钠镁矾、 钙芒硝 、石膏、 泡碱 、石盐等共生。无水芒硝 结晶温度 高于芒硝,一般在33°C以上,如果洛液中存在氯化钠和其它可溶性盐类时,则可在更低温度下发生沉淀。此外, 芒硝 经 脱水作用 也可形成无水芒硝。火山区域的硫质 喷气孔 周围也有少量产出。用于制碱、 造纸 和玻璃工业。

理化性质

物理性质

硫酸钠外观性状白色、无臭、味咸而苦的结晶或粉末。 密度为2.671 g/cm 3 , 熔点 为884℃, 沸点 为1430℃。 热力学函数(298 K,100 kPa):生成焓[hán]为-1384.5 KJ/ 摩尔 ,吉布斯自由能为-1266.7 kJ/mol,熵[shāng]为149.6 J/(mol·K),溶解热为1.17 kJ/mol。 硫酸钠溶于水,其溶液大多为中性,溶于甘油而不溶于乙醇。 易潮解。硫酸钠吸水可生成七水硫酸钠(Na 2 SO 4 ·7H 2 O)或十水硫酸钠(Na 2 SO 4 ·10H 2 O)。十水硫酸钠俗称芒硝,在241℃时硫酸钠会转变成六方形结晶。芒硝为无色 晶体 ,在干燥的空气中易风化变成白色粉末。

化学性质

加热分解

硫酸钠加热分解时,放出 硫氧化物 和 氧化钠 的有毒 烟雾 。

与钡盐反应

硫酸钠与钡盐反应,生成硫酸钡沉淀。

还原反应

硫酸钠对大多数 氧化剂 或 还原剂 不反应。 硫酸钠与还原剂H 2 或CH 4 或CO或C反应,S被还原。

在高温下,它可以通过碳热还原转化为 硫化钠 。 该反应被用于勒布朗工艺,这是一种已失效的 碳酸钠 工业路线。

与酸反应

硫酸 钠与酸反应生成硫酸氢盐。

应用

硫酸钠主要用作 造纸 、玻璃、 洗涤剂 等工业用途,也用作缓泻剂和 钡盐 中毒的 解毒剂 ,以及用于饲料,照片冲洗和 干燥剂 。

工业

20世纪80年代,硫酸钠的主要用途在于制作牛皮纸浆(也称 硫酸盐 纸浆)。在制作纸浆的过程中,硫酸钠还原为 硫化物 ,这种硫化物是捣浆的活性组成。 不过,随着造纸工业的技术发展,硫酸钠的需要量持续减少。

硫酸钠的另一重要用途是玻璃工业。 苏打粉 是 玻璃 生产中的主要化学原料,在一定程度上,硫酸钠可提供钠,以满足需要,对某些类型的玻璃,硫的存在也是有好处的。由于技术上的原因。消耗在玻璃工业上的硫酸钠,主要用于平板玻璃,而在瓶罐和其它玻璃中应用较少。

硫酸钠还有一个主要用途是在 洗涤剂 工业。由于硫酸钠没有腐蚀、中性以及便宜,所以它是理想的充填剂和稀释剂。此外,它还具有轻度去垢的性质。

在印染工业中用作直接 染料 、 硫化染料 、 还原染料 等染棉纤维的促 染剂 ,作直接染料染丝绸时的缓染剂。 制革 工业中用作底革植物速鞣预处理剂、毛皮酸膨胀抑制剂、匀染剂等。

在食品工业中,硫酸钠可用作食用色素的稀释剂, 焦糖色素 制造剂。

硫酸钠还用于生产合成泡沫材料、 硫化钠 及其有关化合物等。

药用

硫酸钠可拮抗体内钡离子,钡离子形成不溶性硫酸钡,从而阻断后者的毒性,用于钡中毒的解毒药。硫酸钠亦可用作泻药,其进入胃肠道后,通过增加肠道容积而扩张,刺激肠壁,反射性地使肠蠕动增加而导泻。

饲料

硫酸钠具有补钠、补硫,调节离子平衡的作用。硫主要通过它所存在的有机代谢物起作用,可用于合成 软骨 基质、 牛磺酸 、 肝素 、 胱氨酸 等有机成分。硫也是 蛋白质 合成所必需的 甲硫氨酸 的成分,通过这些物质参与机体蛋白质、被毛以及多种激素的合成。在家禽饲料中添加硫酸钠有促进羽毛生长的作用。

相片冲洗

硫酸钠可使感光材料 乳剂 膜中的明胶变得坚硬,防止胶膜软化,提高感光材料的耐冲性,因而可用作 坚膜剂 、黑白及水溶性彩色负片的前坚膜液一般使用3~5%的硫酸钠 水溶液 。

干燥剂

在 有机合成 实验室硫酸钠是一种最为常用的后处理干燥剂。

历史

1625年,约翰·鲁道夫·格劳伯(Johann Rudolf Glauber)从 奥地利 的泉水中发现了硫酸钠,因此水合物形式被称为格劳伯的盐。由于其药用特性,他将其命名为sal mirabilis(奇迹盐):这些晶体被用作通用的泻药,直到20世纪初出现了更复杂的替代品。

在18世纪,通过与碳酸钾或钾盐反应,十水合硫酸钠被用作工业生产苏打的原料。纯碱需求增加,硫酸钠供应量也随之增加。在19世纪,以合成硫酸钠为关键中间体的大规模 尼古拉斯·勒布朗 (Leblanc)工艺成为纯碱生产的主要方法。

分布

硫酸钠存在于自然界有下列几种:结晶 芒硝 (Na 2 SO 4 ·10H 2 O)、无水芒硝(Na 2 SO 4 )、白钠镁矾(Na 2 SO 4 ·MgSO 4 ·4H 2 O)、 钙芒硝 (Na 2 SO 4 ·CaSO 4 )、硫酸钾石(Na 2 SO 4 ·3K 2 SO 4 )。 天然存在的硫酸钠矿分布很广,通常是 硫酸镁 (钙)的复盐及芒硝。天然硫酸钠主要存在于硫酸钠的卤盐或干旱地区盐湖的次表层沉积 晶体 中,世界天然硫酸钠的经济储量估计为33亿吨。 天然硫酸钠矿物主要分布在中国、 墨西哥 、 加拿大 、美国、 西班牙 和 俄罗斯 , 阿根廷 、 智利 、 伊朗 和 土耳其 也有少量的天然硫酸钠。欧洲地区的硫酸钠生产以俄罗斯、西班牙、德国和英国为主要产区,产量在全球范围内占据较大比重。北美洲地区以美国为主要生产国家,硫酸钠产量较为稳定。中国是全球最大的硫酸钠生产国,生产能力总计为1600万吨/年,远超国内需求总量(约600万吨)。中国的 内蒙古自治区 、 青海省 、 西藏自治区 以及新疆的某些地区盐湖较多,里面也存在着大量的硫酸钠。

制备

工业制备

sodium sulphate anhydrous 加水溶解,经沉淀、过滤、蒸发、结晶、分离、干燥后可制得药用硫酸钠(又名格劳柏盐或泻药)。

10水硫酸钠加水溶解,经过滤、除杂质、过滤、蒸发、精制、过滤、结晶、干燥后可制得 化学试剂 用10水硫酸钠。 将滤液浓缩、 烘干 可制得化学试剂用无水硫酸钠。

用 芒硝 矿经溶解、除去杂质、蒸发﹑结晶、烘干脱水可制得工业用硫酸钠。其反应式为

将钙硝 矿石 粉碎,加水球浸磨,取得芒硝液,再蒸发脱水可得工业用硫酸钠。

曼海姆 工艺通过 氯化钠 和 硫酸 反应生成硫酸钠。该反应在 流化床反应器 或称为曼海姆炉的特制炉中进行。这种方法最后一次在美国使用是在20世纪80年代。 哈格里夫斯 工艺通过SO 2 、O 2 和H 2 O与NaCl反应生成硫酸钠。 美国 只有少量的硫酸钠使用哈格里夫斯工艺制造,但哈格里夫斯和曼海姆工艺在世界其他地区被广泛使用。

用食盐与硫酸制造 盐酸 时,硫酸钠是一种 副产品 :

实验室制备

在实验室中,硫酸钠可以由 碳酸氢钠 和 硫酸镁 反应,通过沉淀 碳酸镁 来合成。然而,由于商业资源很容易获得,因此实验室合成并不经常进行。

安全事宜

危险性

硫酸钠性质稳定。未有特殊的燃烧爆炸特性。受高热分解产生有毒的 硫化物 烟气。 会对眼睛产生刺激或造成严重损伤;如果摄入,可能会引起胃肠道紊乱;对皮肤和粘膜无刺激性。

GHS图标:危险

GHS危险性说明

H320:引起严重的眼睛损伤或眼睛刺激。

H370:对特定靶器官造成损害。

危害

人体危害:硫酸钠可能导致胃肠道刺激和 腹泻 。

动物危害:在饮用含有7500 mg/L硫酸钠的水15天后,家禽死亡率为33%。过量用药引起的猪中毒爆发的特征是抽搐、震颤和 惊厥 。尸检时最明显的病变是 大脑皮层 的广泛空泡化和坏死。

环境危害:土壤中硫酸钠含量达到710 mg/L时,会对植物根系生长和水分吸收有抑制作用;达到4000 mg/L时,会对植物造成伤害。在 水生生物 中, 枝角目 (cladoceran)和 青口贝 (mussel)对 硫酸盐 的敏感性高于 (midge)和胖头 鲦鱼 (fathead minnow ),而胖头 鱼对硫酸盐的长期敏感性高于其他3个物种。

毒理

小鼠 经口半数致死剂量(LD 50 ):5 989 mg/kg。 小鼠经 静脉注射 最低致死剂量(LD Lo ):1 220 mg/kg。

兔经静脉注射半数致死剂量(LD 50 ):1 220 mg/kg。

安全防护

生产过程密闭,加强通风。空气中粉尘浓度超标时,必须佩戴 自吸过滤式防尘口罩 。紧急事态抢救或撤离时,应该佩戴空气呼吸器。戴化学 安全防护眼镜 。穿防毒物渗透工作服。戴橡胶手套。及时换洗工作服。保持良好的卫生习惯。注意不要被铁钉或有锋利尖端、棱角的硬物刺破包装袋而造成产品泄漏。远离火种、热源。应与酸类等分开存放,切忌混储。储区应备有合适的材料收容泄漏物。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。

应急措施

急救措施

皮肤急救:冲洗干净,然后用水和肥皂清洗皮肤。

眼部急救:首先用大量清水冲洗几分钟(如果可能的话,请摘下隐形眼镜),然后就医。

吸入急救:呼吸新鲜空气,休息。如 呼吸困难 ,吸氧并。必要时就医。

食入急救:饮足量温水,催吐。及时就医。

泄露处置

隔离泄漏污染区,限制出入。建议应急处理人员戴防尘面具( 全面罩 ),穿 防毒服 。避免扬尘,小心扫起,置于袋中转移至安全场所。大量泄漏:用塑料布、帆布覆盖。收集回收或运至废物处理场所处置。

消防方法

消防人员必须穿全身防火防毒服,在上 风向 灭火。灭火时尽可能将容器从火场移至空旷处。

参考资料

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