✨Natri sulfat

Natri sunfat là muối natri của acid sulfuric. Khi ở dạng khan, nó là một tinh thể rắn màu trắng có công thức Na₂SO₄ được biết đến dưới tên khoáng vật thenardite; Na₂SO₄·10H₂O được tìm thấy ngoài tự nhiên dưới dạng khoáng vật mirabilite, và trong sản xuất nó còn được gọi là muối Glauber hay mang tính lich sử hơn là sal mirabilis từ thế kỉ 17. Một dạng khác là tinh thể heptahiđrat được tách ra từ mirabilite khi làm lạnh. Với sản lượng sản xuất hàng năm lên đến 6 triệu tấn, nó là một sản phẩm toàn cầu quan trọng về hóa chất.

Natri sunfat được ứng dụng chủ yếu trong việc sản xuất thuốc tẩy và trong phương pháp Kraft để làm bột giấy. Khoảng 2/3 lượng natri sunfat của thế giới là từ mirabilite, dạng khoáng vật tự nhiên của muối đecahiđrat, và phần còn lại là từ phụ phẩm của các ngành công nghiệp hóa chất khác như sản xuất axit clohydric.

Lịch sử

Muối natri sunfat ngậm nước được biết dưới tên muối Glauber sau khi nhà hóa học và bào chế người Đức/Hà Lan Johann Rudolf Glauber (1604–1670) tìm ra nó vào năm 1625 trong nước của một con suối tại Áo. Ông đặt tên nó là sal mirabilis (muối kì lạ), vì những đặc tính y khoa của loại muối này: những tinh thể muối đã được dùng để làm thuốc nhuận tràng cho đến khi có những chất thay thế phức tạp hơn ra đời vào những năm 1900.

Vào thế kỉ 18, muối Glauber bắt đầu được dùng làm vật liệu thô cho quá trình sản xuất soda trong công nghiệp, khi phản ứng với kali cacbonat. Nhu cầu gia tăng nên nguồn cung natri sunfat cũng phải tăng lên tương ứng. Do đó, vào thế kỉ 19, quá trình Leblanc quy mô lớn, sản xuất natri sunfat tổng hợp như là một chất trung quan chủ yếu, trở thành phương pháp chính trong sản xuất soda.

Đặc tính hóa học và vật lý

Natri sunfat rất bền về mặt hóa học, không tương tác với hầu hết các chất oxy hóa-khử ở điều kiện thường. Ở nhiệt độ cao, nó có thể bị khử thành natri sunfit bởi cacbon: : Na₂SO₄ + 2 C → Na₂S + 2 CO₂

Tính axit-base

Natri sunfat là muối trung hòa, khi tan trong nước tạo thành dung dịch có pH = 7. Tính trung hòa chứng tỏ gốc sunfat bắt nguồn từ một axit mạnh acid sulfuric. Hơn nữa, ion Na⁺, với chỉ một điện tích dương, có khả năng phân cực các phối tử nước của nó rất yếu miễn là có ion kim loại trong dung dịch. Natri sunfat phản ứng với axit sunfuric tạo muối axit natri bisunfat: : Na₂SO₄ + H₂SO₄ 2 NaHSO₄ Hằng số cân bằng của quá trình trên phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ.

Độ tan và sự trao đổi ion

Natri sunfat có tính tan rất bất thường trong nước. Độ tan của nó trong nước tăng gấp hơn mười lần trong khoảng 0 °C đến 32.384 °C, điểm mà độ tan đạt giá trị cực đại 497 g/L. Tại điểm này đường biểu diễn độ tan uốn cong hướng xuống, và độ tan trở nên không phụ thuộc vào nhệt độ. Nhiệt độ 32.384 °C, tương ứng với nhiệt độ làm giải phóng nước ra khỏi tinh thể và tan chảy muối ngậm nước, cung cấp giá trị nhiệt độ tham khảo chính xác cho việc định chuẩn nhiệt kế.

Natri sunfat là muối ion điển hình, chứa các ion Na⁺ và SO₄²⁻. Sự có mặt của sunfat trong dung dịch được nhận biết dễ dàng bằng cách tạo ra các sunfat không tan khi xử lý các dung dịch này với muối Ba²⁺ hay Pb²⁺: : Na₂SO₄ + BaCl₂ → 2 NaCl + BaSO₄↓ sản phẩm Biểu đồ biểu diễn độ tan của Na₂SO₄ theo nhiệt độ

Natri sunfat còn biểu hiện xu hướng tạo muối kép ở mức vừa phải. Các loại phèn duy nhất được tạo ra với các kim loại hóa trị ba thông thường là NaAl(SO₄)₂ (không bền ở trên 39 °C) và NaCr(SO₄)₂, đối nghịch với kali sulfat và amoni sunfat tạo được nhiều loại phèn bền. Những muối kép với một vài kim loại kiềm khác được biết gồm Na₂SO₄·3K₂SO₄, muối này có trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật glaserit. Sự hình thành glaserit bằng phản ứng giữa natri sunfat và kali chloride được dùng làm cơ sở của một phương pháp sản xuất kali sulfat, một loại phân bón. Các muối kép khác bao gồm 3Na₂SO₄·CaSO₄, 3Na₂SO₄·MgSO₄ (vanthoffite) và NaF·Na₂SO₄.

Cấu trúc tinh thể

Các tinh thể chứa ion [Na(OH₂)₆]⁺ dạng bát diện, được tìm thấy trong nhiều muối sunfat kim loại. Những cation này được liên kết với gốc sunfat thông qua liên kết hydro. Độ dài liên kết Na-O là 240 pm. Hai phân tử nước của mỗi đơn vị công thức phân tử không tạo phối trí với Na⁺. Tinh thể natri sunfat đecahiđrat còn bất thường so với các loại muối ngậm nước khác khi có giá trị entropy dư thừa (entropy ở nhiệt độ không tuyệt đối) là 6.32 J·K⁻¹·mol⁻¹. Điều này được cho là do khả năng phân bố nước nhanh hơn rất nhiều so với hầu hết các muối khác.

Sản xuất

Sản lượng natri sunfat của thế giới phần lớn là ở dạng đecahiđrat xấp xỉ đạt 5.5 đến 6 triện tấn hàng năm. Năm 1985, sản lượng là 4.5 triệu tấn/năm, một nửa trong đó là từ các nguồn tự nhiên và một nửa là từ công nghiệp xản xuất hóa chất. Sau năm 2000, ở mức độ bền vững cho đến năm 2006, sản xuất từ nguồn tự nhiên tăng lên 4 triệu tấn/năm, và lượng sản xuất từ công nghiệp hóa chất giảm xuống 1.5 đến 2 triệu tấn/năm, với tổng sản lượng là 5.5 đến 6 triệu tấn/năm. Với tất cả các ứng dụng, trên thực tế, natri sunfat sản xuất trong tự nhiên và trong công nghiệp hóa chất có thể thay thế cho nhau.

Nguồn tự nhiên

2/3 sản lượng trên thế giới là nguồn khoáng vật thiên nhiên mirabilite, ví dụ như mẫu khoáng vật tìm thấy ở đáy hồ ở phía nam Saskatchewan. Năm 1990, México và Tây Ban Nha là nguồn cung cấp natri sunfat thiên nhiên lớn của thế giới (mỗi nước khoảng 500,000 tấn), ngoài ra còn có Nga, Hoa Kỳ và Canada với khoảng 350,000 tấn mỗi quốc gia. Natri sunfat thu được từ 2 quá trình trên được gọi là bánh muối. :Mannheim: 2 NaCl + H₂SO₄ → 2 HCl + Na₂SO₄ :Hargreaves: 4 NaCl + 2 SO₂ + O₂ + 2 H₂O → 4 HCl + 2 Na₂SO₄

Nguồn natri sunfat sản xuất lớn thứ hai là từ quá trình mà axit sunfuric được trung hòa bởi natri hydroxide, được áp dụng quy mô lớn trong sản xuất tơ nhân tạo. Phương pháp này còn là phương pháp điều chế trong phòng thí nghiệm tiện lợi và áp dụng rộng rãi. : 2 NaOH(aq) + H₂SO₄(aq) → Na₂SO₄(aq) + 2 H₂O(l)

Trong phòng thí nghiệm nó còn được tổng hợp từ phản ứng giữa natri bicacbonat và magie sunfat. : 2NaHCO₃ + MgSO₄ → Na₂SO₄ + Mg(OH)₂ + 2CO₂

Trước đây, natri sunfat còn là phụ phẩm của quá trình sản xuất natri đicromat, khi đó axit sunfuric được cho vào natri cromat để tạo natri đicromat hay sau đó là axit cromic. Ngoài ra natri sunfat còn được tạo ra từ các quá trình sản xuất Natri sunfat hoặc được hình thành trong sản xuất lithi cacbonat, chất tạo phức, resorcinol, axit ascorbic, chất tạo màu silica, axit nitric, và phenol.), với sự thuận lợi hơn nữa từ tính đồng bộ của nhiệt độ miễn là có đầy đủ vật liệu trong pha thích hợp.

Với ứng dụng làm mát, một hỗn hợp tạo với muối ăn natri chloride thông thường cũng làm giảm nhiệt độ nóng chảy xuống 18 °C (64 °F). Nhiệt nóng chảy của NaCl.Na₂SO₄·10H₂O, tăng nhẹ lên thành 286 kJ/kg.

Ứng dụng quy mô nhỏ

Trong phòng thí nghiệm, natri sunfat khan được sử dụng rộng rãi như một chất làm khô trơ, loại bỏ dấu vết của nước ra khỏi các chất lỏng hữu cơ. Nó hiệu quả hơn nhưng hoạt động chậm hơn so với tác nhân tương tự magie sulfat. Nó chỉ có tác dụng ở nhiệt độ dưới 30 °C, nhưng nó có thể dùng với nhiều loại chất liệu vì tính trơ hóa học của nó. Natri sunfat được thêm vào dung dịch cho đến khi các tinh thể không còn vón cục nữa; hai video clip (xem trên) giải thích rõ cách các tinh thể vón cục khi bị ẩm, nhưng một vài tinh thể trôi tự do một khi mẫu chất được làm khô hoàn toàn.

Muối Glauber, đecahiđrat, đã từng được dùng làm thuốc nhuận tràng. Nó có hiệu quả trong việc loại bỏ các loại thuốc ví dụ như acetaminophen ra khỏi cơ thể, sau khi dùng quá liều.

Năm 1953, natri sunfat được đề xuất để trữ nhiệt trong các hệ thống nhiệt mặt trời thụ động. Điều này dựa vào ưu điểm của đặc tính tan bất thường của nó, và nhiệt kết tinh cao(78.2 kJ/mol).

Các ứng dụng khác bao gồm phá băng cửa kính, trong chất làm thơm thảm, sản xuất bột hồ, và chất phụ gia trong thức ăn gia súc.

Gần đây, natri sunfat được tìm thấy có hiệu quả trong việc hòa tan vàng được mạ trong các sản phẩm máy tính có chứa phần cứng mạ vàng như pin, và các đầu nối và bộ chuyển mạch khác. Nó an toàn hơn, rẻ hơn so với các thuốc thử dùng trong tái tạo vàng, với rất ít lo lắng về phản ứng phụ hay ảnh hưởng sức khỏe.

Ít nhất có một công ty, ThermalTake, làm tấm tản nhiệt cho laptop (iXoft Notebook Cooler) sử dụng natri sunfat đecahiđrat nằm bên trong tấm nhựa. Vật liệu chuyển từ từ sang thể lỏng và xoay vòng, giúp cân bằng nhiệt độ laptop và hoạt động như vật cô lập.

An toàn

Mặc dù natri sunfat nói chung được xem là không độc, nên sử dụng nó với sự cẩn trọng. Bụi có thể gây ra hen suyễn tam thời hay kích ứng mắt; nguy cơ này có thể ngăn ngừa khi dùng bảo hộ mắt và mặt nạ giấy. Vận chuyển không hạn chế, và không có nhóm từ nguy hại hay nhóm từ an toàn nào được dùng.