Гидрокарбонат натрия

Гидрокарбонат натрия
Структурная формула гидрокарбоната натрия
Общие
Систематическое наименование	гидрокарбонат натрия
Традиционные названия	пищевая (питьевая) сода, сода двууглекислая
Рац. формула	NaHCO3
Физические свойства
Состояние	твёрдое
Молярная масса	84,0066 г/моль
Плотность	2,159 г/см³
Термические свойства
Температура
• разложения	60—200 °C
Энтальпия
• образования	-947,7 кДж/моль
Химические свойства
Растворимость
• в воде	9,59 г/100 мл
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Гидрокарбона́т на́трия (лат. Natrii hydrocarbonas, хим. формула NaHCO₃) — неорганическое соединение, относящееся к классу кислых солей угольной кислоты, характеризующееся плотностью 2,20 г/см³ и проявляющее амфотерные свойства, что обусловливает его широкое применение в различных областях науки и техники.

Фундаментальные характеристики вещества

Молекулярно-физическая основа

Соединение обладает молекулярной массой 84,0066 г/моль и кристаллизуется в моноклинной сингонии. Внешне представляет мелкокристаллический порошок белого цвета с характерными оптическими свойствами, включающими показатели преломления nα = 1,377, nβ = 1,501, nγ = 1,583. Термодинамические параметры включают:

• теплоёмкость 87,6 Дж/моль·К;
• стандартную энтропию 101,7 Дж/моль·К;
• энергию Гиббса образования −851,0 кДж/моль;
• энтальпию образования −947,7 кДж/моль.

Кристаллическая структура характеризуется моноклинной элементарной ячейкой с упорядоченным расположением натриевых катионов и гидрокарбонатных анионов. Межмолекулярные взаимодействия определяются водородными связями между гидрокарбонатными группами, что влияет на физико-химические свойства кристаллической решётки.

Растворимостные и термические свойства

Вещество демонстрирует ограниченную растворимость в органических растворителях: 0,02 массовых процента в ацетоне и 2,13 массовых процента в метаноле при температуре 22 °C. В водной среде растворимость значительно возрастает, достигая 9,59 г/100 мл при стандартных условиях, с заметным увеличением при нагревании:

1. 69 г/л при 0 °C;
2. 96 г/л при 20 °C;
3. 165 г/л при 60 °C.

Термическое поведение характеризуется началом разложения при температурах выше 50 °C, с наиболее интенсивным процессом в диапазоне 60-200 °C, сопровождающимся потерей массы 36,917 %. Процесс декарбоксилирования протекает эндотермически с поглощением 129 кДж/моль тепловой энергии.

Химические превращения и реакционная способность

Термодинамика разложения

Процесс термического разложения протекает по уравнению 2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2 с образованием карбоната натрия, воды и углекислого газа. Кинетика реакции описывается уравнением первого порядка с энергией активации 142 кДж/моль. Кислотно-основные свойства проявляются через значения pKa 6,34 и 6,351 для углекислой кислоты, что обеспечивает буферные характеристики растворов в широком диапазоне концентраций.

Гидролиз в водных растворах протекает согласно реакции HCO3⁻ + H2O ⇌ H2CO3 + OH⁻, создавая слабощелочную среду с pH 8,1-8,3 для 1 % раствора. Буферная ёмкость максимальна в области pH 6,1-7,4, что соответствует физиологическим значениям организма человека.

Взаимодействие с неорганическими соединениями

Особую значимость представляет способность образовывать стехиометрически точные соединения при взаимодействии с переходными металлами. В частности, реакция с солями марганца(II) приводит к формированию карбоната марганца(II) состава MnCO3 без примесей основных солей.

Взаимодействие с минеральными кислотами сопровождается выделением углекислого газа по механизму:

1. нейтрализация кислоты с образованием соли;
2. формирование нестабильной угольной кислоты;
3. спонтанное разложение H2CO3 на воду и CO2.

С органическими кислотами реакции протекают аналогично, при этом с уксусной кислотой образуется ацетат натрия, с лимонной — цитрат натрия. Скорость газовыделения зависит от концентрации кислоты, температуры и степени перемешивания реакционной смеси.

Гидрокарбонат натрия

Промышленное производство и получение

Технологические процессы синтеза

Основным промышленным методом получения служит аммиачно-хлоридный способ, основанный на пропускании углекислого газа через концентрированный раствор хлорида натрия, насыщенный аммиаком.

Процесс включает две последовательные реакции:

1. NH3 + CO2 + H2O → NH4HCO3;
2. NH4HCO3 + NaCl → NaHCO3↓ + NH4Cl.

Технологический цикл предусматривает рециркуляцию аммиака путём обработки хлорида аммония гидроксидом кальция. Глобальное производство достигает около 100000 тонн ежегодно при общих мировых мощностях 2,4 миллиона тонн в год. Альтернативный метод — процесс Сольве — обеспечивает получение продукта чистотой до 75 % с возможностью дальнейшей очистки перекристаллизацией.

Современные технологии включают получение из карбоната натрия действием углекислого газа в водной среде под давлением 2-4 атм при температуре 40-60 °C. Выход реакции составляет 92-95 % при соблюдении оптимальных параметров процесса.

Природные источники и добыча

Минералогические исследования показывают, что трона встречается в природе чаще нахколита вследствие повышенной растворимости последнего в водных системах. Основные месторождения сосредоточены в США, Ботсване, Кении, Уганде, Турции и Мексике, при этом крупнейшие залежи троны находятся в бассейне Грин-Ривер штата Вайоминг с запасами более 200 миллионов тонн.

Добыча осуществляется как традиционными горнодобывающими методами (камерно-столбовая система, длинными забоями), так и растворным способом в формациях эоценового возраста (55,8-33,9 млн лет назад). Технология растворного извлечения предполагает:

• бурение скважин в нахколитовые пласты;
• закачку нагретой воды под давлением;
• растворение минерала с образованием насыщенного раствора;
• извлечение раствора на поверхность;
• кристаллизацию продукта при охлаждении.

Попутное извлечение возможно при добыче сланцевой нефти, где нахколит присутствует в качестве сопутствующего минерала в концентрациях 5-15 % по массе.

Таблетки

Медицинское применение и фармакология

Гастроэнтерологическое действие

В клинической практике вещество применяется в качестве антацидного средства для снижения кислотности желудочного сока и терапии язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. Механизм действия основан на нейтрализации соляной кислоты по реакции NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2, однако следует учитывать возможность развития кислотного рикошета вследствие стимуляции выработки гастрина при растяжении желудка образующимся углекислым газом.

Фармакокинетика характеризуется быстрым всасыванием в двенадцатиперстной кишке с последующим поступлением в системный кровоток. Период полувыведения составляет 2-4 часа, элиминация происходит через почки и лёгкие. Дозировка для взрослых составляет 1-2 г на приём, не более 8 г в сутки.

Противопоказания включают состояния метаболического алкалоза, респираторного ацидоза и гипокальциемии. При длительном применении возможно развитие синдрома отмены с усилением секреции соляной кислоты.

Респираторная терапия и местное применение

Ингаляционное введение 0,5-2 % растворов способствует усилению секреции слизистой трахеобронхиального дерева, что увеличивает количество мокроты и снижает её вязкость на 30-40 %. Данный эффект используется во фтизиатрии для стимуляции выработки материала для бактериологических исследований, а также в терапии хронического бронхита и бронхиальной астмы.

Механизм муколитического действия связан с изменением pH слизи с кислого на слабощелочной, что активирует эндогенные протеазы и способствует деполимеризации муцинов. Концентрация 1 % обеспечивает оптимальный эффект без раздражения дыхательных путей.

Местное применение включает использование в составе раствора Моффетта для назальной хирургии (кокаин 2 г, адреналин 2 мл, бикарбонат натрия 2 г на 20 мл физиологического раствора) и в комбинации с местными анестетиками для ускорения начала действия путём повышения pH раствора.

Спортивная медицина и физиология

Исследования в области спортивной медицины подтверждают эффективность применения в качестве добавки для повышения мышечной выносливости, особенно при кратковременных высокоинтенсивных нагрузках продолжительностью 1-7 минут. Механизм действия основан на буферировании молочной кислоты, образующейся при анаэробном гликолизе.

Протокол применения предусматривает приём 0,3 г/кг массы тела за 60-90 минут до физической нагрузки. Эффективность достигает 1-3 % улучшения результатов в циклических видах спорта. Побочные эффекты включают диспепсию у 15-20 % спортсменов.

В стоматологии проявляет антикариесные и абразивные свойства с индексом относительной дентинной абразивности 7 (очень низкий), обеспечивая механическое очищение зубов и нейтрализацию кислой среды полости рта. Применение в составе зубных паст в концентрации 20-25 % снижает количество кариесогенных бактерий на 40 %.

Токсикологическое исследование

Безопасность и токсикология

Параметры острой токсичности

Токсикологические исследования устанавливают среднюю летальную дозу на уровне 4220 мг/кг массы тела при пероральном введении крысам, что классифицирует соединение как малотоксичное (4-й класс опасности по ГОСТ 12.1.007).

Клинические проявления острого отравления включают:

• диспепсические расстройства;
• метаболический алкалоз;
• гипокалиемию;
• гипокальциемию;
• тетанические судороги при тяжёлых отравлениях.

Вещество характеризуется пожаробезопасностью и несгораемостью, имеет солоноватый мыльный привкус и может вызывать лёгкое раздражение слизистых оболочек при контакте с пылевыми частицами концентрацией более 10 мг/м3.

Хроническое воздействие малых доз не приводит к кумуляции, канцерогенные и мутагенные свойства отсутствуют. Репродуктивная токсичность не установлена при дозах до 1000 мг/кг в экспериментах на лабораторных животных.

Производственная гигиена

Санитарно-гигиенические нормативы устанавливают предельно допустимую концентрацию пыли в воздухе рабочей зоны на уровне 5 мг/м3 при средней сменной концентрации. Максимальная разовая концентрация не должна превышать 15 мг/м3. Класс опасности по воздействию на организм — 4 (малоопасные вещества).

Классификация опасности по системе СГС присваивает сигнальное слово «осторожно» с соответствующей пиктограммой раздражающего действия. Регистрационный номер CAS составляет 144-55-8, номер EINECS — 205-633-8. Средства индивидуальной защиты включают респираторы типа «Лепесток» при превышении ПДК в 2 раза и более.

Первая помощь при попадании в глаза — промывание проточной водой в течение 15 минут, при попадании на кожу — смывание водой с мылом. При случайном проглатывании больших количеств — обильное питьё воды, при необходимости — промывание желудка.

Технические и бытовые применения

Пищевая промышленность и кулинария

В пищевых технологиях используется как разрыхлитель теста под кодом E500(ii) в количестве 0,5-2 % от массы муки, а также проявляет слабые дезинфицирующие свойства при обработке поверхностей, контактирующих с продуктами питания. Механизм разрыхления основан на выделении углекислого газа при нагревании или взаимодействии с кислыми компонентами теста.

В хлебопекарной промышленности применяется для производства:

• бисквитных изделий — 0,5-0,8 % к массе муки;
• пряников и печенья — 0,3-0,6 %;
• кексов и маффинов — 0,8-1,2 %;
• блинов и оладий — 0,5-1,0 %.

Химическая промышленность использует соединение для производства красителей (азокрасители, фталоцианины), пенопластов (полистирол, полиуретан) и фторорганических веществ (фреоны, тефлон). В процессах органического синтеза служит мягким основанием для нейтрализации кислых продуктов реакции.

Производство газированных напитков использует технический гидрокарбонат натрия для регулирования кислотности и создания характерного вкуса. Концентрация в готовом продукте составляет 0,1-0,3 %.

Системы пожаротушения и очистки

Применение в системах пожаротушения основано на выделении углекислого газа при нагревании, что ограничивает доступ кислорода к очагу горения. Механизм огнетушащего действия включает:

• эндотермическое разложение с поглощением тепла;
• разбавление горючих газов негорючим CO2;
• образование на поверхности горящего материала защитной плёнки карбоната натрия.

В промышленности применяется для содоструйной очистки (sodablasting) мягких материалов — алюминия, меди, древесины — с рабочим давлением 2-6 атм. Преимущества метода включают отсутствие повреждения обрабатываемой поверхности и экологическую безопасность.

Особое значение имеет способность удалять урановые загрязнения 2 % раствором, что было использовано во время Манхэттенского проекта для обеззараживания одежды и оборудования. Современные применения включают дезактивацию при авариях на атомных станциях.

Альтернативные концепции применения

Критический анализ альтернативных медицинских концепций показывает отсутствие научных подтверждений эффективности в лечении онкологических заболеваний, что отмечается в публикациях Американского онкологического общества. Теория итальянского врача Туллио Симончини о противораковом действии основана на ошибочном представлении о грибковой природе злокачественных опухолей.

Клинические исследования с участием 150 пациентов не выявили статистически значимых различий в выживаемости между группами, получавшими традиционную терапию и комбинированное лечение с гидрокарбонатом натрия. Более того, ощелачивание организма может приводить к серьёзным осложнениям:

• метаболическому алкалозу;
• гипокалиемии с нарушениями ритма сердца;
• гипокальциемии с тетаническими судорогами;
• отёкам и артериальной гипертензии.

Исторические заявления о терапии инфекционных заболеваний, включая высказывания сенатора Ли Овермана в 1919 году о лечении испанского гриппа, не имеют научного обоснования и основаны на анекдотических данных без контролируемых исследований.

Литература

• Бент А. Дж. Технология производства тортов. — 6-е издание. — Springer, 1997.
• Дэвидсон Д. Амфотерные молекулы, ионы и соли. — Журнал химического образования, 1955.
• Номенклатура неорганической химии. Рекомендации IUPAC 2005. — М.: Научный мир, 2009.
• Рутала У. А., Барби С. Л., Агиар Н. К., Собси М. Д., Вебер Д. Дж. Антимикробная активность бытовых дезинфицирующих средств и природных продуктов против потенциальных патогенов человека // Контроль инфекций и больничная эпидемиология. — 2000.
• Тиме К. Карбонаты натрия // Энциклопедия промышленной химии Ульмана. — 6-е издание. — Wiley-VCH, 2000.
• Фентон Т. Р., Тоф С. К., Лайон А. У., Элиасзив М., Ханли Д. А. Причинная оценка пищевой кислотной нагрузки и заболеваний костей // Журнал питания. — 2011.
• Холлеман А. Ф., Виберг Э. Неорганическая химия. — М.: Мир, 2004.
• Швальфенберг Г. К. Щелочная диета: есть ли доказательства того, что щелочная диета полезна для здоровья // Журнал окружающей среды и общественного здравоохранения. — 2012.

Примечания

Шаблон:АТХ код B05 Шаблон:Соединения натрия