炭酸ナトリウム

炭酸ナトリウム十水和物（Na₂CO₃・_10H₂O）_は、洗濯ソーダとしても知られ、10分子の結晶水を含む最も一般的な炭酸ナトリウムの水和物です。炭酸ナトリウム_は、炭酸ナトリウム灰を水に溶かして結晶化させることで得られます。   

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

これは、水に溶ける数少ない金属炭酸塩の一つである。

炭酸ナトリウムはシリカ（SiO₂ _、融点1,713 ℃）の融剤として働き、混合物の融点を特別な材料なしで達成可能なレベルまで下げます。この「ソーダガラス」はわずかに水溶性であるため、ガラスを不溶性にするために溶融混合物に炭酸カルシウムが加えられます。ボトルや窓ガラス（転移温度約570℃の「ソーダ石灰ガラス」）は、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、シリカ砂（二酸化ケイ素（SiO₂ _））のこのような混合物を溶融することによって作られます。これらの材料を加熱すると、炭酸塩から二酸化炭素が放出されます。このようにして、炭酸ナトリウムは酸化ナトリウムの供給源となります。ソーダ石灰ガラスは何世紀にもわたって最も一般的なガラスの形態であり、食器ガラスの製造においても重要な原料となっています。^{[ 15 ]}  

硬水には通常、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンが含まれています。炭酸ナトリウムは、これらのイオンを除去し、ナトリウムイオンに置き換えるために使用されます。^{[ 16 ]}

炭酸ナトリウムは水溶性の炭酸塩源である。カルシウムイオンとマグネシウムイオンは、炭酸イオンと反応すると不溶性の固体沈殿物を形成する。

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

水が軟水になるのは、溶解したカルシウムイオンとマグネシウムイオンがもはや含まれていないためです。^{[ 16 ]}

炭酸ナトリウムは、重曹（炭酸水素ナトリウム）よりも強い塩基性を持つが、苛性ソーダ（水酸化ナトリウム、またはあまり一般的ではないが水酸化カリウム）よりも弱いため、料理でさまざまな用途に使われています。アルカリ性は、こねた生地のグルテン生成に影響を与え、また、メイラード反応が起こる温度を下げることで焼き色を良くします。前者の効果を利用するために、炭酸ナトリウムは、日本のラーメンに独特の風味と歯ごたえを与えるために使用されるアルカリ塩溶液であるかん水（かんすい）の成分の1つです。同様の理由で、中国料理では同様の溶液がラミエンを作るのに使用されます。広東のパン職人は同様に、月餅に独特の食感と焼き色を良くするために、苛性ソーダ水の代わりに炭酸ナトリウムを使用します。ドイツ料理（およびより広くは中央ヨーロッパ料理）では、焼き色を良くするために伝統的に苛性ソーダで処理されるプレッツェルやライロールなどのパンを、代わりに炭酸ナトリウムで処理することができます。炭酸ナトリウムは苛性ソーダほど強い褐変効果は生み出さないが、はるかに安全で扱いやすい。^{[ 18 ]}

炭酸ナトリウムはシャーベットパウダーの製造に使用されます。シャーベットが唾液で湿ると、炭酸ナトリウムと弱酸（一般的にはクエン酸）との吸熱反応によって二酸化炭素ガスが発生し、ひんやりとした爽快感とシュワシュワとした感触が得られます。

炭酸ナトリウムは、食品業界において食品添加物（欧州食品安全機関番号E500）として、酸度調整剤、固結防止剤、膨張剤、安定剤としても利用されています。また、スヌースの製造においても、最終製品のpHを安定させるために使用されます。

炭酸ナトリウムは、様々な分野で比較的強い塩基としても用いられています。一般的なアルカリとして、水酸化ナトリウムよりも安価で取り扱いがはるかに安全なため、多くの化学プロセスで好んで使用されています。特にその穏やかな性質は、家庭での用途に適しています。

例えば、炭酸ナトリウムは、写真フィルム現像剤の大部分の作用に必要な安定したアルカリ性状態を維持するためのpH調整剤として使用されます。また、プールや水槽の水質調整剤としても一般的に使用され、適切なpHと炭酸硬度（KH）を維持します。反応染料を用いた染色では、炭酸ナトリウム（ソーダ灰定着剤やソーダ灰活性剤などと呼ばれることもあります）は、染料とセルロース（植物）繊維との適切な化学結合を確保するための媒染剤として使用されます。さらに、浮選工程では、 CaOやその他の弱塩基性化合物に加えて、浮選調整剤として好ましいpHを維持するために使用されます。

炭酸水素ナトリウム（NaHCO₃ _）または重曹は、消火器の成分としても使われ、炭酸ナトリウムから生成されることが多い。NaHCO₃自体はソルベー法の中間生成物であるが、混入しているアンモニアを除去するために必要な加熱によってNaHCO₃の一部が分解されるため_{、完成したNa₂CO₃をCO₂}と反応させる方が経済的である。

Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O → 2 NaHCO ₃

関連する反応として、炭酸ナトリウムは亜硫酸水素ナトリウム（NaHSO₃ _{）の製造に用いられ、これはセルロースから}リグニンを分離する「亜硫酸法」に利用される。この反応は、発電所の排ガスから二酸化硫黄を除去するためにも利用されている。

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

この手法は、特に厳しい排出規制を満たさなければならない発電所において、より一般的になってきている。

綿花産業では、綿実の毛羽立ちを酸処理で除去するために必要な硫酸を中和するために炭酸ナトリウムが使用される。

また、イオン交換によって他の金属の炭酸塩を形成するためにも用いられ、多くの場合、他の金属の硫酸塩と交換される。

炭酸ナトリウムは、レンガ製造において、粘土を押し出すのに必要な水の量を減らすための湿潤剤として使用されます。鋳造においては、「結合剤」と呼ばれ、湿ったアルギン酸塩をゲル状のアルギン酸塩に接着させるために使用されます。また、炭酸ナトリウムは歯磨き粉にも使用され、発泡剤および研磨剤として作用するほか、口腔内のpHを一時的に上昇させる働きもします。

炭酸ナトリウムは、動物の皮の加工やなめしにおいて酸を中和するためにも使用される。^{[ 19 ]}

ナトリウムイオン電池の成分の前駆体として、炭酸ナトリウムのコストはリチウムイオン電池の炭酸リチウムのコストの1%である。^{[ 20 ]}

トロナは、二水和物炭酸水素三ナトリウム（Na ₃ HCO ₃ CO ₃  ·  2 H ₂ O）としても知られ、米国のいくつかの地域で採掘され、米国の炭酸ナトリウム消費量のほぼすべてを供給しています。1938年にワイオミング州グリーンリバー近郊などで発見された大規模な天然鉱床により、北米では工業生産よりも採掘の方が経済的になっています。トルコには重要なトロナの埋蔵量があり、^{[ 25 ]}アンカラ近郊の埋蔵量から200万トンのソーダ灰が抽出されています。

塩分耐性のある植物種や海藻種の中には、不純な炭酸ナトリウムを生成するために加工できるものがあり、これらの原料は19世紀初頭までヨーロッパやその他の地域で主流でした。陸上植物（通常はアッケシソウ属またはハマウソウ属）または海藻（通常はヒバマタ属）を収穫し、乾燥させ、燃やしました。灰を「浸出」（水で洗浄）してアルカリ溶液を形成しました。この溶液を煮沸して最終製品を作り、これを「ソーダ灰」と呼びました。この非常に古い名前は、アラビア語のソーダに由来し、さらに、生産のために収穫された多くの海岸植物種の1つであるSalsola sodaに適用されました。「バリラ」は、海岸植物または昆布から得られる不純なカリウムに適用される商業用語です。^{[ 26 ]}

炭酸ナトリウムの濃度は、海藻由来のもの（「昆布」）では2～3パーセント、スペインの塩草から作られた最高級のバリラでは30パーセントと、非常に幅広く変動した。炭酸ナトリウム、および関連するアルカリ「カリ」の植物や海藻由来の原料は、18世紀末までにますます不十分になり、塩やその他の化学物質から炭酸ナトリウムを合成する商業的に実現可能な方法の探求が激化した。^{[ 27 ]}

1792年、フランスの化学者ニコラ・ルブランは、塩、硫酸、石灰石、石炭から炭酸ナトリウムを製造する方法を特許取得した。最初の段階では、マンハイム法で塩化ナトリウムを硫酸で処理する。この反応により、硫酸ナトリウム（塩ケーキ）と塩化水素が生成される。

2 NaCl + H ₂ SO ₄ → Na ₂ SO ₄ + 2 HCl

塩ケーキと砕いた石灰石（炭酸カルシウム）は石炭で加熱して還元された。^{[ 15 ]}この変換には2つの部分がある。1つ目は炭素熱反応であり、炭素源である石炭が硫酸塩を硫化物に還元する。

Na ₂ SO ₄ + 2 C → Na ₂ S + 2 CO ₂

第2段階は、炭酸ナトリウムと硫化カルシウムを生成する反応です。

Na ₂ S + CaCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + CaS

この混合物は黒灰と呼ばれます。黒灰から水を用いて炭酸ナトリウムを抽出します。この抽出液を蒸発させると、固体の炭酸ナトリウムが得られます。この抽出プロセスは浸出と呼ばれていました。

ルブラン法で生成される塩酸は大気汚染の主要因であり、副産物である硫化カルシウムも廃棄物処理の問題を引き起こした。しかし、1880年代後半まで炭酸ナトリウムの主要な製造方法として残っていた。^{[ 27 ] [ 28 ]}

1861年、ベルギーの工業化学者エルネスト・ソルベーは、塩化ナトリウム、アンモニア、水、二酸化炭素を反応させて炭酸水素ナトリウムと塩化アンモニウムを生成することにより、炭酸ナトリウムを製造する方法を開発した。^{[ 15 ]}

NaCl + NH ₃ + CO ₂ + H ₂ O → NaHCO ₃ + NH ₄ Cl

得られた重炭酸ナトリウムは、加熱することで炭酸ナトリウムに変換され、水と二酸化炭素が放出された。

2 NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + H ₂ O + CO ₂

一方、アンモニアは、二酸化炭素生成時に残った石灰（酸化カルシウム）で処理することにより、塩化アンモニウム副産物から再生された。

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

ソルベー法はアンモニアをリサイクルします。消費するのは塩水と石灰石だけで、唯一の廃棄物は塩化カルシウムです。この方法は、硫化カルシウムと塩化水素という2つの廃棄物を生成するルブラン法よりも大幅に経済的です。ソルベー法はすぐに世界の炭酸ナトリウム生産を支配するようになりました。1900年までに、炭酸ナトリウムの90%がソルベー法で生産され、最後のルブラン法工場は1920年代初頭に閉鎖されました。^{[ 15 ]}

ソルベー法の2番目のステップである重曹の加熱は、家庭料理人やレストランで小規模に、料理用（プレッツェルやアルカリ麺など）の炭酸ナトリウムを作るために使用されています。重曹はベーキングソーダとして広く販売されており、ベーキングソーダを炭酸ナトリウムに変換するために必要な温度（250 °F（121 °C）～300 °F（149 °C） ）は一般的なキッチンオーブンで容易に達成できるため、この方法はそのようなユーザーにとって魅力的です。^{[ 18 ]}    

このプロセスは、1930年代に中国の化学者、侯徳邦によって開発されました。初期の蒸気改質副産物である二酸化炭素を、塩化ナトリウムとアンモニアの飽和溶液に通すことで、以下の反応により重炭酸ナトリウムを生成していました。

CH ₄ + 2 H ₂ O → CO ₂ + 4H 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

炭酸水素ナトリウムは溶解度が低いため沈殿物として回収され、ソルベー法の最終段階と同様に、約80 °C (176 °F)または95 °C (203 °F)まで加熱して純粋な炭酸ナトリウムを得ます。残りの塩化アンモニウムと塩化ナトリウムの溶液にさらに塩化ナトリウムが加えられ、さらに 30～40 °C でこの溶液にアンモニアが注入されます。その後、溶液の温度が 10 °C 未満に下げられます。塩化アンモニウムの溶解度は 30 °C では塩化ナトリウムよりも高く、10 °C では低くなります。この温度依存の溶解度の違いと共通イオン効果により、塩化アンモニウムは塩化ナトリウム溶液中に沈殿します。        

侯氏の製法の中国語名は「联合制碱法（lianhe zhijian fa）」で、「結合型アルカリ製造法」を意味します。侯氏の製法はハーバー・ボッシュ法と結合しており、生成されたアンモニアが反応に利用されるため、塩化カルシウムの製造が不要となり、原子効率が向上します。副産物である塩化アンモニウムは肥料として販売できます。