Reaction of Sodium Carbonate with Sodium Chloride
Реакция карбоната натрия с хлоридом натрия

A reader might object: "Sodium chloride does not react with sodium carbonate." This statement is correct for chemically pure substances. However, the substances used by chemists are not always chemically pure. For many syntheses, exceptional purity of starting materials and auxiliary substances is unnecessary. Even when high purity is preferred, less pure substances are often deliberately used because they are more readily available and less expensive.

For example, during one synthesis I needed to wash the liquid product to remove residual acid. To do this, I added a sodium carbonate solution, shook the mixture, and waited for the liquids to separate into two layers. However, I soon discovered that the sodium carbonate solution had too low a density. Its density was almost the same as that of the synthesized substance, so the liquids separated poorly. Instead of forming two distinct layers, they produced large droplets that floated in the heterogeneous mixture.

To increase the solution's density, I could have raised the sodium carbonate concentration. But doing so might have caused the product to decompose. Therefore, I prepared a sodium chloride solution and added sodium carbonate solution to it. This new solution had a higher density and was suitable for washing the product.

When I mixed the sodium chloride and sodium carbonate solutions, however, the liquid became white and turbid. A clear solution turned into a dilute suspension. I immediately realized the reason: the sodium carbonate was chemically pure, but the sodium chloride was food-grade table salt.

Substances used in food preparation are rarely chemically pure. They must not contain impurities harmful to health or that spoil the taste, color, odor, or appearance of food. But if an impurity is harmless and does not affect food quality, it is considered acceptable.

Table salt, for instance, may contain small amounts of calcium and magnesium. Such impurities are unacceptable in chemically pure sodium chloride because they would seriously distort experimental results. In table salt, however, moderate levels of calcium and magnesium are not a problem.

For my synthesis, the small amount of solid phase in the washing solution was not a hindrance. But the very appearance of the precipitate intrigued me. Since I did not have time to take photos or videos during the synthesis, I decided to reproduce the reaction afterward.

The chemical explanation is straightforward: calcium and magnesium cations form insoluble carbonates when they react with the carbonate anion.

Ca²⁺ + CO₃^2- = CaCO₃
Mg²⁺ + CO₃^2- = MgCO₃ [Mg(OH)₂·MgCO₃]

I prepared a saturated solution of table salt and added the same 3% sodium carbonate solution I had used previously. To my surprise, the mixture remained clear and colorless. This was because I had used table salt from a different batch than the one used during the synthesis, and it contained lower amounts of calcium and magnesium.

To confirm my hypothesis, I poured 100 mL of the sodium chloride solution into another beaker, added a drop of 15% calcium chloride solution, and stirred. Then I added about 20 mL of the 3% sodium carbonate solution. Upon stirring, the solution immediately turned turbid.

The next day, I bought the exact same salt I had used during the synthesis. I prepared a saturated solution, poured 100 mL into a beaker, added 20 mL of the sodium carbonate solution, and… nothing happened. I stirred the mixture, and only a slight cloudiness appeared. I stopped recording and went to get a laser pointer to pass a beam through the solution. When I returned, I discovered that the solution had turned white and cloudy.

I repeated the experiment to capture a complete video. I poured 100 mL of saturated salt solution into a beaker and increased the volume of the 3% sodium carbonate solution to 35 mL. This time, a white cloudiness appeared almost immediately, without any need for stirring. When I shone the laser beam through the suspension, a distinct Tyndall cone became visible. Over time, a white precipitate settled at the bottom of the beaker.

Photos/Video

Реакция карбоната натрия с хлоридом натрия

Читатель возразит: "Хлорид натрия не реагирует с карбонатом натрия." Для химически чистых веществ это утверждение верно, однако, используемые химиками вещества не всегда бывают химически чистыми. Для некоторых синтезов особой чистоты исходных и вспомогательных веществ не требуется. Даже, если чистота желательна, часто приходится сознательно применять менее чистые вещества, поскольку они более доступны и стоят дешевле.

Например, в процессе синтеза я должен был промыть полученное жидкое вещество для удаления из него кислоты. Необходимо было добавить раствор карбоната натрия, встряхнуть и дождаться разделения жидкостей на два отдельных слоя. Когда я прилил раствор соды, оказалось, что раствор карбоната натрия имел слишком низкую плотность. Плотности раствора и синтезируемого вещества случайно совпали. В результате полученное вещество и раствор соды плохо разделялись. После перемешивания жидкости должны были сформировать два отдельных слоя, вместо этого образовались крупные капли, которые плавали в гетерогенной смеси, не разделяясь на два слоя.

Чтобы увеличить плотность раствора, можно было увеличивать концентрацию карбоната натрия. Однако, увеличение концентрации щелочи могло привести к разложению продукта синтеза. Поэтому я приготовил раствор хлорида натрия и добавил к нему раствор карбоната натрия. Такой раствор имел более высокую плотность и хорошо подошел для промывки синтезированного вещества.

Однако, при смешивании растворов хлорида натрия и соды жидкость стала бело-мутной. Гомогенный раствор превратился в разбавленную суспензию. Я сразу понял причину этого явления. Карбонат натрия был химически чистым, зато хлорид натрия был пищевой чистоты (поваренная соль).

Вещества, используемые для приготовления пищи, редко бывают химически чистыми. В них не допускается наличие примесей, вредных для здоровья человека, или примесей, которые портят качество пищевых продуктов (вкус, цвет, запах, внешний вид). Зато, если примесь не вредит здоровью и качеству пищевых продуктов, она вполне допустима.

Например, в поваренной соли могут быть небольшие примеси кальция и магния. В химически чистом хлориде натрия такие примеси недопустимы, они серьезно исказить результаты экспериментов. Зато в столовой соли, которая используется для приготовления пищи, умеренные количества кальция и магния не создают проблем.

Для упомянутого синтеза небольшое количество твердой фазы в промывном растворе также не мешало. Зато сам факт образования осадка (суспензии) меня заинтересовал. Во время синтеза не было ни времени, ни сил, чтобы фотографировать и снимать видео, поэтому после окончания работы я решил воспроизвести данную реакцию.

Химическая природа наблюдаемого явления проста. Катионы кальция и магния образуют с анионом карбоната осадки карбонатов кальция и магния.

Ca²⁺ + CO₃^2- = CaCO₃
Mg²⁺ + CO₃^2- = MgCO₃ [Mg(OH)₂·MgCO₃]

Приготовил насыщенный раствор поваренной соли и добавил к нему 3% раствор карбоната натрия, который я использовал до этого. Представьте себе мое удивление, когда после смешивания растворов жидкость осталась прозрачной и бесцветной. Причина была в том, что я использовал поваренную соль из другой партии - не ту, которую я применил при промывке продукта синтеза. В этой соли содержание кальция и магния оказалось более низким - осадок не образовался.

Чтобы проверить гипотезу, налил в другой стакан этот же раствор хлорида натрия (около 100 мл), добавил к нему каплю 15% раствора хлорида кальция, перемешал. Затем добавил примерно 20 мл 3% раствора карбоната натрия. При перемешивании раствор стал бело-мутным.

На следующий день пошел в магазин и купил именно ту соль, которую я использовал в синтезе. Приготовил насыщенный раствор, налил 100 мл этого раствора в стакан, добавил примерно 20 мл раствора карбоната натрия и... ничего не произошло. Перемешал, появилась легкая муть. Остановил съемку видео, пошел за лазерной указкой, чтобы пропустить луч через раствор. Когда вернулся, обнаружил, что раствор стал бело-мутным.

В очередной раз повторил эксперимент, чтобы снять полное видео. Налил в стакан 100 мл насыщенного раствора соли. Объем 3% раствора карбоната натрия увеличил до 35 мл. После добавления карбоната белая муть появилась почти сразу. Не понадобилось даже перемешивание. При прохождении через суспензию, лазерный луч образовывал четкий конус Тиндаля. Со временем на дно стакана выпал белый осадок.

Download the Video (30 Mb, .avi )

[ Alkaline earth metals ]

Calcium, Strontium and Barium - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]