5.2. Сульфат натрия

Сульфат натрия (натрий сернокислый) Na₂SO₄ – бесцветное кристаллическое вещество, встречающееся в природе в виде минерала тенардита.

Сульфат натрия существует в виде нескольких полиморфных модификаций, количество и температурные границы существования которых длительное время являлись предметом разногласий. В диапазоне температур 197,0-234,5⁰С были обнаружены четыре модификации, существование которых подтверждается не всегда; по-видимому, здесь играет роль присутствие примесей или влаги. При температуре 234,5-240,0⁰С наблюдается переход вещества из ромбической системы в моноклинную, сопровождающийся тепловым эффектом 7,029 кДж/моль. При температуре 500-564⁰С наблюдается фазовое превращение второго рода. Выше этой температуры сульфат натрия кристаллизуется в гексагональную систему.

Плотность расплавленного сульфата натрия вблизи точки плавления составляет 2104 кг/м³. Мольная теплоемкость в диапазоне температур 900-1000⁰С в среднем равна 197,28 Дж/(мольК).

Испарение сульфата натрия становится заметным при температуре 1000⁰С; при 1200⁰С за 1 ч убыль массы составляет  0,5%. При температуре выше 1200⁰С происходит частичное разложение сульфата с выделением диоксида серы. Расчетным путем установлено, что давление паров продуктов диссоциации сульфата натрия достигает атмосферного при температуре 2178⁰С.

Испарение соли интенсифицируется при ее прокаливании в потоке водяного пара; убыль массы в течение 1 ч при температуре 1200⁰С превышает 3%.

Взаимодействие между сульфатом натрия и оксидом кремния начинается при температуре  1100⁰С и протекает по уравнению

2Na₂SO₄ + 2SiO₂ = 2Na₂SiO₃ + 2SO₂ + O₂.

Процесс ускоряется в присутствии оксида железа Fe₂O₃ и углерода. При одновременном добавлении оксида кремния и углерода (восстановителя) процесс взаимодействия идет по схеме

Na₂SO₄ + SiO₂ + C = Na₂SiO₃ + SO₂ + СО.

При спекании сульфата натрия с оксидом алюминия или материалами, его содержащими, в присутствии восстановителя при температуре 900-1000⁰С реакция протекает с образованием алюмината по уравнению

2Na₂SO₄ + 2Al₂O₃ + С = 2Na₂O·Al₂O₃ + СO₂ + 2SO₂.

В отсутствии восстановителя процесс образования алюмината происходит при более высокой температуре (~ 1200⁰С).

Сульфат натрия с оксидом железа при температуре выше 1450⁰С образует феррит, а с порошкообразным алюминием при температуре 800⁰С реагирует со взрывом. Реакция идет по схеме

3Na₂SO₄ + 8А1 = 3Na₂S + 4Al₂O₃.

При температуре выше 540⁰С сульфат натрия способен восстанавливаться водородом, однако без катализатора реакция протекает медленно. Катализаторами могут служить оксиды некоторых металлов переменной валентности. При этом возможно образование сульфида натрия при температуре, ниже точки плавления сульфата

Nа₂SO₄ + 4Н₂ = Nа₂S + 4H₂O.

Оксид углерода начинает восстанавливать сульфат натрия при температуре 720-730⁰С. Твердые восстановители действуют на него только при высоких температурах; интенсивное взаимодействие начинается при плавлении сульфата.

Сульфат натрия гигроскопичен. Он хорошо растворяется в воде. В воздухе при температуре ниже 32,4⁰С безводный продукт поглощает влагу. Увлажнение сопровождается выделением тепла, что связано с образованием декагидрата Na₂SO₄·10H₂O (теплота гидратации равна 102,09 кДж/моль), который кристаллизуется при температуре 32,28⁰С в виде прозрачных призм моноклинной системы. Декагидрат имеет следующие характеристики: плотность – 1464 кг/м³, температуру плавления – 32,4⁰С, энтальпию образования (–Н⁰) – 4333,8 кДж/моль, мольную теплоемкость – 580 Дж/(мольК), энтальпию плавления – 69,08 кДж/моль.

В воздухе кристаллы декагидрата выветриваются, покрываясь коркой безводного сульфата. Обратное поглощение кристаллизационной воды безводным сульфатом происходит гораздо медленнее гидратации.

Давление водяного пара над насыщенным раствором сульфата натрия составляет:

t, 0С	20,8	25,0	30,0	35,0	40,0	45,0	50,0	55,0
р, кПa	2,13	2,72	4,12	4,92	6,32	8,18	10,91	14,10

Иногда наблюдается образование неустойчивых промежуточных гидратов, содержащих 2, 4 или 7 молекул воды.

Сульфат натрия способен к образованию двойных солей с рядом неорганических соединений: сульфатами калия, аммония, кальция, марганца; карбонатом натрия и др.