氢氧化钠（英文名称：Sodium Hydroxide），称烧碱、火碱、苛性钠、固碱等，无机化合物，是一种高腐蚀性的强碱[1]，化学式为NaOH，摩尔质量为39.997g/mol，密度为2.1g/cm3。[8]常温常压下为无色透明晶体，工业品中因掺杂有少量氯化钠和碳酸钠而呈现白色[9]，形态无规则，有块状、片状、棒状、粒状等几种，极易溶于水，遇水和水蒸气大量放热，并成为腐蚀性液体。除此之外，氢氧化钠易溶于甲醇、乙醇和甘油，不溶于丙醇等溶剂。[10]氢氧化钠易与酸反应，与酯[zhǐ]类物质发生皂化反应用来生产肥皂。工业上常用纯碱石灰法、天然碱石灰法、苛化法等方法制备氢氧化钠。氢氧化钠广泛应用于医药、食品、化学、洗涤、纺织、造纸、炼铝、净水等领域。[2][5][11][12][13][14]
相关历史
氢氧化钠不存在于自然界，但可从易得的原料大规模地制造，并有广泛的用途。氢氧化钠溶液是最古老的人造化学品之一，古代就已经知道用碳酸钠与煅烧过的石灰石在水溶液中的反应制备氢氧化钠。[15]当时的炼金术士们发现，将石灰和草木灰或碳酸钠混合会增强草木灰或碳酸钠的碱性，这种操作最终导致苛性苏打（即氢氧化钠）的发现。[16]在中世纪，苛性苏打被视为一种比苏打或钾碱更为烈性的碱液，是由苏打和生石灰（氢氧化钙）制成的，有助于从天然来源中提取染料。到公元800年时，通过在苛性苏打中煮沸脂肪或植物油制备硬皂似乎已广泛应用于整个欧洲。[17]
19世纪初，人们发现食盐水电解可生成氢氧化钠碱液。1833年确立了电解过程的基本定律（法拉第定律）。1884年开始在工业上采用石灰乳苛化纯碱溶液的方法制备氢氧化钠。1888年隔膜法电解食盐水生产烧碱和氯气在工业上实现。1892年汞电解槽在工业上应用。1968年金属阳极代替石墨阴极用于大规模工业生产。1975年离子交换膜氯碱电解槽投入工业运转。1979年应用于宇宙飞船的燃料电池固体聚合物电解质SPE试验性地应用于盐水电解制烧碱和氯气。[18]
理化性质
物理性质
氢氧化钠为无色透明的晶体，其水溶液有涩味和滑腻感。[9]无味，摩尔质量为39.779g/mol，密度为2.1g/cm3，沸点为1388℃，熔点为318℃。工业品级氢氧化钠，因掺杂有少量的氯化钠、碳酸钠等物质而呈现白色。[9]易潮解，形态不规则，有块状、片状、棒状、粒状等几种。氢氧化钠易吸取空气中的水蒸气，从而发生潮解。[10]极易溶于水且溶解度随温度的升高而增大，溶解后放出大量热量并形成碱性溶液，在20°C的水中的溶解度为1.09 g/100ml；[19]易溶于甲醇、乙醇和甘油，不溶于丙酮、乙醚和苯等溶剂。[1][5][6]氢氧化钠的粘度为4.0 cP（350 °C），蒸气压约为0 mm Hg，汽化热为175 kJ/mol。[1]
化学性质
氢氧化钠不会燃烧，遇水和水蒸气大量放热，并成为腐蚀性液体。[5]
中和反应
氢氧化钠属于强碱，其水溶液能使指示剂变色，与酸可以发生中和反应，生成相应的盐。[11][12]
氢氧化钠与稀盐酸的中和反应
与氧化物反应
氢氧化钠易吸收空气中的二氧化碳变为碳酸钠，反应方程式如下：[6]
氢氧化钠能与某些金属氧化物和非金属氧化物反应。例如氢氧化钠可以腐蚀玻璃、陶瓷（因其含有SiO₂），反应方程式如下：[20][12]
与酸性气体反应
氢氧化钠与硫化氢、二氧化碳、二氧化硫等酸性气体反应，生成相应的钠盐。这些反应在工业上常用作气体净化洗涤操作，除去杂质气体。[12][13]
与单质反应
氢氧化钠可以与多种单质物质发生反应，向氢氧化钠溶液中通入卤素单质，在较低的温度下反应生成卤化钠和次卤酸钠（次卤盐不稳定）；加热后反应生成卤化钠和卤酸钠（卤酸盐比较稳定）。[12]
氢氧化钠能溶解铝、锌、硼、硅等单质，例如，氢氧化钠与锌单质作用生成锌酸钠，并释放出氢气，反应方程式如下：[20][12]
与两性物质反应
氢氧化钠与两性金属（铝、锌、锡）或其氧化物反应生成偏铝酸根、偏锌酸根、偏锡酸根之类的配阴离子和氢气。例如从铝铁矿中提取氧化铝的主要步骤就是氢氧化钠和氧化铝反应：[12][13]
氢氧化钠能与两性氢氧化物作用能生成相应的钠盐。例如，氢氧化钠与氧化铝反应生成四羟基合铝酸钠，反应方程式如下：[12]
与金属离子反应
金属离子可以与氢氧化钠溶液反应生成相应的氢氧化物沉淀。工业上利用此反应可以除去金属离子杂质。例如钙、镁离子在氢氧化钠溶液中反应。[12][13]
与有机化合物的反应
氢氧化钠可以与酯类物质发生皂化反应生成有机酸钠盐和相应的醇。例如氢氧化钠与甘油三脂肪酸酯反应生成肥皂和甘油。[13]
卤代烃与氢氧化钠反应时，可以发生水解反应，此反应可以用于合成相应的醇类物质；另外，将卤代烃在氢氧化钠的醇溶液中加热，可以发生消去反应，从而生成相应的烯烃，两种反应方程式如下：[21]
生成醇的反应：
生成烯烃的反应：
应用领域
医药
氢氧化钠可以用作消毒药品。配成1%或2%的烧碱水溶液，用作食品工业的消毒药品，还可以对被油垢或浓糖液沾污的工具、机械、及车间等进行消毒。[2]
食品
在食品加工中，氢氧化钠可以作为酸的中和剂，也可以用于水果的碱液去皮。去皮所用氢氧化钠溶液的浓度因水果品种而有一定的差异。如在生产全去囊衣糖水橘子罐头时，用浓度为0.8%的氢氧化钠溶液；如生产糖水桃时，用浓度为13%~16%的氢氧化钠溶液。[22][2]中国《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》（GB2760―2014）规定，氢氧化钠可用作食品工业用加工助剂，残留量无须限定。[22][23]
无机化学领域
氢氧化钠属于具有强碱性的化工原料，广泛应用于各种无机钠盐（如磷酸钠、亚硫酸钠）和重金属氢氧化物的制备、电镀液的配制、矿石的碱性浸提（如在氰化法提取黄金时减少化学损耗）、酸性废气（如用于磺化反应后对过剩的发烟硫酸进行中和）和各种反应溶液pH值的调节等。此外，制金属钠、水的电解、硼砂、铬盐等无机盐的生产和制取也要使用大量的氢氧化钠。[14][10]
有机化学化工领域
在有机化学工业中，氢氧化钠可用来作为皂化反应的原料。较多的有机物在氢氧化钠溶液中反应可得到亲核的阴离子中间体。此外，氢氧化钠还可对与含卤化合物进行脱卤化氢的消除反应、以碱熔法生产羟基化合物、与有机碱的盐类反应生产游离碱、作为碱性催化剂催化较多的有机化学反应等。[14]
此外，氢氧化钠在生产染料、塑料、药剂及有机中间体时发挥着重要作用，包括旧橡胶的再生、聚碳酸酯、超级吸收质聚合物和环氧树脂的生产等。[10]
洗涤用品工业
氢氧化钠可与有机物进行皂化反应，生成的油脂可用于制造肥皂，与烷基芳烃磺酸反应生产洗涤剂的活性组分。另外氢氧化钠还可以用来生产作为洗涤剂组分的磷酸钠盐，常用的含十二烷基苯磺酸钠等成分的洗衣粉也是由大量的氢氧化钠制造出来的。[14]
皂化反应
纺织工业
纺织工业使用氢氧化钠溶液制造粘胶纤维。所用的氢氧化钠溶液必须仅含痕量的氯化物(人造丝级)。用氢氧化钠溶液处理棉织品（丝光处理），可以改善其表面光泽。[14]
自来水及水处理工业
自来水厂使用氢氧化钠溶液再生离子交换剂，用来供饮水净化和废水处理。[14]在污水处理工业，由于存在酸性物质导致水的硬度较高的问题，通过加入氢氧化钠，可以用于降低酸性物质的含量。因氢氧化钠的用量控制比较方便，因此在水处理领域，该方法较为常用。[10]
其他
氢氧化钠还可以用于配制电镀液；用来加工铝钒土，提取纯氧化铝；用于蒸煮木浆（除去木质素）；天然气与石油精炼的脱硫；在氧化法提取黄金时减少化学损耗；以及处理酸性废气和废水。[14]
物质结构
氢氧化钠晶体结构有正交晶系、单斜晶系、三方晶系和四方晶系。其中，正交晶系的NaOH晶体的空间群有两种：Cmcm和Pbcm。[24][25]
当空间群为Cmcm时，晶体为二维结构。每个钠离子与五个氧离子结合，形成了一个边角共享的
方形金字塔，其中有一个较短的Na–O键（2.28 Å）和四个较长的Na–O键（2.40 Å）。氢离子以单键的方式与一个氧离子结合，氢键长度为0.97 Å。晶体结构中，a=3.37 Å、b=10.90 Å、c=3.35 Å、α=90.00º、β=90.00º、ɣ=90.00º。其晶体体积为123.15 ų，形成能为-1.551 eV/atom，能隙为2.80 eV。晶体密度为2.16 g·cm⁻³。[24]
正交晶系的氢氧化钠（空间群为Cmcm）
当空间群为Pbcm时，晶体为三维结构。每个钠离子与四个氢离子和六个氧离子结合，形成两个较短Na–H键（2.37 Å）和两个较长的Na–H键（2.39 Å），而Na–O键间距的范围在2.32–2.53 Å之间。氧离子以单键的方式与六个等价的钠离子和一个氢离子键合。此晶体结构中，a=3.13 Å、b=5.87 Å、c=6.10 Å、α=90.00º、β=90.00º、ɣ=90.00º。其晶体体积为111.96 ų，形成能为-1.540 eV/atom，能隙为3.31 eV。晶体密度为2.37 g·cm⁻³。[25]
正交晶系的氢氧化钠（空间群为Pbcm）
单斜晶系的NaOH晶体的空间群为P2₁/m，晶体为二维结构。每个钠离子与五个氧离子结合，形成了一个扭曲的边角共享的NaO₅方形金字塔，Na–O键间距的范围在2.27–2.42 Å之间。氢离子与氧离子结合方式与正交晶系相同且氢键长度一致。此晶体结构中，a=3.38 Å、b=3.37 Å、c=5.61 Å、α=90.00º、β=106.10º、ɣ=90.00º。其晶体体积为61.36 ų，形成能为-1.550 eV/atom，能隙为2.82 eV。晶体密度为2.16 g·cm⁻³。[26]
单斜晶系的氢氧化钠
制备方法
实验室制备氢氧化钠
实验室制备氢氧化钠的方法主要以金属钠为原料。将钠在纯氧或除去CO₂的空气中燃烧可以得到Na₂O，之后再将Na2O与水作用，生成氢氧化钠，两步反应方程式如下：[27]
Na2O的制备：
NaOH的制备：
钠与水反应生成氢氧化钠和氢气，[28]该反应因反应剧烈以及有氢气的存在，可能存在安全隐患，因此可选择将熔化的钠和除去了氧气的水蒸气以雾状的形式进行，可以规避相应的风险。反应方程数如下：[27]
纯碱石灰法
该方法也被称为是苛化法，是以碳酸钠溶液和氢氧化钙为原料，在99℃~101℃下进行复分解反应，生成氢氧化钠溶液和碳酸钙沉淀。化学反应式如下：[29]
上述溶液中的碳酸钙等不溶物经过滤后，滤液蒸发浓缩至40%以上，可以制得液体氢氧化钠。将浓缩液进一步熬干固化，便可得到固体氢氧化钠。[29]
氯化钠溶液电解法
原盐（食盐）经除杂后，加热至一定温度进行电解，然后所得电解液经预热、蒸发、分盐、冷却得到浓碱液（液体氢氧化钠），进一步熬浓得到固体氢氧化钠。由于此方法的副产物为氢气和氯气，因此电解法生产烧碱又称为氯碱工业，现代氯碱生产中，电解效率一般为95%~97%。[30]该方法的主要化学式如下：[31]
关于此法有隔膜电解法和离子交换电解法两种工艺，其中，隔膜电解法是制备氢氧化钠最常用的方法之一。该法是利用多孔渗透性的隔膜材料为膜层，将阳极产生的与阴极产生的分开。此法生产强度小、氢氧化钠纯度低、对环境污染大。[29]
离子交换膜法是应用化学性能稳定的全氟磺酸阳离子为交换膜，将电解槽的阳极室和阴极室隔开。该法所制的氢氧化钠纯度高、投资小、对环境污染小。[29]
水银电解法
原盐（食盐）经过除杂后，进行预热，然后送入水银电解槽，进行电解。电解槽分为电解室和解汞室两部分，原盐中的钠离子与水银结合成钠汞齐，流入解汞室。钠汞齐与端部加入的清水反应生成氢氧化钠和水银，水银又返回到电解室循环使用。从解汞室流出的氢氧化钠浓度约为45%~50%，可以直接用作商品液碱，也可以熬浓得到固体氢氧化钠。[31]
水银电解法工艺流程图
安全事宜
安全标识
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象形图[32] |
腐蚀剂 |
GHS分类
|
GHS[32] |
危险说明 |
危险等级 |
|
H314 |
造成严重的皮肤灼伤和眼睛损伤 |
皮肤腐蚀/刺激 |
毒理学资料
小鼠腹腔注射LD50为40mg/kg。[22]
FAO（联合国粮食及农业组织 Food and Agriculture Organization of the United Nations ）/WHO（世界卫生组织 World Health Organization）对ADI（每日允许摄入量 Acceptable Daily Intake）不做限制性规定（1994）。[22]
FDA（食品药品监督管理局 Food and Drug Administration）将其列为一般公认安全物质（GRAS:FDA-21CFR171.310,FDA-21CFR184.1763）。[22][2]
氢氧化钠属于剧毒物质，1.95g可致死。[22][2]
相关法规
中国《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》（GB2760―2014）规定，氢氧化钠可用作食品工业用加工助剂，残留量无须限定。[22][23]
泄露处理
少量泄露：用洁净的铲子收集于干燥、洁净、带盖的容器中。也可用大量水冲洗，洗水稀释后放入废水系统。[5]
大量泄漏：收集回收或运至废物处理场所处置。[5]
健康相关
氢氧化钠粉尘会刺激眼和呼吸道，腐蚀鼻中隔；皮肤和眼直接接触可引起灼伤；误服可造成消化道灼伤，黏膜糜烂、出血和休克。[33]
急救措施
皮肤接触：如果是氢氧化钠稀溶液，必须先用水冲洗至少15min；如果是氢氧化钠浓溶液，需用布擦干，再用5%~10%硫酸镁溶液或3%硼酸溶液清洗并就医。[33][10]
眼睛接触：立即提起眼脸，用流动清水或生理盐水冲洗，就医。[33][34]
吸入：立即将人移至空气新鲜处，保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，进行人工呼吸，就医。[33][34]
食入：立即用食醋、3%~5%醋酸、5%稀盐酸、大量橘汁或柠檬汁等将氢氧化钠进行中和，并给予服下蛋清、牛奶或植物油，迅速就医，禁止催吐和洗胃。[33][34][10]
储存运输
由于氢氧化钠易吸收空气中的水分导致潮解，且对纸张、丝棉织物和玻璃等都有腐蚀性，因此，氢氧化钠宜密闭储存于不受腐蚀的容器中。[20]盛放氢氧化钠溶液的容器不可以用玻璃瓶塞，因为氢氧化钠会对玻璃制品中的成分进行腐蚀，与其生成的硅酸钠使得玻璃容器中的活塞黏着于容器上，不易分离。而且热的氢氧化钠也会导致玻璃容器的损坏，因此不可长时间存放于玻璃容器中。[10]
将氢氧化钠储存于不漏水的容器内，放置于干净、阴凉的地方，与工作场所和禁忌物隔离。储存地方应有单独的通风设备。固体片碱、粒碱的包装、装卸时要轻装轻放，以防散包而危害人体，与此同时，氢氧化钠外包装容器应该有明显“腐蚀性物质”标志。[14][35]
铁路运输过程中，使用钢桶包装的氢氧化钠可用敞车运输（但运输氢氧化钠时应防潮防雨）。运输过程不应超载，确保存放容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏，容器破损可用锡焊修补。同时，氢氧化钠不可与易燃物、可燃物、酸类物质、食用化学品等混装混运。为了避免意外情况发生，运输时运输车辆应配备泄漏应急处理设备。[10]