NaOH là gì?

Natri hiđroxit là một hợp chất vô cơ có công thức NaOH còn được gọi là xút, xút ăn da hoặc caustic soda. Đây là một chất rắn màu trắng, thuộc loại hợp chất ion, gồm các cation natri Na⁺ và anion hiđroxit OH⁻.

Natri hiđroxit là một bazơ và kiềm mạnh, có tính ăn mòn rất cao, có khả năng phân hủy lipid và protein ở nhiệt độ môi trường, và có thể gây bỏng hóa chất nghiêm trọng khi ở nồng độ cao.

Chất này tan rất tốt trong nước và dễ dàng hấp thụ hơi ẩm cùng khí carbon dioxide trong không khí. Nó tạo thành một loạt các dạng hiđrat NaOH·nH₂O. Dạng monohydrat NaOH·H₂O kết tinh từ dung dịch nước trong khoảng 12,3 đến 61,8 °C.

Tính chất của NaOH

Tính chất vật lý

Natri hiđroxit tinh khiết là một chất rắn kết tinh không màu, nóng chảy ở 318 °C (604 °F) mà không bị phân hủy và sôi ở 1.388 °C (2.530 °F). Chất này tan rất tốt trong nước, nhưng độ tan giảm trong các dung môi phân cực như ethanol và methanol. Natri hiđroxit không tan trong ether và các dung môi không phân cực khác.

Độ nhớt của natri hiđroxit

Dung dịch natri hiđroxit đậm đặc (50%) có độ nhớt đặc trưng khoảng 78 mPa·s, lớn hơn nhiều so với nước (1,0 mPa·s) và gần với độ nhớt của dầu olive (85 mPa·s) ở nhiệt độ phòng.

Độ nhớt của dung dịch NaOH, giống như mọi chất lỏng khác, tỷ lệ nghịch với nhiệt độ — nghĩa là nhiệt độ tăng → độ nhớt giảm, và ngược lại. Độ nhớt của dung dịch natri hiđroxit có ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng cũng như việc lưu trữ của nó.

Các dạng hiđrat

Natri hiđroxit có thể tạo ra nhiều dạng hiđrat NaOH·nH₂O, dẫn đến một sơ đồ độ tan phức tạp, được mô tả chi tiết bởi Spencer Umfreville Pickering vào năm 1893.

Các hiđrat đã biết và khoảng nhiệt độ – nồng độ (phần trăm khối lượng NaOH) của các dung dịch bão hòa tương ứng gồm:

• Heptahydrat (NaOH·7H₂O): từ −28 °C (18,8%) đến −24 °C (22,2%).
• Pentahydrat (NaOH·5H₂O): từ −24 °C (22,2%) đến −17,7 °C (24,8%).
• Tetrahydrat (NaOH·4H₂O), dạng α: từ −17,7 °C (24,8%) đến 5,4 °C (32,5%).
• Tetrahydrat (NaOH·4H₂O), dạng β: không bền (metastable).
• Trihemihydrat (NaOH·3,5H₂O): từ 5,4 °C (32,5%) đến 15,38 °C (38,8%), rồi đến 5,0 °C (45,7%).
• Trihydrat (NaOH·3H₂O): không bền (metastable).
• Dihydrat (NaOH·2H₂O): từ 5,0 °C (45,7%) đến 12,3 °C (51%).
• Monohydrat (NaOH·H₂O): từ 12,3 °C (51%) đến 65,10 °C (69%), rồi đến 62,63 °C (73,1%).

Cấu trúc tinh thể NaOH

NaOH và dạng monohydrat của nó tạo thành tinh thể trực thoi (orthorhombic), với nhóm không gian lần lượt là Cmcm (oS8) và Pbca (oP24).

Ô mạng cơ sở của dạng monohydrat có các kích thước: a = 1,1825 nm, b = 0,6213 nm, c = 0,6069 nm.

Các nguyên tử được sắp xếp trong dạng lớp giống cấu trúc hydrargillite, trong đó mỗi nguyên tử natri (Na) được bao quanh bởi sáu nguyên tử oxy — gồm ba oxy từ ion hydroxide (OH⁻) và ba oxy từ các phân tử nước.

Các nguyên tử hydro của nhóm hydroxyl tạo liên kết mạnh với các nguyên tử oxy bên trong mỗi lớp O. Các lớp O kề nhau được giữ với nhau bởi liên kết hydro giữa các phân tử nước.

Tính chất hóa học

Phản ứng với axit

Natri hiđroxit phản ứng với các axit proton (axit có khả năng cho H⁺) để tạo ra nước và muối tương ứng. Ví dụ, khi natri hiđroxit phản ứng với axit clohiđric, muối natri clorua được tạo thành:

• NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l)

Nhìn chung, các phản ứng trung hòa này có thể được biểu diễn bằng phương trình ion rút gọn đơn giản:

• OH⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l)

Loại phản ứng giữa bazơ mạnh và axit mạnh này tỏa nhiệt, do đó là phản ứng tỏa nhiệt (exothermic). Các phản ứng axit–bazơ như vậy được sử dụng trong chuẩn độ. Tuy nhiên, NaOH không được dùng làm chất chuẩn sơ cấp vì nó hút ẩm và hấp thụ CO₂ từ không khí.

Phản ứng với các oxit axit

Natri hiđroxit phản ứng với các oxit có tính axit, chẳng hạn như SO₂. Những phản ứng này thường được sử dụng trong các hệ thống hấp thụ (scrubber) để loại bỏ các khí axit độc hại như SO₂ và H₂S trong quá trình đốt than, nhằm ngăn chặn chúng thải ra môi trường.

• Ví dụ: 2 NaOH + SO₂ → Na₂SO₃ + H₂O

Phản ứng với kim loại và oxit

Phản ứng này liên quan đến sự khác biệt về enthalpy tạo thành của Fe₂O₃ (−824,2 kJ/mol) so với NaOH (−500 kJ/mol) cùng với sự tăng entropy, khiến phản ứng tự xảy ra ở nhiệt độ cao (ΔS·T > ΔH, ΔG < 0) và không tự xảy ra ở nhiệt độ thấp (ΔS·T < ΔH, ΔG > 0).

Xét phản ứng giữa natri hiđroxit nóng chảy và mạt sắt mịn:

• 4 Fe + 6 NaOH → 2 Fe₂O₃ + 6 Na + 3 H₂

Tạo kết tủa

Khác với natri hiđroxit vốn tan hoàn toàn trong nước, phần lớn các hiđroxit kim loại chuyển tiếp lại không tan, vì vậy NaOH được dùng để tạo kết tủa các hiđroxit kim loại chuyển tiếp. Các màu đặc trưng quan sát được:

• Đồng (Cu²⁺): xanh lam
• Sắt(II): xanh lục
• Sắt(III): vàng / nâu

Các muối kẽm và chì tan trong lượng dư natri hiđroxit để tạo dung dịch trong suốt chứa Na₂ZnO₂ hoặc Na₂PbO₂.

Phản ứng xà phòng hóa của NaOH

Natri hydroxit có thể được sử dụng để thủy phân este (còn gọi là xà phòng hóa), amit và alkyl halide bằng bazơ. Tuy nhiên, độ tan hạn chế của natri hydroxit trong dung môi hữu cơ khiến kali hydroxit (KOH) dễ tan hơn thường được ưa chuộng hơn.

Ứng dụng NaOH

Sodium hydroxide (NaOH) là một bazơ mạnh phổ biến được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Natri hiđroxit được dùng để sản xuất các muối natri và chất tẩy rửa, điều chỉnh pH và tổng hợp hữu cơ. Ở quy mô lớn, nó thường được xử lý ở dạng dung dịch vì dung dịch rẻ hơn và dễ thao tác hơn so với dạng rắn.

Một số ứng dụng phổ biến khác của natri hiđroxit bao gồm:

• Sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa. NaOH dùng cho xà phòng bánh cứng, còn KOH dùng cho xà phòng lỏng. NaOH được dùng nhiều hơn KOH vì rẻ hơn và cần lượng ít hơn.
• Làm thông cống, bằng cách chuyển chất béo và dầu mỡ gây tắc thành xà phòng hòa tan được trong nước.
• Sản xuất sợi dệt nhân tạo như rayon.
• Trong ngành sản xuất giấy. Khoảng 56% lượng NaOH được sản xuất được sử dụng trong công nghiệp, và 25% trong số đó dùng cho ngành giấy.
• Tinh chế quặng bôxít để sản xuất kim loại nhôm (quy trình Bayer).
• Tẩy dầu mỡ kim loại.
• Lọc dầu (oil refining).
• Sản xuất thuốc nhuộm và chất tẩy trắng.
• Xử lý nước, nhằm điều chỉnh pH.

Quá trình nghiền bột giấy: Natri hiđroxit được dùng nhiều trong quy trình nghiền bột gỗ để sản xuất giấy hoặc sợi tái tạo. Cùng với natri sunfua, NaOH là thành phần chính trong “dịch trắng”  dùng để tách lignin khỏi cellulose trong quy trình kraft.

Tiêu hóa mô: NaOH cũng được sử dụng để tiêu hóa mô, từng được áp dụng trong xử lý xác động vật. Quá trình này cho xác vào buồng kín, thêm hỗn hợp NaOH và nước để phá vỡ các liên kết hóa học trong mô. Kết quả thu được là dung dịch màu nâu đậm; phần rắn còn lại là vỏ xương, có thể nghiền nát bằng tay.

Hòa tan kim loại và hợp chất lưỡng tính: Bazơ mạnh như NaOH tấn công nhôm. NaOH phản ứng với nhôm và nước để giải phóng khí hiđro, tạo natri aluminat:

• 2 Al + 2 NaOH + 2 H₂O → 2 NaAlO₂ + 3 H₂

Trong phản ứng này, NaOH đóng vai trò tạo môi trường kiềm giúp nhôm hòa tan.

NaOH được sử dụng truyền thống trong làm xà phòng (quy trình hóa nguội, xà phòng hóa): Thế kỷ 19, NaOH được dùng để tạo sản phẩm dạng rắn vì dễ bảo quản và vận chuyển.

Thành phần trong mỹ phẩm: NaOH có mặt trong một số sản phẩm chăm sóc da như sữa rửa mặt, kem dưỡng, lotion và mỹ phẩm. Nó được dùng ở nồng độ thấp để cân bằng pH nhờ tính kiềm mạnh.

Chế biến thực phẩm

Ứng dụng thực phẩm của NaOH bao gồm rửa hoặc bóc vỏ hóa học trái cây – rau củ, xử lý ca cao – chocolate, sản xuất màu caramel, làm lông gia cầm, sản xuất nước giải khát và làm đặc kem.

Các thực phẩm cụ thể dùng NaOH:

• Bánh pretzel Đức được luộc trong dung dịch natri cacbonat hoặc NaOH lạnh trước khi nướng, tạo lớp vỏ đặc trưng.
• Nước tro là thành phần tạo vỏ bánh Trung thu truyền thống.
• Nhiều loại mì vàng Trung Quốc dùng nước tro, nhưng thường bị nhầm là chứa trứng.
• Một số loại bánh zongzi dùng nước tro tạo vị ngọt nhẹ.
• Trứng bắc thảo dùng NaOH để làm đông phần lòng trắng.
• Một số phương pháp chế biến ô liu ngâm chúng trong dung dịch kiềm.
• Món kutsinta của Philippines dùng một ít nước tro để tạo độ dai.
• Món lutefisk của Na Uy được chế biến bằng dung dịch kiềm.
• Bánh bagel thường được luộc trong dung dịch kiềm trước khi nướng để tạo độ bóng.
• Hominy là hạt ngô sấy được làm nở bằng cách ngâm trong nước kiềm; có thể chiên thành corn nuts hoặc phơi khô – nghiền thành grits.

Ứng dụng khác

• Chất tẩy rửa: NaOH thường được dùng làm chất tẩy công nghiệp (thường gọi là “xút”). Nó được hòa vào nước, đun nóng và dùng để vệ sinh thiết bị, bồn chứa…
• Duỗi tóc : Một số sản phẩm duỗi tóc dùng NaOH để làm thẳng tóc.
• Tẩy sơn: Dung dịch NaOH từng được sử dụng rất phổ biến để tẩy sơn trên đồ gỗ.
• Xử lý nước: NaOH đôi khi được dùng trong khử trùng nước để tăng pH nguồn nước