Натрий в природе (2,6% в Земной коре). Характеристика натрия. Формула натрия

Натрий (латинское Natrium, обозначается символом Na) - элемент с атомным номером 11 и атомным весом 22,98977. Является элементом главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Простое вещество натрий - мягкий, легкоплавкий (tпл 97,86 °С), пластичный, легкий (плотность 0,968 г/см3), щелочной металл серебристо-белого цвета.

Природный натрий состоит всего из одного изотопа с массовым числом 23. Всего в настоящее время известно 15 изотопов и 2 ядерных изомера. У большинства искусственно полученных радиоактивных изотопов период полураспада меньше минуты. Только два изотопа имеют относительно долгий период полураспада: излучающий позитроны 22Na с периодом полураспада 2,6 года, который используют в качестве источника позитронов и в научных исследованиях и 24Na с периодом полураспада 15 часов используемый в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии.

Натрий в виде различных соединений известен с древних времен. Хлорид натрия (NaCl) или поваренная соль - одно из важнейших жизненно необходимых соединений, считается, что оно стало известно человеку еще в неолите, то есть, получается, что человечество употребляет хлорид натрия более шести тысяч лет! В ветхом завете существует упоминание вещества под названием «нетер», оно использовалось в качестве моющего средства. Скорее всего - это сода, карбонат натрия, который содержится в водах солевых озер в Египте.

В XVIII веке химикам уже было известно большое количество соединений натрия, соли этого металла широко применялись в медицине и текстильной промышленности (при окраске тканей и дублении кож). Однако металлический натрий был получен лишь в 1807 году английским химиком Хэмфри Дэви.

Важнейшие области применения натрия - это атомная энергетика, металлургия, промышленность органического синтеза. В атомной энергетике натрий и его сплав с калием применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей. В металлургии натрийметаллическим методом получают ряд тугоплавких металлов, восстанавливая натрием KOH, выделяют калий. Кроме того, натрий используют как добавку, которая упрочняет свинцовые сплавы. В промышленности органического синтеза натрий используется при получении многих веществ. Натрий выступает в роли катализатора при получении некоторых органических полимеров. Важнейшие соединения натрия - оксид натрия Na2O, пероксид натрия Na2O2 и гидроксид натрия NaOH. Пероксид натрия применяется при отбеливании тканей, для регенерации воздуха в изолированных помещениях. Гидроксид натрия – один из важнейших продуктов основной химической промышленности. В колоссальных количествах он потребляется для очистки продуктов переработки нефти. Кроме того, гидроксид натрия широко применяется в мыловаренной, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности, а также при производстве искусственного волокна.

Натрий - один из важнейших элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. В человеческом организме натрий в виде растворимых солей (хлорида, фосфата, бикарбоната) содержится в основном во внеклеточных жидкостях - плазме крови, лимфе, пищеварительных соках. Осмотическое давление плазмы крови поддерживается на необходимом уровне, прежде всего за счет хлорида натрия.

Симптомами нехватки натрия являются потеря веса, рвота, образование газов в желудочно-кишечном тракте, и нарушение усвоения аминокислот и моносахаридов. Продолжительный дефицит вызывает мышечные судороги и невралгию. Переизбыток натрия вызывает отек ног и лица, а также повышенное выделение калия с мочой.

Биологические свойства

Натрий относится к группе макроэлементов, которые совместно с микроэлементами играют важную роль в минеральном обмене животных и человека. Макроэлементы содержатся в организме в значительных количествах, составляя в среднем от 0,1 до 0,9 % массы тела. Содержание натрия в теле взрослого человека составляет 55-60 г на 70 кг веса. Главным образом элемент номер одиннадцать содержится во внеклеточных жидкостях: в крови - 160-240 мг, в плазме - 300-350 мг, в эритроцитах - 50-130 мг. Костная ткань содержит до 180 мг натрия, эмаль зубов гораздо богаче этим макроэлементом - 250 мг. В легких концентрируется до 250 мг, в сердце 185 мг натрия. Мышечная ткань содержит натрия около 75 мг.

Основная функция натрия в организме людей, животных и даже растений - поддержание вводно-солевого баланса в клетках, регулирование осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия. По этой причине содержание натрия в клетках растений довольно высокое (около 0,01 % на сырую массу), натрий создает высокое осмотическое давление в клеточном соке и тем самым способствует извлечению воды из почвы. В организме человека и животных натрий отвечает за нормализацию нервно-мышечной деятельности (участвует в нормальном проведении нервных импульсов) и сохраняет необходимые минеральные вещества в крови в растворенном состоянии. Вообще роль натрия в регулировании обмена веществ гораздо шире, ведь этот элемент необходим для нормального роста и состояния организма. Натрий играет роль «курьера», доставляя различные вещества к каждой клетке, например, сахара в крови. Он препятствует возникновению теплового либо солнечного удара, обладает также ярко выраженным сосудорасширяющим действием.

Натрий активно взаимодействует с другими элементами, так совместно с хлором они предотвращают утечку жидкости из кровеносных сосудов в прилежащие ткани. Однако главным «напарником» натрия является калий, в сотрудничестве с которым, они выполняют большинство выше перечисленных функций. Оптимальная суточная доза натрия для детей составляет от 600 до 1 700 миллиграммов, для взрослых от 1 200 до 2 300 миллиграммов. В эквиваленте поваренной соли (самый популярный и доступный источник натрия) это соответствует 3-6 граммам в день (в 100 граммах пищевой соли содержится 40 грамм натрия). Суточная потребность в натрии главным образом зависит от количества солей, теряемых с потом, и может доходить до 10 грамм NaCl. Натрий содержится практически во всех продуктах (в значительном количестве в ржаном хлебе, куриных яйцах, твердом сыре, говядине и молоке), однако большую часть организм получает за счет поваренной соли. Усвоение одиннадцатого элемента происходит главным образом в желудке и тонкой кишке, витамин D способствует лучшему усвоению натрия. В тоже время, пища богатая белком и особо соленая может привести к затруднению всасывания. Концентрация ионов натрия в организме регулируется в основном гормоном коры надпочечников - альдостероном, почки либо удерживают, либо выделяют натрий, в зависимости от того злоупотребляет человек или недополучает натрий. По этой причине при нормальных внешних условиях и правильной работе почек не может наступить ни дефицит, ни профицит натрия. Недостаток этого элемента может возникнуть при ряде вегетарианских диет. Кроме того, обильные потери натрия с потом несут люди тяжелых физических профессий и спортсмены. Недостаток натрия возможен и при различных отравлениях, сопровождающихся обильным потоотделением, рвотой, диареей. Однако такой дисбаланс легко восполнить минеральной водой, с которой организм получает не только натрий, но и определенное количество других минеральных солей (калия, хлора и лития).

При недостатке натрия (гипонатриемия) возникают такие проявления, как потеря аппетита, снижение вкусовых ощущений, желудочные спазмы, тошнота, рвота, газообразование, как следствие всего этого - сильная потеря в весе. Продолжительный дефицит вызывает мышечные судороги и невралгию: пациент может испытывать трудность балансировки при ходьбе, головокружение и быструю утомляемость, возможно наступление шокового состояния. К симптомам дефицита натрия также причисляют проблемы с памятью, внезапные перемены настроения, депрессию.

Переизбыток натрия вызывает задержку воды в организме, как следствие - повышение плотности крови, следовательно, повышение артериального давления (гипертония), отеки и болезни сосудов. Кроме того, избыток натрия приводит к повышенному выделению калия с мочой. Максимальное количество соли, которое может быть переработано почками составляет примерно 20-30 граммов, большее количество уже опасно для жизни!

В медицине используется большое количество препаратов натрия, наиболее часто применяемые - сульфат натрия, хлорид (при кровопотерях, потерях жидкости, рвоте); тиосульфат Na2S2O3∙5H2O (противовоспалительное и противотоксическое средство); борат Na2B4О7∙10H2O (антисептическое средство); гидрокарбонат NaHCO3 (как отхаркивающее средство, а также для промываний и полосканий при ринитах, ларингитах).

Поваренная соль - незаменимая и ценная приправа к пище была известна еще в древнейшие времена. В наши дни хлорид натрия дешевый продукт совместно с углем, известняком и серой он входит в так называемую «большую четверку» минерального сырья, наиболее существенного для химической промышленности. А ведь были времена, когда соль приравнивалась по цене к золоту. Так, например, в древнем Риме легионерам часто платили жалование не деньгами, а солью, отсюда и произошло слово солдат. В Киевскую Русь соль доставляли из Прикарпатья, а также из соляных озер и лиманов Черного и Азовских морей. Добыча и доставка ее обходилась настолько дорого, что на торжественных пирах ее подавали на столы только знатных гостей, прочие же расходились «несолоно хлебавши». Даже после присоединения Астраханского царства с его соленосными озерами Прикаспия к Руси цена на соль ниже не стала, что вызвало недовольство самых бедных слоев населения, которое переросло в восстание, известное под названием Соляного Бунта (1648). Петр I в 1711 году ввел монополию на торговлю солью, как на стратегически важное сырье, исключительное право на торговлю солью для государства просуществовало до 1862 года. До сих пор сохранилась древняя традиция встречать гостей «хлебом да солью», что означало делиться самым дорогим, что есть в доме.

Всем хорошо известно выражение: «Чтобы узнать человека, нужно с ним пуд соли съесть», однако мало кто задумывался над смыслом данной фразы. Подсчитано, что в год человек потребляет до 8 килограмм хлорида натрия. Получается, что крылатое выражение, подразумевает всего лишь один год - ведь пуд соли (16 кг) вдвоем можно съесть именно за этот период.

Электропроводность натрия в три раза ниже, чем электропроводность меди. Однако натрий в девять раз легче, получается, что натриевые провода, если бы они существовали, стоили бы дешевле медных. Правда, существуют стальные шины, заполненные натрием, предназначенные для больших токов.

Подсчитано, что каменная соль в количестве, эквивалентном содержанию хлорида натрия в Мировом океане, занимала бы объем 19 млн куб. км (на 50 % больше, чем общий объем Североамериканского континента выше уровня моря). Призма такого объема с площадью основания 1 км2 может достичь Луны 47 раз! Солью, извлеченной из морских вод, можно было бы засыпать всю сушу земного шара слоем в 130 м! Сейчас суммарное производство хлорида натрия из морской воды достигло 6-7 млн т. в год, что составляет около трети общей мировой добычи.

При взаимодействии перекиси натрия с углекислым газом протекает процесс, обратный дыханию:

2Na2О2 + 2СО2 → 2Na2CО3 + О2

В ходе реакции углекислый газ связывается, а кислород выделяется. Данная реакция нашла применение на подводных лодках для регенерации воздуха.

Интересный факт установили канадские ученые. Они обнаружили, что у вспыльчивых и раздражительных людей натрий быстро выводится из организма. У спокойных и доброжелательных людей, а также у тех, кто испытывает положительные эмоции, например, у влюбленных, это вещество усваивается хорошо.

C помощью натрия на расстоянии 113 тыс. км от Земли 3 января 1959 года была создана искусственная комета вбрасыванием в мировое пространство натриевых паров с борта советского космического аппарата, летящего к Луне. Яркое свечение натриевой кометы позволило уточнить траекторию первого летательного аппарата, прошедшего по маршруту Земля - Луна.

Источниками, содержащими большое количество натрия, являются: очищенная морская соль, качественные соевые соусы, различные рассолы, квашеная капуста, мясные бульоны. В небольшом количестве одиннадцатый элемент присутствует в морской капусте, устрицах, крабах, свежей моркови и свекле, цикории, сельдереи и одуванчике.

История

Природные соединения натрия - поваренная соль NaCl и сода Na2CO3 - известны человеку с глубокой древности. Древние египтяне использовали природную соду, добываемую из вод содовых озер, для бальзамирования, отбеливания холста, при варке пищи, изготовлении красок и глазурей. Данное соединение египтяне называли neter, впрочем, этот термин относился не только к природной соде, но и к щелочи вообще, в том числе получаемой из золы растений. Об этом веществе, но уже под названием «nitron» упоминают и более поздние греческие (Аристотель, Диоскорид) и римские (Плутарх) источники. Древнеримский историк Плиний Старший писал, что в дельте Нила соду (он называет ее «nitrum») выделяли из речной воды, в виде крупных кусков она поступала в продажу. Имея большое количество примесей, в первую очередь угля, такая сода имела серый, а порой даже черный цвет. В арабской средневековой литературе фигурирует термин «natron», от которого постепенно в XVII-XVIII вв. образуется термин «натра», то есть основание, из которого можно получить поваренную соль. От «натра» произошло современное название элемента.

Современная аббревиатура «Na» и латинское слово «natrium» были впервые использованы в 1811 году академиком, основателем шведского общества врачей Йенсом Якобом Берцелиусом для обозначения природных минеральных солей, в состав которых входила сода. Этот новый термин сменил первоначальное название «sodium», которое дал металлу английский химик Хэмфри Дэви первый получивший металлический натрий. Считается, что Дэви руководствовался латинским наименованием соды - «soda», хотя есть и другое предположение: в арабском языке есть слово «suda», обозначающее головную боль, в древние времена этот недуг врачевали именно содой. Стоит отметить, что в ряде стран Западной Европы (Великобритания, Франция, Италия), а также в Соединенных Штатах Америки натрий носит название sodium.

Несмотря на то, что соединения натрия были известны очень давно, получить металл в чистом виде удалось лишь в 1807 году, совершил это английский химик Хэмфри Дэви в результате электролиза слегка увлажненного твердого едкого натра NaOH. Дело в том, что традиционными химическими методами получить натрий не могли - из-за высокой активности металла, способ же Дэви опережал научную мысль и технические разработки того времени. В начале XIX века единственным реально применимым и подходящим источником тока был вольтов столб. Тот, которым воспользовался Дэви, имел 250 пар медных и цинковых пластин. Процесс, описанный Д.И. Менделеевым в одной из своих работ, был крайне сложен и энергоемок: «Соединяя с положительным (от меди или угля) полюсом кусок влажного (чтобы достичь гальванопроводности) едкого натра и выдолбив в нем углубление, в которое налита была ртуть, соединенная с отрицательным полюсом (катодом) сильного вольтова столба, Дэви заметил, что в ртути растворяется, при пропускании тока, особый металл, менее летучий, чем ртуть, и способный разлагать воду, вновь образуя едкий натр». Из-за большой энергоемкости щелочной способ получил промышленное распространение лишь в конце XIX века - с появлением более совершенных источников энергии, а в 1924 году американский инженер Г. Даунс принципиально изменил процесс электролитического получения натрия, заменив щелочь гораздо более дешевой поваренной солью.

Год спустя после открытия Дэви Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар получили натрий не электролизом, а при помощи реакции едкого натра с железом, нагретым до красного каления. Еще позднее Сент-Клер Девиль разработал метод, по которому натрий получали, восстанавливая соду углем в присутствии известняка.

Нахождение в природе

Натрий один из самых распространенных элементов - шестой по количественному содержанию в природе (из неметаллов больше только кислорода - 49,5 % и кремния - 25,3 %) и четвертый среди металлов (более распространены лишь железо - 5,08 %, алюминий - 7,5 % и кальций - 3,39 %). Его кларк (среднее содержание в земной коре) по разным оценкам составляет от 2,27 % по массе до 2,64 %. Большая часть этого элемента находится в составе различных алюмосиликатов. Натрий - типичный элемент верхней части земной коры, это легко прослеживается по степени содержания металла в различных породах. Так наибольшая концентрация натрия - 2,77 % по массе - в кислых изверженных породах (граниты и ряд других), в основных породах (базальты и подобные) среднее содержание одиннадцатого элемента составляет уже 1,94 % по массе. В ультраосновных породах мантии самое низкое содержание натрия - всего 0,57 %. Бедны одиннадцатым элементом и осадочные породы (глины и сланцы) - 0,66 % по массе, небогато натрием и большинство почв - среднее содержание порядка 0,63 %.

Вследствие своей высокой химической активности в природе натрий встречается исключительно в виде солей. Общее число известных минералов натрия более двухсот. Однако важнейшими, являющимися основными источниками получения этого щелочного металла и его соединений, считаются далеко не все. Стоит упомянуть галит (каменная соль) NaCl, мирабилит (глауберова соль) Na2SO4 10H2O, чилийская селитра NaNO3, криолит Na3, тинкал (бура) Na2B4O7∙10Н2О, трона NaHCO3∙Na2CO3∙2Н2О, тенардит Na2SO4, а также природные силикаты, например альбит Na, нефелин Na, содержащие помимо натрия и другие элементы. В результате изоморфизма Na+ и Ca2+, который обусловлен близостью их ионных радиусов, в магматических породах образуются натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы).

Натрий - главный металлический элемент в морской воде, подсчитано, что в водах Мирового океана содержится 1,5 1016 тонн солей натрия (средняя концентрация растворимых солей в водах Мирового океана примерно 35 промилле, что составляет 3,5 % по массе, на долю натрия из них приходится 1,07 %). Столь высокая концентрация обусловлена так называемым круговоротом натрия в природе. Дело в том, что этот щелочной металл довольно слабо задерживается на континентах и активно переносится водами рек в моря и океаны. При испарении в прибрежно-морских лагунах, а также в континентальных озерах степей и пустынь осаждаются соли натрия, формирующие толщи соленосных пород. Подобного рода отложения солей натрия в сравнительно чистом виде существуют на всех континентах, как результат испарения древних морей. Эти процессы происходят и в наше время, примером могут служить озера Солт-Лейк, расположенное в штате Юта (США), Баскунчак (Россия, Ахтубинский район), соленые озера Алтайского края (Россия), а также Мертвое море и прочие подобные места.

Каменная соль образует обширные подземные месторождения (нередко в сотни метров толщиной), которые содержат более 90 % NaCl. Типичное Чеширское соляное месторождение (главный источник хлорида натрия в Великобритании) занимает площадь 60 на 24 км и имеет толщину соляного пласта около 400 м. Одно это месторождение оценивается более чем в 1011 т.

Кроме того, натрий - важный биоэлемент, он содержится в относительно больших количествах в живых организмах (в среднем 0,02 %, главным образом в виде NaCl), причем в животных его больше, чем в растениях. Наличие натрия установлено в атмосфере Солнца и межзвездном пространстве. В верхних слоях атмосферы (на высоте около 80 километров) обнаружен слой атомарного натрия. Дело в том, что на такой высоте практически полностью отсутствуют кислород, водяные пары и прочие вещества, с которыми мог бы взаимодействовать натрий.

Применение

Металлический натрий и его соединения довольно широко используются в различных отраслях промышленности. Благодаря своей высокой реакционной способности этот щелочной металл используется в металлургии в качестве восстановителя для получения методом металлотермии таких металлов, как ниобий, титан, гафний, цирконий. Еще в первой половине XIX века натрий применяли для выделения алюминия (из хлористого алюминия), в наши дни одиннадцатый элемент и его соли по-прежнему используется в качестве модификатора при производстве некоторых сортов литейных алюминиевых сплавов. Также натрий используется в сплаве на основе свинца (0,58 % Na), который применяется при изготовлении осевых подшипников железнодорожных вагонов, щелочной металл в этом сплаве является упрочняющим элементом. Натрий и его сплавы с калием - жидкие теплоносители в ядерных реакторах - ведь оба элемента имеют малые сечения поглощения тепловых нейтронов (для Na 0,49 барн). Кроме того, эти сплавы отличаются высокими температурами кипения и коэффициентами теплопередачи и не взаимодействуют с конструкционными материалами при высоких температурах, развиваемых в энергетических ядерных реакторах, таким образом, не влияя на ход цепной реакции.

Однако не только атомная энергетика использует натрий в качестве переносчика тепла - элемент №11 широко применяется как теплоноситель для процессов, требующих равномерного обогрева в интервале температур от 450 до 650 °C - в клапанах авиационных двигателей, в выпускных клапанах грузовиков, в машинах для литья под давлением. Сплав натрия, калия и цезия (Na 12 %, K 47 %, Cs 41 %) имеет рекордно низкую температуру плавления (всего 78 °C), по этой причине он был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей. В химической промышленности натрий применяют при производстве цианистых солей, синтетических моющих средств (детергенидов), фармацевтических препаратов. В производстве искусственного каучука натрий играет роль катализатора, соединяющего молекулы бутадиена в продукт, не уступающий по свойствам лучшим сортам естественного каучука. Соединение NaPb (10 % Na по массе) применяется в производстве тетраэтилсвинца - наиболее эффективного антидетонатора. Пары натрия используют для наполнения газоразрядных ламп высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Натриевая лампа наполнена неоном и содержит небольшое количество металлического натрия, при включении такой лампы разряд начинается в неоне. Тепло, выделяющееся при разряде, испаряет натрий, и, спустя некоторое время, красный свет неона сменяется желтым свечением натрия. Натриевые лампы являются мощными источниками света с высоким КПД (в лабораторных условиях до 70 %). Высокая экономичность натриевых ламп дала возможность использовать их для освещения автострад, вокзалов, пристаней и других масштабных объектов. Так, лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая), дающие ярко-желтый свет очень широко применяются в уличном освещении, срок службы таких ламп составляет 12-24 тысяч часов. Кроме того, существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути). Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. В органическом синтезе натрий используется в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации и других. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

Не менее широко используются и многочисленные соединения натрия: поваренная соль NaCl используется в пищевой промышленности; гидроксид натрия NaOH (каустическая сода) используется в мыловаренной промышленности, при производстве красок, в целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности, при производстве искусственного волокна, а также в качестве электролита. Сода - карбонат натрия Na2CO3 применяется в стекольной, целлюлозно-бумажной, пищевой, текстильной, нефтяной и других отраслях промышленности. В сельском хозяйстве в качестве удобрения широко используется натриевая соль азотной кислоты NaNO3, известная под названием чилийской селитры. Хлорат натрия NaClO3 применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне. Фосфат натрия Na3PO4 - компонент моющих средств, применяют в производстве стекол и красок, в пищевой промышленности, в фотографии. Азид натрия NaN3 применяется в качестве азотирующего средства в металлургии и при получении азида свинца. Цианид натрия NaCN применяется при гидрометаллургическом способе выщелачивания золота из горных пород, а также при нитроцементации стали и в гальванотехнике (серебрение, золочение). Силикаты mNa2O nSiO2 - компоненты шихты в производстве стекла, для получения алюмосиликатных катализаторов, жаростойких, кислотоупорных бетонов.

Производство

Как известно впервые металлический натрий был получен в 1807 году английским химиком Дэви путем электролиза едкого натра NaOH. С научной точки зрения выделение щелочных металлов - грандиозное открытие в области химии. Однако промышленность тех лет не могла оценить значимость данного события - во-первых, для производства натрия в промышленных масштабах в начале XIX века просто еще не существовало необходимых мощностей, во-вторых, никто не знал, где бы мог пригодиться мягкий металл, вспыхивающий при взаимодействии с водой. И если первую трудность в 1808 году решили Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар, получив натрий, не прибегая к энергоемкому электролизу, при помощи реакции едкого натра с железом, нагретым до красного каления, то вторую задачу - область применения - удалось решить лишь в 1824 году, когда с помощью натрия был выделен алюминий. Во второй половине XIX века Сент-Клер Девиль разработал новый метод получения металлического натрия – путем восстановления соды углем в присутствии известняка:

Na2CO3 + 2C → 2Na + 3CO

В 1886 году этот метод был усовершенствован. Однако уже в 1890 году в промышленность был внедрен электролитический способ получения натрия. Таким образом, идея Хэмфри Дэви в промышленных масштабах была реализована лишь спустя 80 лет! Все поиски и изыскания закончились возвращением к первоначальному способу. В 1924 году американский инженер Даунс удешевил процесс электролитического получения натрия, заменив щелочь гораздо более дешевой поваренной солью. Данная модернизация повлияла на производство металлического натрия, которое выросло с 6 тысяч тонн (1913 год) до 180 тысяч тонн (1966 год). Метод Даунса лег в основу современного способа получения металлического натрия.

Сейчас основной промышленный метод получения металлического натрия - электролиз расплава поваренной соли NaCl (побочным продуктом процесса является хлор) с добавками КСl, NaF или СаСl2, которые понижают температуру плавления соли до 575-585 °C. В противном случае электролиз чистого хлорида натрия привел бы к большим потерям металла от испарения, так как температуры плавления NaCl (801 °C) и кипения металлического натрия (882,9 °C) очень близки. Процесс происходит в стальном электролизере с диафрагмой. Современный электролизер для получения натрия - внушительное сооружение, напоминающее печь. Агрегат сложен из огнеупорного кирпича, который снаружи окружен стальным кожухом. Сквозь днище электролизера введен графитовый анод, окруженный кольцеобразной сеткой - диафрагмой, которая препятствует проникновению натрия в анодное пространство, где осаждается хлор. В противном случае натрий просто сгорел бы в хлоре.

Кольцеобразный катод изготовляется из железа или меди. Над катодом и анодом устанавливаются колпаки для отвода натрия и хлора. В электролизер загружают смесь тщательно высушенных хлористого натрия и хлористого кальция, мы уже знаем, что подобная смесь плавится при более низкой температуре, чем чистый хлористый натрий. Обычно процесс идет при температуре около 600 °C. На электроды подают постоянный ток напряжением около 6 B, при этом на катоде происходит разряд ионов Na+ и выделение металлического натрия, который всплывает и отводится в специальный сборник. Естественно процесс идет без доступа воздуха. На аноде разряжаются ионы хлора Сl– и выделяется газообразный хлор - ценный побочный продукт натриевого производства. За сутки работы электролизера производится 400-500 кг натрия и 600-700 кг хлора. Получаемый таким образом металл очищают от примесей (хлоридов, оксидов и прочих) добавлением в расплавленный натрий смеси NaOH + Na2CO3 + NaCl или Na2O2; обработкой расплава металлическим литием, титаном или сплавом титан-цирконий, низшими хлоридами TiCl3, TiCl2; вакуумной дистилляцией.

Физические свойства

Хэмфри Дэви не только первым получил металлический натрий, но и первым исследовал его свойства. Докладывая в Лондоне об открытии новых элементов (калия и натрия), химик впервые продемонстрировал ученой аудитории образцы новых металлов. Кусочек металлического натрия английский химик хранил под слоем керосина, с которым натрий не взаимодействовал и не окислялся в его среде, сохраняя свой блестящий серебристый цвет. Кроме того, натрий (плотность при 20 °C равна 0,968 г/см3) тяжелее керосина (плотность при 20 °C при различной степени очистки составляет 0,78-0,85 г/см3) и не всплывает на его поверхности, следовательно, не подвергается окислению кислородом и углекислым газом. Обычной демонстрацией сосуда с образцом нового металла Дэви не ограничился, достав натрий из керосина, химик бросил образец в бадью с водой. К всеобщему удивлению, металл не утонул, а начал активно двигаться по поверхности воды, плавясь на небольшие блестящие капельки, часть которых воспламенялась. Дело в том, что плотность воды (при 20 °C равна 0,998 г/см3) больше плотности этого щелочного металла, по этой причине натрий не тонет в воде, а плавает в ней, активно с ней взаимодействуя. Публика была поражена подобной «презентацией» нового элемента.

Что же мы сейчас можем рассказать о физических свойствах натрия? Одиннадцатый элемент периодической системы - мягкий (легко режется ножом, поддается прессованию и прокатке), легкий блестящий серебристо-белый металл, быстро тускнеющий на воздухе. Тонкие слои натрия имеют фиолетовый оттенок, под давлением металл становится прозрачным и красным, как рубин. При обычной температуре натрий кристаллизуется в кубической решетке со следующими параметрами: а = 4,28 A, атомный радиус 1,86 A, ионный радиус Na+ 0,92 A. Потенциалы ионизации атома натрия (эВ) 5,138; 47,20; 71,8; электроотрицательность металла 0,9. Работа выхода электронов 2,35 эВ. Данная модификация устойчива при температуре выше -222 °C. Ниже этой температуры устойчива гексагональная модификация со следующими параметрами: а = 0,3767 нм, с = 0,6154 нм, z = 2.

Натрий - легкоплавкий металл, его температура плавления всего 97,86 °C. Получается, что этот металл мог бы плавиться в кипящей воде, если бы активно не взаимодействовал с ней. Причем при плавлении плотность натрия снижается на 2,5 %, однако происходит увеличение объема на ΔV = 27,82∙10-6 м3/кг. При повышении давления возрастает температура плавления металла, достигая 242° C при 3 ГПа и 335 °C при 8 ГПа. Температура кипения расплавленного натрия 883,15° С. Теплота испарения натрия при нормальном давлении = 3869 кДж/кг. Удельная теплоемкость одиннадцатого элемента (при комнатной температуре) 1,23 103 дж/(кг К) или 0,295 кал/(г град); коэффициент теплопроводности натрия равен 1,32 102 вт/(м К) или 0,317 кал/(см сек град). Температурный коэффициент линейного расширения для этого щелочного металла (при температуре 20 °C) составляет 7,1 10-5. Удельное электрическое сопротивление натрия (при 0 °C) равно 4,3 10-8 ом м (4,3 10-6 ом см). При плавлении удельное электрическое сопротивление натрия возрастает в 1,451 раза. Натрий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость +9,2 10-6. Твердость натрия по Бринеллю HB = 0,7 МПа. Модуль нормальной упругости при растяжении при комнатной температуре E = 5,3 ГПа. Сжимаемость натрия х = 15,99∙10-11 Па-1. Натрий весьма пластичный металл, легко деформируется на холоду. Давление истечения натрия, по данным Н. С. Курнакова и С. Ф. Жемчужного, находится в пределах 2,74-3,72 МПа в зависимости от диаметра выходного отверстия.

Химические свойства

В химических соединениях, включая гидриды, натрий проявляет степень окисления + 1. Одиннадцатый элемент относится к числу наиболее реакционноспособных металлов, поэтому в чистом виде в природе не встречается. Даже при комнатной температуре он активно реагирует с кислородом воздуха, водяными парами и углекислым газом, образуя на поверхности рыхлую корку из смеси пероксида, гидроксида и карбоната. По этой причине металлический натрий хранится под слоем обезвоженной жидкости (керосин, минеральное масло). Благородные газы незначительно растворяются в твердом и жидком натрии, при 200 °С натрий начинает поглощать водород, образуя весьма гигроскопичный гидрид NaH. С азотом этот щелочной металл реагирует крайне слабо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество - нитрид натрия:

6Na + N2 → 2Na3N

Нитрид натрия устойчив в сухом воздухе, но моментально разлагается водой или спиртом с образованием аммиака.

При непосредственном взаимодействии натрия с кислородом в зависимости от условий образуется оксид Na2O (при горении натрия в недостаточном количестве кислорода) или пероксид Na2O2 (при сжигании натрия на воздухе или в избытке кислорода). Оксид натрия проявляет ярко выраженные основные свойства, бурно реагирует с водой с образованием гидроксида NaОН - сильного основания:

Na2O + H2O → 2NaOH

Гидроксид натрия - хорошо растворимая в воде щелочь (в 100 г воды при 20 °C растворяется 108 г NaOH) в виде твердых белых гигроскопичных кристаллов, разъедает кожу, ткани, бумагу и другие органические вещества. При растворении в воде выделяет большое количество тепла. На воздухе гидроксид натрия активно поглащает углекислый газ и превращается в карбонат натрия:

2NаОН + СO2 → Na2СО3 + Н2О

По этой причине гидроксид натрия необходимо хранить в герметичных сосудах. В промышленности NaOH получается путем электролиза водных растворов NaCl или Na2CO3 c применением ионообменных мембран и диафрагм:

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2

Пероксид натрия представляет собой бледно-желтый порошок, который плавится без разложения, Na2O2 является очень сильным окислителем. Большинство органических веществ при соприкосновении с ним воспламеняются. При взаимодействии Na2O2 с углекислым газом выделяется кислород:

2Na2О2 + 2СО2 → 2Na2CО3 + О2

Металлический натрий, как и его окислы, активно взаимодействует с водой с образованием гидроксида NaOH и выделением водорода, при большой поверхности контакта, реакция протекает с взрывом. Со спиртами натрий взаимодействует намного спокойнее, чем с водой, в результате получается алкоголят натрия. Так, реагируя с этанолом, натрий дает этанолят натрия С2Н5ОNa:

2Na + 2C2H5OH → 2C2H5ONa + H2

Натрий растворяется почти во всех кислотах с образованием большого количества солей:

2Nа + 2НСl → 2NаСl + Н2

2Na + 2Н2SO4 → SO2 + Na2SO4 + 2H2O

В атмосфере фтора и хлора натрий самовоспламеняется, с бромом реагирует при нагревании, с йодом прямого взаимодействия не возникает. С серой реагирует бурно, при растирании в ступке, образуя сульфиды переменного состава. Сульфид натрия Na2S получают путем восстановления сульфата натрия углеродом. Очень распространенное соединение натрия с серой и кислородом - так называемая глауберова соль Na2SO4∙10Н2О. Кроме серы активно реагирует с селеном и теллуром с образованием халькогенидов составов Na2X, NaX, NaX2, Na2X5.

Натрий растворяется в жидком аммиаке (34,6 г на 100 г NH3 при 0 °C) с образованием аммиачных комплексов (раствор синего цвета, обладающий металлической проводимостью). При испарении аммиака остается исходный металл, при длительном хранении раствора он постепенно обесцвечивается за счет реакции металла с аммиаком с образованием амида NaNH2 или имида Na2NH и выделением водорода. При пропускании газообразного аммиака через расплавленный натрий при 300-350 °C образуется натрийамин NaNH2 - бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагаемое водой.

При 800-900 °С газообразный натрий с углеродом образует карбид (ацетиленид) Na2C2. С графитом натрий образует соединения включения.

Натрий образует ряд интерметаллидов - с серебром, золотом, оловом, свинцом, висмутом, цезием, калием и другими металлами. Не образует соединений с барием, стронцием, магнием, литием, цинком и алюминием. С ртутью натрий образует амальгамы - интерметаллиды состава NaHg2, NaHg4, NaHg8, NaHg, Na3Hg2, Na5Hg2, Na3Hg. Значимы жидкие амальгамы (содержат менее 2,5 % по массе натрия), получаемые постепенным введением натрия в ртуть, находящуюся под слоем керосина или минерального масла.

Известно огромное количество натрийорганических соединений, схожих по химическим свойствам с литийорганическими соединениями, но превосходящих их по реакционной способности.

План лекции:

1. Распространение натрия в природе.

2. Историческая справка.

3. Физические свойства натрия

4. 4.Химические свойства натрия

5. Получение натрия.

6. 6.Получение натрия.

Натрий (Natrium), Na, химический элемент I группы периодической системы Менделеева: атомный номер 11, атомная масса 22,9898; серебристо-белый мягкий металл, на воздухе быстро окисляющийся с поверхности. Природный элемент состоит из одного стабильного изотопа 23 Na.

Историческая справка . Природные соединения Натрия – поваренная соль NaCl, сода Na 2 CO 3 – известны с глубокой древности. Название "Натрий", происходящее от арабского натрун, греч. nitron, первоначально относилось к природной соде. Уже в 18 веке химики знали много других соединений Натрия. Однако сам металл был получен лишь в 1807 году Г. Дэви электролизом едкого натра NaOH. В Великобритании, США, Франции элемент называется Sodium (от испанского слова soda – сода), в Италии – sodio.

Распространение н атрия в природе .

Натрий – типичный элемент верхней части земной коры. Среднее содержание его в литосфере 2,5% по массе, в кислых изверженных породах (граниты и другие) 2,77, в основных (базальты и другие) 1,94, в ультраосновных (породы мантии) 0,57. Благодаря изоморфизму Na + и Ca 2+ , обусловленному близостью их ионных радиусов, в магматических породах образуются натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы). В биосфере происходит резкая дифференциация Натрия: осадочные породы в среднем обеднены Натрием (в глинах и сланцах 0,66%), мало его в большинстве почв (среднее 0,63%). Общее число минералов Натрия 222. Na слабо задерживается на континентах и приносится реками в моря и океаны, где его среднее содержание 1,035% (Na – главный металлический элемент морской воды). При испарении в прибрежно-морских лагунах, а также в континентальных озерах степей и пустынь осаждаются соли Натрия, формирующие толщи соленосных пород. Главные минералы, являющиеся источником Натрия и его соединений, – галит (каменная соль) NaCl, чилийская селитра NaNO 3 , тенардит Na 2 SO 4 , мирабилит Na 2 SO 4 ·10H 2 O, трона NaH(CO 3) 2 ·2H 2 O. Na – важный биоэлемент, в живом веществе в среднем содержится 0,02% Na; в животных его больше, чем в растениях.

Физические свойства н атрия

При обычной температуре Натрий кристаллизуется в кубической решетке, а = 4,28Å. Атомный радиус 1,86Å, ионный радиус Na + 0,92Å. Плотность 0,968 г/см 3 (19,7 °C), t пл 97,83 °C, t кип 882,9 °C; удельная теплоемкость (20 °C) 1,23·10 3 дж/(кг·К) или 0,295 кал/(г·град); коэффициент теплопроводности 1,32·10 2 вт/(м·К) или 0,317 кал/(см·сек·град); температурный коэффициент линейного расширения (20 °C) 7,1·10 -5 ; удельное электрическое сопротивление (0 °C) 4,3·10 -8 ом·м (4,3·10 -6 ом·см). Натрий парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость +9,2·10 -6 ; весьма пластичен и мягок (легко режется ножом).

Химические свойства н атрия

Нормальный электродный потенциал Натрия -2,74 в; электродный потенциал в расплаве -2,4 в. Пары Натрия окрашивают пламя в характерный ярко-желтый цвет. Конфигурация внешних электронов атома 3s 1 ; во всех известных соединениях Натрий одновалентен. Его химическая активность очень высока. При непосредственном взаимодействии с кислородом в зависимости от условий образуется оксид Na 2 O или пероксид Na 2 O 2 – бесцветные кристаллические вещества. С водой Натрий образует гидрооксид NaOH и H 2 ; реакция может сопровождаться взрывом. Минеральные кислоты образуют с Натрием соответствующие растворимые в воде соли, однако по отношению к 98-100%-ной серной кислоте Натрий сравнительно инертен.

Реакция Натрия с водородом начинается при 200 °C и приводит к получению гидрида NaH – бесцветного гигроскопического кристаллического вещества. С фтором и хлором Натрий взаимодействует непосредственно уже при обычной температуре, с бромом – только при нагревании; с иодом прямого взаимодействия не наблюдается. С серой реагирует бурно, образуя сульфид натрия, взаимодействие паров Натрия с азотом в поле тихого электрического разряда приводит к образованию нитрида Na 3 N, а с углеродом при 800-900 °C – к получению карбида Na 2 C 2 .

Натрий растворяется в жидком аммиаке (34,6 г на 100 г NH 3 при 0°C) с образованием аммиачных комплексов. При пропускании газообразного аммиака через расплавленный Натрий при 300-350 °C образуется натрийамин NaNH 2 – бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагаемое водой. Известно большое число натрийорганических соединений, которые по химические свойствам весьма сходны с литийорганическими соединениями, но превосходят их по реакционной способности. Применяют натрийорганические соединения в органическом синтезе как алкилирующие агенты.

Натрий входит в состав многих практически важных сплавов. Сплавы Na – К, содержащие 40-90% K (по массе) при температуре около 25°C, – серебристо-белые жидкости, отличающиеся высокой химической активностью, воспламеняющиеся на воздухе. Электропроводность и теплопроводность жидких сплавов Na – K ниже соответствующих величин для Na и K. Амальгамы Натрия легко получаются при введении металлического Натрия в ртуть; при содержании свыше 2,5% Na (по массе) при обычной температуре являются уже твердыми веществами.

Получение н атрия .

Основной промышленный метод получения Натрия – электролиз расплава поваренной соли NaCl, содержащей добавки KCl, NaF, CaCl 2 и другие, которые снижают температуру плавления соли до 575-585 °C. Электролиз чистого NaCl привел бы к большим потерям Натрия от испарения, так как температуры плавления NaCl (801 °C) и кипения Na (882,9 °C) очень близки. Электролиз проводят в электролизерах с диафрагмой, катоды изготовляют из железа или меди, аноды – из графита. Одновременно с Натрием получают хлор. Старый способ получения Натрия – электролиз расплавленного едкого натра NaOH, который значительно дороже NaCl, однако электролитически разлагается при более низкой температуре (320-330 °C).

Применение н атрия .

Натрий и его сплавы широко применяются как теплоносители для процессов, требующих равномерного обогрева в интервале 450-650 °C – в клапанах авиационных двигателей и особенно в ядерных энергетических установках. В последнем случае жидкометаллическими теплоносителями служат сплавы Na – K (оба элемента имеют малые сечения поглощения тепловых нейтронов, для Na 0,49 барн), эти сплавы отличаются высокими температурами кипения и коэффициентами теплопередачи и не взаимодействуют с конструкционными материалами при высоких температурах, развиваемых в энергетических ядерных реакторах. Соединение NaPb (10% Na по массе) применяется в производстве тетраэтилсвинца – наиболее эффективного антидетонатора. В сплаве на основе свинца (0,73% Ca, 0,58% Na и 0,04% Li), применяемом для изготовления осевых подшипников железнодорожных вагонов, Натрий является упрочняющей добавкой. В металлургии Натрий служит активным восстановителем при получении некоторых редких металлов (Ti, Zr, Та) методами металлотермии; в органических синтезе – в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации и других.

Вследствие большой химической активности Натрия обращение с ним требует осторожности. Особенно опасно попадание на Натрий воды, которое может привести к пожару и взрыву. Глаза должны быть защищены очками, руки – толстыми резиновыми перчатками; соприкосновение Натрия с влажной кожей или одеждой может вызвать тяжелые ожоги.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Натрий - одиннадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Na от латинского «natrium». Расположен в третьем периоде, IА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 11.

Натрий - один из наиболее распространенных элементов на Земле. Он обнаружен в атмосфере Солнца и в межзвездном пространстве. Важнейшие минералы натрия: NaCl (галит), Na 2 SO 4 ×10H 2) (мирабелит), Na 3 AlF 6 (криолит), Na 2 B 4 O 7 ×10H 2) (бура) и др. Огромно содержание солей натрия в гидросфере (около 1,5×10 16 т).

Соединения натрия входят в растительные и животные организмы в последнем случае главным образов в виде NaCl. В крови человека ионы Na + составляют 0,32%, в костях - 0,6%, в мышечной ткани - 0,6-1,5%.

В виде простого вещества натрий представляет собой серебристо-белый металл (рис.1). Он настолько мягок, что легко режется ножом. Вследствие легкой окисляемости на воздухе натрий хранят под слоем керосина.

Рис. 1. Натрий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса натрия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии натрия существует в виде одноатомных молекул Na, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 22,9898.

Изотопы натрия

Известно двадцать изотопов натрия с массовыми числами от 18-ти до 37-ми, из которых наиболее стабильным является 23 Na с периодом полураспада меньше минуты.

Ионы натрия

На внешнем энергетическом уровне атома натрия имеется один электрон, который является валентным:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 .

В результате химического взаимодействия натрий отдает свой единственный валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Na 0 -1e → Na + .

Молекула и атом натрия

В свободном состоянии натрий существует в виде одноатомных молекул Na. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу натрия:

Сплавы натрия

Важнейшие области применения натрия - это атомная энергетика, металлургия, промышленность органического синтеза. В атомной энергетике натрий и его сплав с калием применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей. Сплав натрия с калием, содержащий 77,2% (масс.) кадия, находится в жидком состоянии в широком интервале температур, имеет высокий коэффициент теплоотдачи и не взаимодействует с большинством конструкционных материалов ни при обычных, ни при повышенных температурах.

Натрий используется как добавка, упрочняющая свинцовые сплавы.

Со ртутью натрий образует твердый сплав - амальгаму натрия, которая иногда используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Na 2 O → NaCl → NaOH → Na.

Ответ

Чтобы получить из оксида натрия хлорид этого же металла необходимо растворить его в кислоте:

Na 2 O+ 2HCl→ 2NaCl + H 2 O.

Для получения гидроксида натрия из хлорида этого же металла необходимо растворить его в воде, однако, следует помнить, что гидролиз в этом случае не протекает:

NaCl+ H 2 O→ NaOH + HCl.

Получение натрия из соответствующего гидроксида возможно, если щелочь подвергнуть электролизу:

NaOH ↔ Na + + Cl — ;

K(-): Na + + e → Na 0:

A(+): 4OH — — 4e → 2H 2 O + O 2 .

Общие сведения и методы получения

Натрий (Na) -серебристо-белый щелочной металл, быстро тускнеющий на воздухе при обычных условиях. Содержание в земной коре 2,5 % (по массе). В водах мирового океана средняя его концентрация 1,035 %. В живых организмах содержится до 0,02 % (по массе) натрия, содержание его в растениях несколько ниже.

Известно более 220 минералов, в состав которых входит натрий. Наиболее распространены, хлорид натрия, или поваренная соль, NaCl , галит NaCl , или каменная соль, чилийская селитра NaN 0 3 , тенардит Na 2 S 04, мираболит (глауберова соль) Na 2 SCv 10Н 2 О, трона Na , H (C 0 3) 2 -2 H 2 0 и др.

Натрий присутствует также в ряде более сложных минералов, содержащих алюминий, кремний, серу и другие элементы. Например, в иафелине Na [ A ] Si 0 4 ], лазурите (ультрамарин) Na 3 [ Al 3 Si 3 0| 2 ] Na 2 [ S 0 4 ], жадеите NaCl [ Si 2 0 6 ] и др.

Ряд соединений натрия, в первую очередь поваренная соль и сода Na 2 C 0 3 10Н 2 О, известны человеку с глубокой древности.

В древнем Египте было известно моющее вещество (сода), ко:орое называли neter . У Аристотеля оно носит название vixpovj , а у Плутарха (Древний Рим) - nitrum . В рукописях арабских алхимиков соде отвечает термин natron , от которого постепенно в XVII-XVIII вв. образуется термин «натра», т. е. основание, из которого можно получить поваренную соль. От «натра» произошло современное название элемента. Надо отметить, что в ряде стран Западной Европы (Великобритания, Франция, Италия), а также США натрий носит название sodium .

Металлический натрий впервые был получен в 1807 г. английским химиком Деви в результате электролиза (щелочной способ). Из-за большой энергоемкости щелочной способ получил промышленное распространение лишь в конце XIX в. До этого металлический натрий получали химическим восстановлением его соединений углеродом или расплавленным чугуном при высокой температуре. С первой четверти текущего века щелочной способ постепенно вытесняется солевым, т. е. электролизом непосредственно расплава хлористого натрия, минуя стадию получения щелочи. Электролиз расплавленной соли ведут при 850-860 К. Для снижения температуры плавления NaCl используют добавки ряда солей, в частности NaF , KCI , СаС1г и др. При электролизе хлористого натрия получают также еще один ценный продукт - газообразный хлор. Поэтому в настоящее время солевой способ получения натрия практически вытеснил щелочной, не говоря уже о химических способах.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 11, атомная масса 22,98977 а. е. м., атомный объем 23,08* 10 -6 м 3 /моль. Атомный радиус (металлический) 0 ,192 нм, ионный радиус Na + 0,098 нм, ковалентный 0 ,157 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 2 p 6 3 s 1 . Натрий обладает единственным стабильным изотопом 23 Na ; известно пять радиоактивных изотопов с массовыми числами от 20 до 25; период полураспада изотопов изменяется от тысячных долей секунды (20 Na) до 2,6 года у 22 Na . При комнатной температуре натрий имеет о. ц. к. решетку с периодом а =0,42905 нм; энергия кристаллической решетки 108,8 мкДж/кмоль. При низких температурах существует модификация натрия с г. п. у. структурой, периоды которой при 5К: а=0,3767 нм, с =0 ,6154 нм. Потенциалы ионизации атома натрия J (эВ) 5,138, 47,20, 71,8, электроотрицательность 0,9. Работа выхода электронов ф 0 = =2,35 эВ. Работа выхода электронов для различных граней монокристалла ф -2,75эВ для {100}, ф =3,10эВ для {110}, ф =2,65эВ для {111}.

Плотность. При комнатной температуре плотность натрия рентгеновская р=0,966 Мг/м 3 , пикнометрическая р=0,971 Мг/м 3 .

При плавлении удельное электрическое сопротивление натрия возрастает в 1,451 раза. Температурный коэффициент электрического сопротивления натрия при 273 К а=4,34-10- 3 К -1 .

В термопаре натрий - платина прн температуре горячего спая 173,16 К развивается т. э. д. с. £=0,29 мВ, а при температуре 373,16 К £=-0,25 мВ. Абсолютный коэффициент т. э. д. с. е=- 4,4 мкВ/К. Постоянная Холла при комнатной температуре /? = 2,3- Ю -10 м 3 /Кл и /?=- 2,2-Ю- 10 м 3 /Кл при 371-383 К.

Магнитная восприимчивость натрия х= +0,70- Ю -9 при 293 К.

Тепловые и термодинамические. Температура плавления натрия / П л = =98 °С, температура кипения?кип =878°С, характеристическая температура 6в = 160К, удельная теплота плавления ДЯ ПЛ = П7 кДж/кг. Удельная теплота сублимации при 298 К ДЯ су бл = 4717 кДж/кг, удельная теплота испарения ДЯ И сп = 3869 кДж/кг. Теплота испарения натрия при нормальном давлении ДЯи<-п = 3869 кДж/кг. При плавлении происходит увеличение объема на ДУ- 27,82-Ю -6 м 3 /кг или AV / V 0 = 0,0265. При повышении давления возрастает температура плавления металла, достигая 515 К при 3 ГПа и 608 при 8 ГПа. Начальное значение углового коэффициента dT / dP = 85 К/ГПа, при 7 ГПа 33 К/ГПа. Фазовых превращений в натрии до давления 8,5 ГПа не обнаружено.

Механические свойства

Твердость натрия по Бринеллю НВ = 0,7 МПа. Модуль нормальной упругости при растяжении при комнатной температуре £=5,3 ГПа. Сжимаемость натрия х= 15,99*10 -11 Па -1 .

Химические свойства

В химических соединениях, включая гидриды, проявляет степень окисления + 1.

Натрий относится к числу наиболее реакционноспособных металлов, поэтому в чистом виде в природе не встречается. Натрий - один из наиболее электроположительных металлов; интенсивно взаимодействует с кислородом воздуха, поэтому его обычно хранят под слоем керосина. В ряду напряжений натрий стоит далеко впереди водорода и вытесняет его из воды, образуя при этом гидрокснд NaOH .

При пропускании сухого водорода над слегка нагретым натрием образуется гидрид натрия NaH , представляющий собой нонное соединение, в которое натрнн входит в виде катиона, а водород - в виде аниона.

Оксид натрия образуется при горении натрия в недостаточном количестве кислорода, бурно реагирует с водой с образованием гидроксида, имеет кристаллическую решетку типа плавикового шпата.

Пероксид натрия образуется при сжигании натрия на воздухе или в кислороде, представляет собой бледно-желтый порошок, который плавится без разложения; очень сильный окислитель. Многие органические вещества при соприкосновении с ним воспламеняются. При взаимодействии Na 2 0 2 с углекислым газом выделяется кислород. Эту реакцию используют в дыхательных аппаратах, применяемых пожарными и водолазами, а также для регенерации воздуха в закрытых помещениях, например на подводных лодках.

Гидроксид натрня NaOH образуется в виде белых очень гигроскопических кристаллов, плавящихся при 318,3 °С; плотность 2,13 Мг/м 3 .

Известно соединение натрия с углеродом Na 2 C 2 , которое можно рассматривать как соль ацетилена. Поэтому оно получило название аце-тнлида натрия. Нитрид натрия устойчив в сухом воздухе, но моментально разлагается водой илн спиртом с образованием аммиака.

Сульфид натрия Na 2 S получают путем восстановления сульфата натрия углеродом. В чистом виде Na 2 S бесцветен, обладает кристаллической решеткой типа CaF 2 . Очень распространенное соединение натрия с серой и кислородом - так называемая глауберова соль Na 2 S 0 4 - 10Н 2 О. Натрий наряду с обычными химическими соединениями, подчиняющимися правилу валентности, образует также металлические соединения. В сплавах системы Na - К образуется фаза Лавеса состава KNa 2 , имеющая сложную о. ц. к. кристаллическую решетку типа MgCu 2 (С15). Аналогичное металлическое соединение наблюдается при взаимодействии натрия с цезием. Ряд металлических соединений образуется при взаимодействии натрия с металлами I и VII В групп - серебром, золотом, цинком, кадмием, ртутью, галлием, оловом, свинцом и другими элементами. Имеются, конечно, и исключения. Так, алюминий, элемент ШВ подгруппы, не взаимодействует с натрием ни в жидком, нн в твердом состояниях. Элементы III - VIIIA подгрупп Периодической системы практически с натрием не взаимодействуют из-за большого различия как размерного фактора, так и температур плавления.

Области применения

Натрий достаточно широко применяется в различных областях техники. Высокая реакционная способность этого элемента предопределила его использование в металлургии в качестве восстановителя для получения натрийтермическим способом таких металлов, как титан, цирконий, гафний, ниобий и др. При производстве некоторых сортов литейных алюминиевых сплавов натрий и его соли используют в качестве модификаторов. В химической промышленности натрий применяют при производстве цианистых солен, синтетического каучука и синтетических моющих средств (детергенидов), фармацевтических препаратов, а также тетраэтила свинца - антидетонатора прн получении высокооктанового топлива для двигателей. В последние годы расширяется использование чистого натрия и его сплавов с калием в атомной энергетике в качестве теплоносителей.

Широко применяются в народном хозяйстве его химические соединения. Это прежде всего гндроксид натрия NaOH (каустическая сода), который используют в мыловаренной промышленности, при производстве красок, в целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности, при производстве искусственного волокна и др. Сода - карбонат натрия Na 2 C 0 3 - применяется в стекольной, целлюлозно-бумажной, пищевой, текстильной, нефтяной и других отраслях промышленности. В сельском хозяйстве в качестве удобрения широко используется натриевая соль азотной кислоты NaN 0 3 , известная под названием чилийской селитры.

Натрий — один из щелочных металлов. Таблица химических элементов показывает его как атом, относящийся к третьему периоду и к первой группе.

Физические свойства

В этом разделе будет рассмотрена характеристика натрия с точки зрения физики. Начнем с того, что в чистом виде это твердое вещество серебристого цвета, обладающее металлическим блеском и низкой твердостью. Натрий настолько мягкий, что его с легкостью можно порезать ножом. Температура плавления данного вещества довольно низкая и составляет семьдесят девять градусов Цельсия. Атомная масса натрия тоже небольшая, о ней мы поговорим позже. Плотность этого металла равняется 0,97 г/см 3 .

Химическая характеристика натрия

Данный элемент имеет очень высокую активность — он способен быстро и бурно реагировать со многими другими веществами. Также таблица химических элементов позволяет определить такую величину, как молярная масса — для натрия она составляет двадцать три. Один моль — это такое количество вещества, в котором содержится 6,02 х 10 в 23 степени атомов (молекул, если вещество сложное). Зная молярную массу элемента, можно определить, сколько будет весить конкретное количество моль данного вещетсва. К примеру, два моль натрия весит сорок шесть грамм. Как уже было сказано выше, данный металл — один из самых химически активных, он относится к щелочным, соответственно, его оксид может сформировать щелочь (сильные основания).

Как образуются оксиды

Все вещества данной группы, в том числе и в случае с натрием, можно получить посредством сжигания исходного. Таким образом, происходит реакция металла с кислородом, что и приводит к формированию оксида. Например, если сжечь четыре моль натрия, потратим один моль кислорода и получим два моль оксида этого металла. Формула натрия оксида — Na 2 O. Уравнение реакции выглядит так: 4Na + О 2 = 2Na 2 O. Если же добавить к полученному веществу воду, образуется щелочь — NaOH.

Взяв по одному моль оксида и воды, получим два моль основания. Вот уравнение данной реакции: Na 2 O + Н 2 О = 2NaOH. Полученное вещество еще называется едкий натрий. Это связано с его ярко выраженными щелочными свойствами и высокой химической активнотью. Как и сильные кислоты, едкий натрий активно реагирует с солями малоактивных металлов, органическими соединениями и т. д. Во время взаимодействия с солями происходит реакция обмена — образуется новая соль и новое основание. Раствор натрия едкого может легко разрушать ткань, бумагу, кожу, ногти, поэтому он требует соблюдения правил техники безопасности во время работы с ним. Применяется в химической промышленности как катализатор, а также в быту как средство для устранения проблемы засоренных труб.

Реакции с галогенами

Это простые вещества, состоящие из химических элементов, которые относятся к седьмой группе периодической системы. В их список входят фтор, йод, хлор, бром. Натрий способен реагировать со всеми из них, образуя такие соединения, как хлористый/бромистый/йодистый/фтористый натрий. Для проведения реакции нужно взять два моль рассматриваемого металла, добавить к нему один моль фтора. В результате получим фтористый натрий в количестве два моль. Данный процесс можно записать в виде уравнения: Na + F 2 = 2NaF. Фтористий натрий, который мы получили, используют в производстве зубных паст против кариеса, а также моющих средств для разнообразных поверхностей. Подобным образом при добавлении хлора можно получить (кухонную соль), йодистый натрий, который используется в изготовлении металлогалогенных ламп, бромистый натрий, применяемый в качестве лекарственного средства при неврозах, бессоннице, истерии и других расстройствах нервной системы.

С другими простыми веществами

Также возможны реакции натрия с фосфором, сульфуром (серой), карбоном (углеродом). Такого рода химические взаимодействия можно провести только в случае создания специальных условий в виде высокой температуры. Таким образом, происходит реакция присоединения. С ее помощью можно получить такие вещества, как натрия фосфид, натрия сульфид, натрия карбид.

В качестве примера можно привести присоединение атомов данного металла к атомам фосфора. Если взять три моль рассматриваемого металла и один моль второго компонента, затем нагреть их, то получим один моль фосфида натрия. Данную реакцию можно записать в виде следующего уравнения: 3Na + Р = Na 3 P. Кроме того, натрий способен реагировать с азотом, а также водородом. В первом случае образуется нитрид данного металла, во втором — гидрид. В качестве примеров можно привести такие уравнения химических реакций: 6Na + N2 = 2Na 3 N; 2Na + Н2 = 2NaH. Для проведения первого взаимодействия необходим электрический разряд, второго — высокая температура.

Реакции с кислотами

На простых характеристика натрия не заканчивается. Данный металл также вступает в реакцию со всеми кислотами. В результате подобных химических взаимодействий образуется и водород. К примеру, при реакции рассматриваемого металла с соляной кислотой образуется кухонная соль и водород, который испаряется. Выразить данную реакцию можно с помощью уравнения реакции: Na + HCl = NaCl + Н 2 . Подобного рода химическое взаимодействие называется реакцией замещения. С помощью ее проведения можно также получить такие соли, как фосфат, нитрат, нитрит, сульфат, сульфит, карбонат натрия.

Взаимодействие с солями

Натрий реагирует с солями всех металлов, кроме калия и кальция (они обладают большей химической активностью, нежели рассматриваемый элемент). В подобном случае, как и в предыдущем, происходит реакция замещения. Атомы рассматриваемого металла становятся на место атомов более химически слабого металла. Таким образом, смешав два моль натрия и один моль нитрата магния, получим в количестве два моль, а также чистый магний — один моль. Записать уравнение данной реакции можно так: 2Na + Mg(NO 3) 2 = 2NaNO 3 + Mg. По такому же принципу можно получить и множество других солей натрия. Также этим способом можно получать металлы из их солей.

Что будет, если добавить к натрию воду

Это, пожалуй, одно из самых распространенных веществ на планете. И с ним рассматриваемый металл также способен вступать в химическое взаимодействие. При этом образуется уже рассмотренный выше едкий натрий, или гидроксид натрия.

Для проведения такой реакции понадобится взять два моль натрия, добавить к нему воду, тоже в количестве два моль, и в результате получим два моль гидроксида и один моль водорода, который выделится в виде газа с резким запахом.

Натрий и его воздействие на организмы

Рассмотрев данный металл с химической точки зрения, перейдем к тому, какая же биологическая характеристика натрия. Он является одним из важных микроэлементов. Прежде всего, он является одной из составляющих животной клетки. Здесь он выполняет важные функции: вместе с калием поддерживает участвует в образовании и распространении между клетками нервного импульса, является необходимым химическим элементом для осмотических процессов (что нужно, например, для функционирования клеток почек). Кроме того, натрий отвечает за водно-солевой баланс клетки. Также без данного химического элемента невозможен транспорт по крови глюкозы, так необходимой для функционирования мозга. Еще этот металл принимает участие в процессе сокращения мыщц.

Данный микроэлемент нужен не только животным — натрий в организме растений также выполняет важные функции: он участвует в процессе фотосинтеза, помогая транспортировать углеводы, а также необходим для прохождения органических и неорганических веществ сквозь мембраны.

Избыток и недостаток натрия

К повышенному содержанию данного химического элемента в организме может привести чрезмерное употребление соли на протяжении длительного времени. Симптомами избытка натрия может являться повышение температуры тела, отечность, повышенная нервная возбудимость, нарушение функционирования почек. В случае появления подобных симптомов нужно убрать из рациона кухонную соль и продукты, в которых много данного металла (список будет приведен ниже), после чего немедленно обратиться к врачу. Пониженное содержание в организме натрия также приводит к неприятным симптомам и нарушениям работы органов. Вымываться данный химический элемент может при длительном приеме мочегонных препаратов или при употреблении в питье только очищенной (дистиллированной) воды, при повышенном потоотделении и обезвоживании организма. Симптомами недостатка натрия являются жажда, сухость кожи и слизистых оболочек, рвота и тошнота, плохой аппетит, нарушение сознания и апатия, тахикардия, прекращение полноценной работы почек.

Продукты, в которых много натрия

Для того чтобы избежать слишком высокого или чересчур низкого содержания в организме рассматриваемого химического элемента, необходимо знать, в какой еде его больше всего. Прежде всего, это уже упомянутая выше кухонная соль. Она на сорок процентов состоит из натрия. Также это может быть морская соль. Кроме того, данный металл содержится в сое и соевом соусе. Большое количество натрия наблюдается в морепродуктах. Это морская капуста, большинство видов рыб, креветки, осьминоги, крабовое мясо, икра, раки и др. Содержание натрия в них связано с тем, что данные организмы обитают в соленой среде с высокой концентрацией солей различных металлов, важных для нормального функционирования организма.

Использование данного металла и некоторых его соединений

Применение натрия в промышленности очень разностороннее. Прежде всего, данное вещество используют в химической отрасли. Здесь оно необходимо для получения таких веществ, как гидроксид рассматриваемого металла, его фторид, сульфаты и нитраты. Кроме того, оно используется в качестве сильного восстановителя — для выделения чистых металлов из их солей. Существует специальный технический натрий, предназначенный для использования в подобных целях. Его свойства зафиксированы в ГОСТе 3273-75. В связи с упомянутыми выше сильными восстановительными свойствами натрий широко используется в металлургии.

Также данный химический элемент находит свое применение в фамацевтической отрасли, где он чаще всего необходим для получения его бромида, который является одним из главных компонентов многих седативных средств и антидепрессантов. Кроме того, натрий может быть использован в изготовлении газоразрядных ламп — такие будут источниками яркого желтого света. Такое химическое соединение, как натрия хлорат (NaClO 3), уничтожает молодые растения, поэтому его используют для удаления таковых с железнодорожных путей для предупреждения зарастания последних. Цианид натрия получил широкое применение в отрасли добывания золота. С его помощью получают данный металл из горных пород.

Как получают натрий

Самым распространенным способом является реакция карбоната рассматриваемого металла с углеродом. Для этого необходимо нагреть два указанных вещества до температуры около тысячи градусов по шкале Цельсия. В результате этого образуются два таких химических соединения, как натрий и чадный газ. При взаимодействии одного моль карбоната натрия с двумя моль карбона получится два моль нужного металла и три моль оксида углерода. Уравнение приведенной реакции можно записать следующим образом: NaCO 3 + 2С = 2Na + 3СО. Подобным образом данный химический элемент можно получить и из других его соединений.

Качественные реакции

Наличие натрий+, как и любых других катионов либо анионов, можно определить путем проведения специальных химических манипуляций. Качественной реакцией на ион натрия является сжигание — в случае присутствия его пламя будет окрашено в желтый цвет.

Где можно встретить рассматриваемый химический элемент в природе

Во-первых, как уже было сказано, он является одной из составляющих как животной, так и растительной клетки. Также высокая его концентрация наблюдается в морской воде. Кроме того, натрий входит в состав некоторых минералов. Это, к примеру, сильвинит, его формула — NaCl . KCl, а также карналлит, формула которого KCl.MgCl 2 .6H 2 O. Первый из них обладает неоднородной структурой с чередованием разноцветных частей, в его окраске могут встречаться оранжевый, розовый, синий, красный. Данный минерал полностью растворим в воде. Карналлит, в зависимости от места образования и примесей, также может иметь различную расцветку. Он может быть красным, желтым, белым, светло-синим, а также прозрачным. Он обладает неярким блеском, лучи света в нем сильно преломляются. Эти два минерала служат сырьем для получения металлов, которые входят в их состав: натрия, калия, магния.

Ученые считают, что металл, который мы рассмотрели в данной статье, является одним из самых распространенных в природе, так как его в земной коре составляет два с половиной процента.