Молярная масса натрия 2. Где можно встретить рассматриваемый химический элемент в природе

Содержание статьи

НАТРИЙ – (Natrium) Na, химический элемент 1-й (Ia) группы Периодической системы, относится к щелочным элементам. Атомный номер 11, относительная атомная масса 22,98977. В природе имеется один стабильный изотоп 23 Na. Известны шесть радиоактивных изотопов этого элемента, причем два из них представляют интерес для науки и медицины. Натрий-22 с периодом полураспада 2,58 года используют в качестве источника позитронов. Натрий-24 (его период полураспада около 15 часов) применяют в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии.

Степень окисления +1.

Соединения натрия известны с древних времен. Хлорид натрия – необходимейший компонент человеческой пищи. Cчитается, что человек начал употреблять его в неолите, т.е. около 5–7 тыс. лет назад.

В Ветхом завете упоминается некое вещество «нетер». Это вещество использовалось как моющее средство. Скорее всего, нетер – это сода, карбонат натрия, который образовывался в соленых египетских озерах с известковыми берегами. Об этом же веществе, но под названием «нитрон» писали позже греческие авторы Аристотель и Диоскорид, а древнеримский историк Плиний Старший, упоминая это же вещество, называл его уже «нитрум».

В 18 в. химикам было известно уже очень много различных соединений натрия. Соли натрия широко применялись в медицине, при выделке кож, при крашении тканей.

Металлический натрий получил впервые английский химик и физик Гемфри Дэви электролизом расплавленного гидроксида натрия (с использованием вольтова столба из 250 пар медных и цинковых пластин). Название «sodium», выбранное Дэви для этого элемента, отражает его происхождение из соды Na 2 CO 3 . Латинское и русское названия элемента произведены от арабского «натрун» (природная сода).

Распространение натрия в природе и его промышленное извлечение.

Натрий – седьмой из наиболее распространенных элементов и пятый из наиболее распространенных металлов (после алюминия, железа, кальция и магния). Его содержание в земной коре составляет 2,27%. Большая часть натрия находится в составе различных алюмосиликатов.

Огромные отложения солей натрия в сравнительно чистом виде существуют на всех континентах. Они являются результатом испарения древних морей. Этот процесс по-прежнему продолжается в озере Солт-Лейк (штат Юта), Мертвом море и других местах. Натрий встречается в виде хлорида NaCl (галит, каменная соль), а также карбоната Na 2 CO 3 ·NaHCO 3 ·2H 2 O (трона), нитрата NaNO 3 (селитра), сульфата Na 2 SO 4 ·10H 2 O (мирабилит), тетрабората Na 2 B 4 O 7 ·10 H 2 O (бура) и Na 2 B 4 O 7 ·4H 2 O (кернит) и других солей.

Неиссякаемые запасы хлорида натрия есть в природных рассолах и океанических водах (около 30 кг м –3). 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 кв. км может достичь Луны 47 раз.

Сейчас суммарное производство хлорида натрия из морской воды достигло 6–7 млн. т в год, что составляет около трети общей мировой добычи.

В живом веществе в среднем содержится 0,02% натрия; в животных его больше, чем в растениях.

Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического натрия.

Натрий – серебристо-белый металл, в тонких слоях с фиолетовым оттенком, пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит. Величины электропроводности и теплопроводности натрия достаточно высоки, плотность равна 0,96842 г/см 3 (при 19,7° С), температура плавления 97,86° С, температура кипения 883,15° С.

У тройного сплава, содержащего 12% натрия, 47% калия и 41% цезия, – самая низкая температура плавления для металлических систем, равная –78° С.

Натрий и его соединения окрашивают пламя в ярко-желтый цвет. Двойная линия в спектре натрия отвечает переходу 3s 1–3p 1 в атомах элемента.

Химическая активность натрия высока. На воздухе он быстро покрывается пленкой из смеси пероксида, гидроксида и карбоната. В кислороде, фторе и хлоре натрий горит. При сжигании металла на воздухе образуется пероксид Na 2 O 2 (с примесью оксида Na 2 O).

С серой натрий реагирует уже при растирании в ступке, серную кислоту восстанавливает до серы или даже до сульфида. Твердый диоксид углерода («сухой лед») при контакте с натрием взрывается (углекислотные огнетушители для тушения горящего натрия применять нельзя!). С азотом реакция идет только в электрическом разряде. Не взаимодействует натрий лишь с инертными газами.

Натрий активно реагирует с водой:

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2

Тепла, которое выделяется при реакции, достаточно, чтобы расплавить металл. Поэтому, если маленький кусочек натрия бросить в воду, он за счет теплового эффекта реакции плавится и капелька металла, который легче воды, «бегает» по поверхности воды, подгоняемая реактивной силой выделяющегося водорода. Со спиртами натрий взаимодействует намного спокойнее, чем с водой:

2Na + 2C 2 H 5 OH = 2C 2 H 5 ONa + H 2

Натрий легко растворяется в жидком аммиаке с образованием ярко-голубых метастабильных растворов с необычными свойствами. При –33,8° С в 1000 г аммиака растворяется до 246 г металлического натрия. Разбавленные растворы имеют синий цвет, концентрированные – цвет бронзы. Они могут храниться около недели. Установлено, что в среде жидкого аммиака натрий ионизуется:

Na Na + + e –

Константа равновесия этой реакции равна 9,9·10 –3 . Уходящий электрон сольватируется молекулами аммиака и образует комплекс – . Полученные растворы обладают металлической электропроводностью. При испарении аммиака остается исходный металл. При длительном хранении раствора он постепенно обесцвечивается за счет реакции металла с аммиаком с образованием амида NaNH 2 или имида Na 2 NH и выделением водорода.

Хранят натрий под слоем обезвоженной жидкости (керосин, минеральное масло), перевозят только в запаянных металлических сосудах.

Электролитический способ промышленного получения натрия был разработан в 1890. Электролизу подвергали расплав едкого натра, как в опытах Дэви, но с использованием более совершенных источников энергии, чем вольтов столб. В этом процессе наряду с натрием выделяется кислород:

анод (никелевый): 4OH – – 4e – = O 2 + 2H 2 O.

При электролизе чистого хлорида натрия возникают серьезные проблемы, связанные, во-первых, с близкими температурой плавления хлорида натрия и температурой кипения натрия и, во-вторых, с высокой растворимостью натрия в жидком хлориде натрия. Добавление к хлориду натрия хлорида калия, фторида натрия, хлорида кальция позволяет снизить температуру расплава до 600° С. Производство натрия электролизом расплавленной эвтектической смеси (сплав двух веществ с самой низкой температурой плавления) 40% NaCl и 60% CaCl 2 при ~580° С в ячейке, разработанной американским инженером Г.Даунсом, было начато в 1921 Дюпоном вблизи электростанции у Ниагарского водопада.

На электродах протекают следующие процессы:

катод (железный): Na + + e – = Na

Ca 2+ + 2e – = Ca

анод (графитовый): 2Cl – – 2e – = Cl 2 .

Металлические натрий и кальций образуются на цилиндрическом стальном катоде и поднимаются с помощью охлаждаемой трубки, в которой кальций затвердевает и падает обратно в расплав. Хлор, образующийся на центральном графитовом аноде, собирается под никелевым сводом и затем очищается.

Сейчас объем производства металлического натрия составляет несколько тысяч тонн в год.

Промышленное использование металлического натрия связано с его сильными восстановительными свойствами. Долгое время большая часть производимого металла использовалась для получения тетраэтилсвинца PbEt 4 и тетраметилсвинца PbMe 4 (антидетонаторов для бензина) реакцией алкилхлоридов со сплавом натрия и свинца при высоком давлении. Сейчас это производство быстро сокращается из-за загрязнения окружающей среды.

Еще одна область применения – производство титана, циркония и других металлов восстановлением их хлоридов. Меньшие количества натрия используются для получения соединений, таких как гидрид, пероксид и алкоголяты.

Диспергированный натрий является ценным катализатором при производстве резины и эластомеров.

Растет применение расплавленного натрия в качестве теплообменной жидкости в ядерных реакторах на быстрых нейтронах. Низкая температура плавления натрия, низкая вязкость, малое сечение поглощения нейтронов в сочетании с чрезвычайно высокой теплоемкостью и теплопроводностью делает его (и его сплавы с калием) незаменимым материалом для этих целей.

Натрием надежно очищают трансформаторные масла, эфиры и другие органические вещества от следов воды, а с помощью амальгамы натрия можно быстро определить содержание влаги во многих соединениях.

Соединения натрия.

Натрий образует полный набор соединений со всеми обычными анионами. Считается, что в таких соединениях происходит практически полное разделение заряда между катионной и анионной частями кристаллической решетки.

Оксид натрия Na 2 O синтезируют реакцией Na 2 O 2 , NaOH, а предпочтительнее всего NaNO 2 , с металлическим натрием:

Na 2 O 2 + 2Na = 2Na 2 O

2NaOH + 2Na = 2Na 2 O + H 2

2NaNO 2 + 6Na = 4Na 2 O + N 2

В последней реакции натрий можно заменить азидом натрия NaN 3:

5NaN 3 + NaNO 2 = 3Na 2 O + 8N 2

Хранить оксид натрия лучше всего в безводном бензине. Он служит реактивом для различных синтезов.

Пероксид натрия Na 2 O 2 в виде бледно-желтого порошка образуется при окислении натрия. При этом в условиях ограниченной подачи сухого кислорода (воздуха) сначала образуется оксид Na 2 O, который затем превращается в пероксид Na 2 O 2 . В отсутствие кислорода пероксид натрия термически устойчив до ~675° C.

Пероксид натрия широко используется в промышленности как отбеливатель для волокон, бумажной пульпы, шерсти и т.д. Он является сильным окислителем: взрывается в смеси с порошком алюминия или древесным углем, реагирует с серой (при этом раскаляется), воспламеняет многие органические жидкости. Пероксид натрия при взаимодействии с монооксидом углерода образует карбонат. В реакции пероксида натрия с диоксидом углерода выделяется кислород:

2Na 2 O 2 + 2CO 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2

Эта реакция имеет важное практическое применение в дыхательных аппаратах для подводников и пожарных.

Надпероксид натрия NaO 2 получают при медленном нагревании пероксида натрия при 200–450° С под давлением кислорода 10–15 МПа. Доказательства образования NaO 2 были впервые получены в реакции кислорода с натрием, растворенным в жидком аммиаке.

Действие воды на надпероксид натрия приводит к выделению кислорода даже на холоду:

2NaO 2 + H 2 O = NaOH + NaHO 2 + O 2

При повышении температуры количество выделяющегося кислорода увеличивается, так как происходит разложение образующегося гидропероксида натрия:

4NaO 2 + 2H 2 O = 4NaOH + 3O 2

Надпероксид натрия является компонентом систем для регенерации воздуха в замкнутых помещениях.

Озонид натрия NaО 3 образуется при действии озона на безводный порошок гидроксида натрия при низкой температуре с последующей экстракцией красного NaО 3 жидким аммиаком.

Гидроксид натрия NaOH нередко называют каустической содой или едким натром. Это сильное основание, его относят к типичным щелочам. Из водных растворов гидроксида натрия получены многочисленные гидраты NaOH·n H 2 O, где n = 1, 2, 2,5, 3,5, 4, 5,25 и 7.

Гидроксид натрия очень агрессивен. Он разрушает стекло и фарфор за счет взаимодействия с содержащимся в них диоксидом кремния:

2NaOH + SiO 2 = Na 2 SiO 3 + H 2 O

Название «едкий натр» отражает разъедающее действие гидроксида натрия на живые ткани. Особенно опасно попадание этого вещества в глаза.

Врач герцога Орлеанского Никола Леблан (Leblanc Nicolas) (1742–1806) в 1787 разработал удобный процесс получения гидроксида натрия из NaCl (патент 1791). Этот первый крупномасштабный промышленный химический процесс стал крупным технологическим достижением в Европе в 19 в. Позднее процесс Леблана был вытеснен электролитическим процессом. В 1874 мировое производство гидроксида натрия составило 525 тыс. т, из которых 495 тыс. т были получены по способу Леблана; к 1902 производство гидроксида натрия достигло 1800 тыс. т., ооднако по способу Леблана были получены только 150 тыс. т.

Сегодня гидроксид натрия – наиболее важная щелочь в промышленности. Ежегодное производство только в США превышает 10 млн. т. Ее получают в огромных количествах электролизом рассолов. При электролизе раствора хлорида натрия образуется гидроксид натрия и выделяется хлор:

катод (железный) 2H 2 O + 2e – = H 2 + 2OH –

анод (графитовый) 2Cl – – 2e – = Cl 2

Электролиз сопровождается концентрированием щелочи в огромных выпаривателях. Самый большой в мире (на заводе PPG Inductries" Lake Charles) имеет высоту 41 м и диаметр 12 м. Около половины производимого гидроксида натрия используется непосредственно в химической промышленности для получения различных органических и неорганических веществ: фенола, резорцина, b -нафтола, солей натрия (гипохлорита, фосфата, сульфида, алюминатов). Кроме того, гидроксид натрия применяется в производстве бумаги и пульпы, мыла и моющих средств, масел, текстиля. Он необходим и при переработке бокситов. Важной областью применения гидроксида натрия является нейтрализация кислот.

Хлорид натрия NaCl известен под названиями поваренной соли, каменной соли. Он образует бесцветные мало гигроскопичные кристаллы кубической формы. Хлорид натрия плавится при 801° С, кипит при 1413° С. Его растворимость в воде мало зависит от температуры: в 100 г воды при 20° С растворяется 35,87 г NaCl, а при 80° С – 38,12 г.

Хлорид натрия – необходимая и незаменимая приправа к пище. В далеком прошлом соль приравнивалась по цене к золоту. В древнем Риме легионерам часто платили жалование не деньгами, а солью, отсюда и произошло слово солдат.

В Киевской Руси пользовались солью из Прикарпатья, из соляных озер и лиманов на Черном и Азовском морях. Она обходилась настолько дорого, что на торжественных пирах ее подавали на столы знатных гостей, прочие же расходились «несолоно хлебавши».

После присоединения Астраханского края к Московскому государству важными источниками соли стали озера Прикаспия, и все равно ее не хватало, она была дорога, поэтому возникало недовольство самых бедных слоев населения, которое переросло в восстание, известное под названием Соляного Бунта (1648)

В 1711 Петр I издал указ о введении соляной монополии. Торговля солью стала исключительным правом государства. Соляная монополия просуществовала более полутораста лет и была отменена в 1862.

Ныне хлорид натрия – дешевый продукт. Вместе с каменным углем, известняком и серой он входит в так называемую «большую четверку» минерального сырья, наиболее существенного для химической промышленности.

Большая часть хлорида натрия производится в Европе (39%), Северной Америке (34%) и Азии (20%), в то время как на Южную Америку и Океанию приходится лишь по 3%, а на Африку – 1%. 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 ґ 24 км и имеет толщину соляного пласта около 400 м. Одно это месторождение оценивается более чем в 10 11 т.

Мировой объем добычи соли к началу 21 в. достиг 200 млн. т, 60% которой потребляет химическая промышленность (для производства хлора и гидроксида натрия, а также бумажной пульпы, текстиля, металлов, резин и масел), 30% – пищевая, 10% приходится на прочие сферы деятельности. Хлорид натрия используется, например, в качестве дешевого антигололедного реагента.

Карбонат натрия Na 2 CO 3 часто называют кальцинированной содой или просто содой. Он встречается в природе в виде грунтовых рассолов, рапы в озерах и минералов натрона Na 2 CO 3 ·10H 2 O, термонатрита Na 2 CO 3 ·H 2 O, троны Na 2 CO 3 ·NaHCO 3 ·2H 2 O. Натрий образует и другие разнообразные гидратированные карбонаты, гидрокарбонаты, смешанные и двойные карбонаты, например Na 2 CO 3 ·7H 2 O, Na 2 CO 3 ·3NaHCO 3 , aKCO 3 ·n H 2 O, K 2 CO 3 ·NaHCO 3 ·2H 2 O.

Среди солей щелочных элементов, получаемых в промышленности, карбонат натрия имеет наибольшее значение. Чаще всего для его производства используют метод, разработанный бельгийским химиком-технологом Эрнстом Сольве в 1863.

Концентрированный водный раствор хлорида натрия и аммиака насыщают диоксидом углерода под небольшим давлением. При этом образуется осадок сравнительно малорастворимого гидрокарбоната натрия (растворимость NaHCO 3 составляет 9,6 г на 100 г воды при 20° С):

NaCl + NH 3 + H 2 O + CO 2 = NaHCO 3 Ї + NH 4 Cl

Для получения соды гидрокарбонат натрия прокаливают:

Выделяющийся диоксид углерода возвращают в первый процесс. Дополнительное количество диоксида углерода получают за счет прокаливания карбоната кальция (известняка):

Второй продукт этой реакции – оксид кальция (известь) – используют для регенерации аммиака из хлорида аммония:

Таким образом, единственным побочным продуктом производства соды по методу Сольве является хлорид кальция.

Суммарное уравнение процесса:

2NaCl + CaCO 3 = Na 2 CO 3 + CaCl 2

Очевидно, в обычных условиях в водном растворе идет обратная реакция, поскольку равновесие в этой системе нацело смещено справа налево из-за нерастворимости карбоната кальция.

Кальцинированная сода, полученная из природного сырья (натуральная кальцинированная сода), имеет лучшее качество по сравнению с содой, полученной аммиачным способом (содержание хлоридов менее 0,2%). Кроме того, удельные капитальные вложения и себестоимость соды из природного сырья на 40–45% ниже, чем полученной синтетическим путем. Около трети мировой продукции соды приходится сейчас на природные месторождения.

Мировое производство Na 2 CO 3 в 1999 распределилось следующим образом:

Крупнейший в мире производитель натуральной кальцинированной соды – США, где сосредоточены и самые большие разведанные запасы троны и рапы содовых озер. Месторождение в Вайоминге образует слой толщиной 3 м и площадью 2300 км 2 . Его запасы превышают 10 10 т. В США содовая промышленность ориентирована на природное сырье; последнее предприятие по синтезу соды было закрыто в 1985. Выработка кальцинированной соды в США в последние годы стабилизировалась на уровне 10,3–10,7 млн. т.

В отличие от США, большинство стран мира практически полностью зависят от производства синтетической кальцинированной соды. Второе место в мире по производству кальцинированной соды после США занимает Китай. Выработка этого химиката в КНР в 1999 достигла примерно 7,2 млн. т. Производство кальцинированной соды в России в том же году составило порядка 1,9 млн. т.

Во многих случаях карбонат натрия взаимозаменяем с гидроксидом натрия (например, при получении бумажной пульпы, мыла, чистящих средств). Около половины карбоната натрия используется в стекольной промышленности. Одна из развивающихся областей применения – удаление сернистых загрязнений в газовых выбросах предприятий энергетики и мощных печей. В топливо добавляют порошок карбоната натрия, который реагирует с диоксидом серы с образованием твердых продуктов, в частности сульфита натрия, которые могут быть отфильтрованы или осаждены.

Ранее карбонат натрия широко применялся в качестве «стиральной соды», но эта область применения теперь исчезла из-за использования в быту других моющих средств.

Гидрокарбонат натрия NaHCO 3 (пищевая сода), применяется, главным образом, как источник диоксида углерода при выпечке хлеба, изготовлении кондитерских изделий, производстве газированных напитков и искусственных минеральных вод, как компонент огнетушащих составов и лекарственное средство. Это связано с легкостью его разложения при 50–100° С.

Сульфат натрия Na 2 SO 4 встречается в природе в безводном виде (тенардит) и в виде декагидрата (мирабилит, глауберова соль). Он входит в состав астрахонита Na 2 Mg(SO 4) 2 ·4H 2 O, вантгоффита Na 2 Mg(SO 4) 2 , глауберита Na 2 Ca(SO 4) 2 . Наиболее крупные запасы сульфата натрия – в странах СНГ, а также в США, Чили, Испании. Мирабилит, выделенный из природных залежей или рапы соляных озер, обезвоживают при 100° С. Сульфат натрия является также побочным продукт производства хлороводорода с использованием серной кислоты, а также конечным продуктом сотен промышленных производств, в которых применяется нейтрализация серной кислоты с помощью гидроксида натрия.

Данные о добыче сульфата натрия не публикуются, но, по оценке, мировое производство природного сырья составляет около 4 млн. т в год. Извлечение сульфата натрия в качестве побочного продукта оценивается в мире в целом в 1,5–2,0 млн. т.

Долгое время сульфат натрия мало использовался. Теперь это вещество – основа бумажной промышленности, так как Na 2 SO 4 является главным реагентом в сульфатной варке целлюлозы для приготовления коричневой оберточной бумаги и гофрированного картона. Древесные стружки или опилки переорабатывается в горячем щелочном растворе сульфата натрия. Он растворяет лигнин (компонент древесины, соединяющий волокна) и освобождает волокна целлюлозы, которые затем отправляют на машины для изготовления бумаги. Оставшийся раствор выпаривают, пока он не приобретет способность гореть, давая пар для завода и тепло для выпаривания. Расплавленные сульфат и гидроксид натрия устойчивы к действию пламени и могут быть использованы повторно.

Меньшая часть сульфата натрия применяется при производстве стекла и моющих средств. Гидратированная форма Na 2 SO 4 ·10H 2 O (глауберова соль) является слабительным средством. Сейчас она используется меньше, чем раньше.

Нитрат натрия NaNO 3 называют натриевой или чилийской селитрой. Большие залежи нитрата натрия, найденные в Чили, по-видимому, образовались за счет биохимического разложения органических остатков. Выделившийся вначале аммиак, вероятно, окислился до азотистой и азотной кислот, которые затем прореагировали с растворенным хлоридом натрия.

Получают нитрат натрия поглощением нитрозных газов (смесь оксидов азота) раствором карбоната или гидроксида натрия либо обменным взаимодействием нитрата кальция с сульфатом натрия.

Нитрат натрия применяют как удобрение. Он является компонентом жидких солевых хладагентов, закалочных ванн в металлообрабатывающей промышленности, теплоаккумулирующих составов. Тройная смесь из 40% NaNO 2 , 7% NaNO 3 и 53% KNO 3 может использоваться от температуры плавления (142° С) до ~600° С. Нитрат натрия используется как окислитель во взрывчатых веществах, ракетных топливах, пиротехнических составах. Он применяется в производстве стекла и солей натрия, в том числе нитрита, служащего консервантом пищевых продуктов.

Нитрит натрия NaNO 2 может быть получен термическим разложением нитрата натрия или его восстановлением:

NaNO 3 + Pb = NaNO 2 + PbO

Для промышленного производства нитрита натрия абсорбируют оксиды азота водным раствором карбоната натрия.

Нитрит натрия NaNO 2 , кроме использования с нитратами в качестве теплопроводных расплавов, широко применяется в производстве азокрасителей, для ингибирования коррозии и консервации мяса.

Елена Савинкина

— неорганическое вещество, простой элемент таблицы Менделеева, входит в группу щелочных металлов. Занимает шестое место по распространенности в земной коре; его больше всего среди металлов, растворенных в водах морей и океанов. В виде соединений встречается в таких минералах, как галит, мирабилит, тенардит, натриевая селитра , трона, бура и пр. В чистом виде не встречается.

Промышленный способ получения: электролиз расплава хлористого натрия (поваренной соли). Одновременно получают натрий и хлор.

Свойства

Пластичный металл серебристого цвета. На воздухе быстро окисляется и тускнеет. Мягкий настолько, что его можно резать скальпелем, прокатывать, прессовать. Легче воды. Хорошо проводит ток и тепло. Цвет пламени окрашивает в ярко-желтый цвет. Эта реакция является характерной для обнаружения многих соединений натрия.

Относится к химически очень активным металлам, обладает осно́вными свойствами. Вступает в реакцию с кислородом, углекислым газом, разбавленными и концентрированными кислотами, спиртами, газообразным и жидким аммиаком , оксидами. Самовоспламеняется при взаимодействии с хлором и фтором, бурно реагирует с водой (иногда — со взрывом), бромом, серой. Вступает в реакции практически со всеми неметаллами (иногда для этого требуются особые условия, электроразряд или высокая температура). С водой образует сильную щелочь — гидроокись натрия (едкий натр). Образует соединения со ртутью и некоторыми другими металлами, с органическими веществами.

У натрия весьма существенная разница между температурами плавления и кипения — почти 800 градусов. Плавитcя он при t около +98 °С, кипит при t +883 °С. Благодаря этому свойству из натрия получается хороший теплоноситель для мощных атомных реакторов, не закипающий до высоких температур.

Натрий играет большую роль в жизни живых организмов. Он необходим для нормального обмена веществ, работы нервной и сердечно-сосудистой систем. Недостаток натрия приводит к нарушениям работы ЖКТ, судорогам, невралгиям. Переизбыток — к отекам, повышению давления, проблемам в работе почек.

Меры предосторожности

Натрий нельзя брать руками, так как он тут же вступает в реакцию с влагой кожи и образует щелочь, вызывая сильные химические и термические ожоги.

Хранят натрий под слоем керосина или минерального масла в герметичных железных контейнерах (жидкость должна полностью покрывать реактив). Если хранят в стеклянной емкости, то ее, в свою очередь, нужно поместить в несгораемый металлический шкаф.

После работы с металлическим натрием остатки следует нейтрализовать спиртом, ни в коем случае не допуская попадания частиц натрия в мусорное ведро или канализацию, поскольку это может вызвать пожар и быстрое разрушение канализационных труб.

Применение

Восстановительные свойства используются при получении чистых металлов: калия, циркония, тантала и др.
. В газоразрядных лампах.
. В металлургии натрий добавляют в сплавы свинца для придания им прочности. Сплавы других металлов он делает более тугоплавкими.
. В электротехнике натрий используется для изготовления энергоемких аккумуляторов, клапанов двигателей грузовиков, шин для очень высоких токов.
. Так как натрий плохо поглощает нейтроны, он применяется в качестве теплоносителя в атомных реакторах на быстрых нейтронах.
. Для осушения орг.растворителей, для качественного анализа в органической химии.
. Изотопы натрия применяется в медицине и научных исследованиях.
. В пищепроме применяются многие соли: глутамат, хлорид, гидрокарбонат, бензоат, нитрит, сахаринат натрия.
. Поваренная соль используется в водоочистке.
. Гидроокись натрия востребована в производстве бумаги, мыла, синтетических волокон; как электролит.
. Карбонаты и гидрокарбонаты натрия применяются в пожаротушении, фармацевтике.
. Фосфат натрия необходим для изготовления моющих средств, красок, в стекольной индустрии, фотоделе.
. Силикаты натрия используются в производстве огне- и кислотоупорных бетонов.
. Применение находят азид, цианид, хлорат, пероксид, тетраборат, сульфат, тиосульфат натрия и многие другие его соединения.

Натроном первоначально называли гидроксид натрия. В 1807 г. Дэви путем электролиза слегка увлажненных твердых щелочей получил свободные металлы - калий и натрий, назвав их потассий (Potassium) и содий (Sodium). Берцелиус, и затем Гесс в России предложили названия Natrium / Натрий, которое и закрепилось.

Нахождение в природе, получение:

В природе щелочные металлы в свободном виде не встречаются. Натрий входит в состав различных соединений. Наиболее важным является соединение натрия с хлором NaCl, которое образует залежи каменной соли (Донбасс, Соликамск, Соль-Илецк и др.). Хлорид натрия содержится также в морской воде и соляных источниках. Натрий относится к числу распространенных элементов. Содержание натрия в земной коре составляет 2,64%.
Получают электролизом расплавленного хлорида натрия или гидроксида натрия. Применяется также и восстановление его оксидов, хлоридов, карбонатов алюминием, кремнием, кальцием, магнием при нагревании в вакууме.

Физические свойства:

Натрий - серебристо-белый металл, его плотность - 0,97 г/см 3 , очень мягкий, легко режется ножом. Между атомами металлическая связь. Для вещества с такой связью характерны металлический блеск, пластичность, мягкость, хорошая электрическая проводимость и теплопроводность.

Химические свойства:

Атом натрия при химическом взаимодействии легко отдает валентные электроны, переходя в положительно заряженный ион. На воздухе быстро окисляется, поэтому его хранят под слоем керосина.
При сгорании в избытке кислорода образует пероксид натрия, Na 2 O 2
С водородом при нагревании образует гидрид Na + H 2 = 2NaH
Легко взаимодействует со многим неметаллами - галогенами, серой, фосфором и др.
Бурно реагирует с водой: 2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2

Важнейшие соединения:

Оксид натрия , Na 2 O (бесцветный), реагирует с парами воды, углекислым газом, потому хранить лучше в безводном бензоле.
При непосредственной реакции натрия с кислородом получается смесь оксида и пероксида натрия. Для получения чистого оксида можно использовать реакцию: Na 2 O 2 + 2Na = 2Na 2 O
Пероксид натрия , Na 2 O 2 (желтый) кристаллическое вещество с ионной решеткой, взаимодействует с влажным углекислым газом воздуха, выделяя кислород: 2Na 2 O 2 + 2CO 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2
Гидроксид натрия , NaOH - кристаллическое белое вещество, сравнительно легкоплавкое, термически очень устойчиво. При нагревании испаряется без потери воды. Хорошо растворяется в воде, в спиртах.
Галогениды натрия , бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимы в воде, за исключением NaF. Для них характерны восстановительные свойства.
Сульфид натрия , - Na 2 S. Бесцветное кристаллическое вещество с ионной решеткой. Хорошо растворимо в воде, является сильным восстановителем.
Соли , все соли хорошо растворимы, являются сильными электролитами.
Гидрид натрия , NaH - бесцветное кристаллическое вещество с кристаллической решеткой типа NaCl, анионом является H - . Получают пропусканием водорода над расплавленными металлом. Подвергается термической диссоциации не плавясь, легко разлагаются водой:
2NaH = 2Na + H 2
NaH + H 2 O = NaOH + H 2

Применение:

Соединения натрия - важнейшие компоненты химических производств. Используются в мыловарении, производстве стекла, средств бытовой химии.
Натрий важен для большинства форм жизни, включая человека. В живых организмах ионы натрия вместе с ионами калия выполняют функцию передатчиков нервного импульса. Также его ионы играют важную роль в поддержании водного режима организма.

Бондарева Мария Александровна
ХФ ТюмГУ, 561 группа.

Источники: Г.П. Хомченко "Пособие по химии для поступающих в ВУЗы"
"Неорганическая химия в схемах и таблицах"

В начале 19-го века натрий звали содием. Такое имя элементу дал Гемфри Дэви, сумевший выделить металл из щелочи. Химик слегка увлажнил ее и подверг электролизу. Изменить название открытого Гемфри элемента предложил Вильгельм Гильберт.

Это автор знаменитых «Анналов физики». Ученый стал именовать содий натронием. Дело продолжил Йенс Берцелиус. Химик из Швеции ввел сокращение натрий. О свойствах и роли этого металла в жизни людей – наш следующий материал.

Химические и физические свойства натрия

Элемент входит в главную подгруппу 1-ой группы , занимая 11-ю позицию. В колонке все металлы щелочные, таков и натрий. Вода реагирует с ним. Образуется едкая щелочь. Еще одна общая особенность металлов группы – присутствие лишь 1-го электрона на внешней орбите атома.

Это делает натрий мощным восстановителем. Элемент легко отдает электрон внешнего уровня, повышая свою степень окисления. Атом приходит к завершенной оболочке предыдущего уровня.

Восстановительная активность – причина отсутствия чистого металла в природе. Найти можно лишь соединения. Так, натрия хлорид – это поваренная соль. Карбонат натрия – пищевая сода. Так что, металл не зря был изначально назван содием.

Можно было именовать и нетер. Именно под этим названием вещество фигурирует в Ветхом завете. Что же касается , ей люди начали пользоваться еще во времена Палеолита, то есть около 6 000 лет назад.

Энергичнее всего натрий взаимодействует не только с водой, но и всеми неметаллами. Чтобы из активного восстановителя получить деликатный, 11-ый элемент соединяют с . Образуется амальгама.

Если же, напротив, нужно усилить агрессию натрия, к нему приплюсовывают кислород. Итог – пероксид, мощный окислитель. В его атмосфере большинство веществ воспламеняются.

Непрост и «характер» гидроксида натрия . Его именуют едким. Соединение разъедает ткани, кожу, и прочую органику и материи, сделанные на ее основе. Правда, на воздухе гидроксид натрия захватывает углекислый газ и обезвреживается, превращаясь в карбонат.

Когда Гемфри Дэви удалось выделить чистый натрий , мир узнал, каков он внешне. Металл серебристо-белый. Тонкие срезы отливают фиолетовым. Формула натрия делает его мягким и податливым.

Режется обычным ножом и блестит на поверхности скольжения лезвия. У элемента невысокая температура плавления – 97 градусов. Закипает же натрий при 883-ех по шкале Цельсия.

Чистый металл хорошо проводит ток и тепло, не отличается высокой плотностью. Ее показатель у 11-го элемента меньше единицы. Это не умоляет весомости натрия в биологических процессах.

Металл есть и в растениях, и в животных тканях. Так, в организме человека раствор натрия – часть плазмы крови, пищеварительных и лимфы.

Осмотической давление, к примеру, поддерживается именно за счет 11-го элемента. Применение ему нашла не только природа, но и человек. Масса натрия идет, к примеру, на промышленные цели. Какие? Об этом расскажем в следующей главе.

Применение натрия

В природе элемент представлен лишь 1-им стабильным изотопом. Его массовое число 23. В искусственных условиях создано еще 15 изотопов. Они не стабильны, большинство разрушается за пару минут. Исключение: — 22-ой и 24-ый Na.

Период полураспада этих изотопов значителен. Первый сохраняется 2,5 года, активно излучает позитроны, чем и служит науке. Период полураспада второго – 15 часов. Достаточно, чтобы послужить медицине и помочь больным лейкемией.

В сфере ядерной энергетики натрий стал теплоносителем. Пригодился «разбег» между температурой плавления и кипения элемента. Интервал в 800 градусов Цельсия позволяет, к примеру, заполнять щелочным металлом контуры энергоносителей атомных подлодок. Натрий принимает тепло из реактора, не закипая при этом.

Держать температуру в разумных рамках удается за счет циркуляции жидкого металла между реактором и парогенератором. В последнем происходит охлаждение натрия , испаряется вода. Вот и получается вращать турбину энергией пара высокого давления.

Чистый элемент пригождается и в металлургии. Какую роль в ней выполняет натрий? Инструкция применения такова: металл упрочняет сплавы на основе свинца. В качестве достаточно около 1,5% 11-го элемента. Натрий добавляют и к сплавам других металлов. Добиваются уже не прочности, а тугоплавкости смесей.

Из изделий стоит упомянуть провода. Натрий купить для их изготовления выгоднее, чем привычную . Электричество 11-ый элемент проводит в 3 раза хуже. Зато, щелочной металл в 9 раз легче.

Этот аргумент заставил промышленников перейти именно на натриевые шины для больших токов. Тонкие же провода продолжили делать из привычных меди и .

Теперь, о роли соединений натрия . Пероксид не только воспламеняет вещества, но и способен отбелить ткани. Гидроксид 11-го металла нужен нефтяникам. Соединение очищает продукты переработки жидкого . Закупают гидроксид и для производства твердых сортов моющих средств. Без едкого вещества невозможно омылить в них жиры.

Параллельно, белый порошок без запаха участвует в изготовлении и текстиля. Здесь ставку делают на раствор натрия хлорида . Средство способно осветлять, как писчие листы, так и ткани. В народе реагент называют хлоркой.

Натрия тетраборат стал лекарством при кандидозе и прочих вагинальных инфекциях. Сульфацип натрия – препарат, помогающий при конъюнктивите и других воспалительных процесса в глаза. Противоядием при отравлениях солями и вообще интоксикации организма становится тиосульфат натрия .

Пищевая известна в народе, как средство от изжоги. Гидрокарбонат натрия – щелочь, нейтрализующая желудочную кислоту. Применяют 11-ый элемент и при запорах. Выручает сульфат натрия .

Кроме непосредственно медицинской сферы, элемент ценят и в косметологии. Натрий кислота – не что иное, как гиалуронка. Она поддерживает молодость кожи. Инъекции водятся, как правило в носогубные складки, морщины. Кислота заполняет их. В молодости гиалуронат вырабатывается организмом, но с возрастом процесс замедляется. Приходится вводить препарат из вне.

На фото продукты, содержащие натрий

Первыми человечество оценило соли натрия . Но, в 21-ом веке познали прелесть цианистой формы металла. Она помогает добывать . Драгоценность расплавляется в цианистом натрии. Правда, в жидкую форму переходят и еще некоторые составные руды.

Тем не менее, выделить золото из комплексного расплава уже проще, чем из твердых масс. На финальной стадии «подключают» и … драгоценный металл добыт.

Добыча натрия

Если нужен чистый элемент, его добывают из обычной поваренной соли. Ее отложения имеются на всех континентах. Если ресурсов не хватит, кладезю соли являются воды морей. Выделить из хлорида натрий удается путем его расплавления и последующего электролиза. Катоды берут железные, или медные. Аноды закупают из .

К соли примешивают фторид натрия и хлорид калия. Они снижают температуру размягчения сырья с 800-от до 500-от градусов Цельсия. Это сокращает потери натрия в виде испарений. Метод выгоден вдвойне, ведь одновременно с 11-ым элементом добывают и чистый хлор.

Цена натрия

Стоимость элемента зависит от того, приобретается раствор гидроксида натрия , чистый металл, его сульфат или другое соединение. Ценник зависит и от того, покупается оно, к примеру, в составе какого-то препарата, или отдельно. Сфер использования натрия масса, производителей сотни и тысячи.

У каждого свои запросы. Какие-то вещества добываются легко практически в готовом виде, та же соль. Она и стоит около 10-20 рублей за килограмм. Другие соединения натрия нужно синтезировать, что увеличивает их стоимость.

Так, или иначе, человечество готово платить за пользу, приносимую ему 11-ым элементом. Его добыча ведется активно и, судя по всему, не собирается затихать.

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.