Атомный вес натрия. Натрий (Na) – главный регулятор водного баланса в организме. Окисление и горение

Натрий - это металл или неметалл? Ошибочно полагать, что второй вариант. Натрий является мягким серебристо-белым металлом, который входит в таблицу Менделеева под атомным номером 11.

К тому же он (точнее его соединения) известны с давних времен! Даже в Библии упоминалось о натрии, как о компоненте чистящего средства. Впрочем, это историческая справка, пусть и интересная. Сейчас же стоит поговорить об особенностях данного элемента и прочих его характеристиках.

Физические свойства

Итак, ответ на вопрос «Натрий - это металл или неметалл?» предельно ясен. Даже взглянув на это вещество, можно все понять. Очевидно, что Который, кстати, пусть и обладает серебристо-белым цветом, но в тонких слоях имеет фиолетовый оттенок.

Это очень пластичное вещество. Мягкими называются те металлы, которые без особых усилий поддаются ковке, а также отличаются пластичностью и легкоплавкостью. Но по отношению к натрию это слово может быть применено в прямом смысле. Его можно порезать ножом без усилий. Кстати, свежий срез очень ярко блестит. Из других свойств можно отметить:

Плотность. При нормальных условиях - 0,971 г/см³.
Температура плавления и кипения - 97,81 °C и 882,95 °C соответственно.
Молярная теплоемкость - 28,23 Дж/(K.моль).
Удельная теплота плавления и испарения - 2,64 кДж/моль и 97,9 кДж/моль соответственно.
Молярный объем - 23,7 см³/моль.

Стоит отметить, что под давлением натрий (Na) становится красным и прозрачным. В таком состоянии этот металл очень похож на рубин.

Если поместить его в условия комнатной температуры, то он образует кристаллы в кубической симметрии. Однако, понизив ее до −268 °С, можно увидеть, как металл переходит в гексагональную фазу. Чтобы понять, о чем речь, достаточно вспомнить графит. Это яркий пример гексагонального кристалла.

Окисление и горение

Теперь можно перейти к химическим свойствам натрия (Na). Этот щелочной металл, находясь на воздухе, легко окисляется. В итоге образуется оксид натрия (Na 2 O). Выглядит он как бесцветные кубические кристаллы. Это солеобразующее бинарное неорганическое вещество, которое применяется как реактив в процессе синтеза. С его помощью изготавливают гидроксид натрия и прочие соединения.

Поэтому, чтобы защитить металл от кислородного воздействия, его хранят в керосине.

А вот при горении образуется пероксид натрия (Na 2 O 2). Они выглядят как бело-желтые кристаллы, для которых характерно энергичное взаимодействие с водой, сопровождающееся выделением тепла. Na 2 O 2 применяют для отбеливания шелка, шерсти, тканей, соломы, вискозной и древесной массы.

Реакции с водой

С H 2 O серебристо-белый мягкий металл натрий также успешно взаимодействует. Реакция с водой получается очень бурной. Небольшой кусочек натрия, помещенный в эту жидкость, всплывает, и из-за выделяющегося тепла начинает плавиться. В итоге он превращается в белый шарик, который в быстром темпе движется по поверхности воды в разных направлениях.

Эта весьма эффектная реакция сопровождается выделением водорода. Проводя подобный эксперимент, нужно проявлять осторожность, так как он может воспламениться. А происходит все по следующему уравнению: 2Na + 2Н 2 О → 2NaOH + Н 2 .

Взаимодействия с неметаллами

Натрий - это металл, его еще можно назвать сильным восстановителем, которым он и является. Как и другие щелочные вещества, впрочем. Так что он энергично взаимодействует со многими неметаллами, кроме углерода, йода и благородных газов, к которым относится радиоактивный радон, криптон, неон, ксенон, аргон и гелий. Такие реакции выглядят так: 2Na + Cl 2 → 2NaCl. Или вот еще пример: 2Na + Н 2 → 250-450 °С 2NaH.

Стоит отметить, что натрий является более активным, чем литий. В принципе, он может реагировать с азотом, но очень плохо (в тлеющем разряде). В итоге этого взаимодействия образуется неустойчивое вещество, называющееся нитридом натрия. Это кристаллы темно-серого цвета, реагирующие с водой и разлагающиеся при нагревании. Образуются они по уравнению: 6Na + N 2 → 2Na 3 N.

Реакции с кислотами

Их тоже следует перечислить, рассказывая про химические характеристики натрия. С разбавленными кислотами данное вещество взаимодействует, как обычный металл. Выглядит это так: 2Na + 2HCl → 2NaCl + Н 2 .

С концентрированными веществами, которым свойственны окислительные реакции, натрий взаимодействует иначе, такие реакции сопровождаются выделением продуктов восстановления. Вот пример формулы: 8Na + 10NHO 3 → 8NaNO 3 + 3Н 2 О.

Еще стоит отметить, что щелочной металл натрий легко растворяется в жидком аммиаке (NH 3), 10-процентный раствор которого прекрасно всем известен, как нашатырь. Уравнение выглядит так: Na + 4NH3 → - 40°С Na 4 . Вследствие этой реакции образуется синий раствор.

С газообразным аммиаком металл также взаимодействует, но при нагревании. Выглядит данная реакция так: 2Na + 2NH3 → 35 0°С 2NaNH 2 + Н 2 .

Другие соединения

Перечисляя основные свойства натрия, стоит также оговориться, что он может взаимодействовать со ртутью - уникальным элементом, который при нормальных условиях представляет собой бело-серебристую тяжелую жидкость, являясь при этом металлом.

В результате такой реакции образуется сплав. Его точное название - амальгама натрия. Используется это вещество как восстановитель, по своим свойствам являющийся мягче чистого металла. Если подвергнуть его тепловой обработке вместе с калием, то получится жидкий сплав.

А еще этот металл может растворяться в так называемых краун-эфирах - макрогетероциклических соединениях, но только в присутствии растворителей органического происхождения. В результате данной реакции образуется алкалид (соль, сильный восстановитель) или электрид (растворитель синего цвета).

Также нельзя не упомянуть, что алкилгалогениды, являющиеся галогенно-углеродными веществами, с избытком натрия дают натрийорганические соединения. На воздухе они обычно самовоспламеняются. А в воде - взрываются.

Применение

Свойства и характеристики натрия позволяют широко использовать его в промышленности, металлургии и препаративной химии как мощного восстановителя. Кроме этого, данное вещество задействовано:

В осушении растворителей органического происхождения.
В производстве серно-натриевых аккумуляторов.
В выпускных клапанах моторов грузовых машин. Играет роль жидкого теплоотвода.
При изготовлении электрических проводов, которые предназначены для высоких токов.
В сплавах с цезием, рубидием и калием. Вместе с этими веществами натрий образует высокоэффективный теплоноситель, который, кстати, используется на быстрых нейтронах в ядерных реакторах.
В газоразрядных лампах.

И это лишь некоторые сферы его применения. Но больше всего в мире распространен хлорид натрия. Он есть практически в каждом доме, ведь это - поваренная соль.

А еще нельзя не упомянуть, что земная кора на 2,6 % состоит из натрия. Да и вообще, он находится на 7-м месте в рейтинге самых часто встречающихся в природе элементов и на 5-м - в списке наиболее распространенных металлов. Нахождение в природе натрия в чистом виде невозможно, поскольку он является химически активным, но вот в виде сульфата, карбоната, нитрата и хлорида содержится в огромных количествах.

Биологическая роль

Итак, все самое основное по теме «Натрий - это металл или неметалл?» было сказано. Напоследок - пару слов о биологической роли данного вещества.

Натрий является неотъемлемой частью любого живого организма. Человеческий - не исключение. Вот, каковы его роли:

Поддерживает осмотическое давление.
Транспортирует углекислый газ.
Нормализует водный баланс.
Способствует транспортировке глюкозы, аминокислот, анионов через клеточные мембраны.
Своим обменом с ионами калия влияет на формирование потенциала действия.
Позитивно влияет на обмен белков.
Принимает участие в процессе гидратации.

Натрий входит в состав практических всех продуктов. Но его основными источниками является соль и пищевая сода. Улучшает усвоение данного вещества витамин D.

Дефицита натрия не встречается, но проблемы, связанные с употреблением недостаточного его количества, могут возникнуть при голодании. Это чревато потерей веса, рвотой, нарушением усвоения моносахаридов, образованием в желудочно-кишечном тракте газов. В особо тяжелых случаях возникает невралгия и судороги. Поэтому лучше не подвергать свой организм жесткому голоданию.

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 Натрия 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 Натрия. 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 Натрия. 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 Натрия. 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 Натрия. 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.

Натрий в организме. Натрий - один из основные элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. Содержится главным образом во внеклеточных жидкостях (в эритроцитах человека около 10 ммолъ/кг, в сыворотке крови 143 ммолъ/кг); участвует в поддержании осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия, в проведении нервных импульсов. Суточная потребность человека в хлористом натрии колеблется от 2 до 10 г и зависит от количества этой соли, теряемой с потом. Концентрация ионов Натрия в организме регулируется в основном гормоном коры надпочечников - альдостероном. Содержание Натрия в тканях растений относительно высокое (около 0,01% на сырую массу). У галофитов (виды, произрастающие на сильно засоленных почвах) Натрий создает высокое осмотическое давление в клеточном соке и тем самым способствует извлечению воды из почвы.

В медицине из препаратов Натрия наиболее часто применяют сульфат натрия, хлорид NaCl (при кровопотерях, потерях жидкости, рвоте и т. п.), борат Na 2 B 4 О 7 ·10H 2 O (как антисептическое средство), гидрокарбонат NaHCO 3 (как отхаркивающее средство, а также для промываний и полосканий при ринитах, ларингитах и других), тиосульфат Na 2 S 2 O 3 ·5H 2 O (противовоспалительное, десенсибилизирующее и противотоксическое средство) и цитрат Na 3 C 6 H 5 O 7 ·5½H 2 O (препарат из группы антикоагулянтов).

Искусственно полученные радиоактивные изотопы 22 Na (период полураспада Т ½ = 2,64 г.) и 24 Na (Т ½ = 15 ч) применяют для определения скорости кровотока в отдельных участках кровеносной системы при сердечно-сосудистых и легочных заболеваниях, облитерирующем эндартериите и других. Радиоактивные растворы солей Натрия (например, 24 NaCl) используют также для определения сосудистой проницаемости, изучения общего содержания обменного Натрия в организме, водно-солевого обмена, всасывания из кишечника, процессов нервной деятельности и в некоторых других экспериментальных исследованиях.

В 1890 г. был разработан электролитический способ получения элемента № 11. По существу, это был перенос в промышленность опыта 80-летней давности - опыта Дэви. Электролизу подвергали расплав едкого натра, только источники энергии были уже иные - более совершенные, чем вольтов столб. Спустя 34 года американский инженер Г. Дауне принципиально изменил процесс электролитического получения натрия, заменив щелочь гораздо более дешевой поваренной солью. В наши дни мировое производство натрия измеряется сотнями тысяч тонн. На что его расходуют?

Прежде всею на производство некоторых соединений элемента №11 - ведь далеко не все они есть в природе. Каменная соль (или ) NaCI, чилийская селитра NaN03, Na3AlF6, глауберова соль Na2SO4 10NаО, Ма2В407 10Н2О и некоторые -вот основные природные . А такие важные натриевые соли, как, например, соду или гипосульфит, приходится получать искусственно. К счастью, производства этих веществ обходятся без металлического натрия. Зато цианид натрия, применяемый в электрохимии и при добыче цветных металлов, выгоднее всего получать, используя в качестве сырья сам элемент №11.

Или другой пример. Производное аммиака - амид натрия NaNH2 - получают в реакции жидкого NH3 с металлическим натрием. Это вещество нестойко, оно бурно реагирует с водой, и вообще, работая с ним, нужно соблюдать не меньше осторожности, чем при работе с металлическим натрием. Амид натрия нужен для получения двух очень важных для нас веществ - синтетического индиго и витамина А. Следовательно, для получения и красителя, и витамина нужен . Нужен он и для производства еще одного важного органического , в составе которого натрия - нет. Интерметаллическое соединение натрия со свинцом (по массе натрия в нем 10%) используют в производстве известного антидетонатора - тетраэтилсвинца. Очевидно, натрию здесь отведена роль инициатора реакции, как в известных опытах С.В.Лебедева с сотрудниками.

В 1928 г. группа ленинградских химиков во главе с профессором С. В. Лебедевым синтезировала первый в мире синтетический каучук, который назвали натрий-бутадиеновым. «Бутадиеновым» - потому, что этот СК - продукт полимеризации бутадиена-1,3, а «натрий-» - оттого, что именно элементный служил катализатором процесса полимеризации.

Исходными веществами в производстве синтетических моющих средств чаще всего бывают высшие спирты (т. е. спирты, молекулы которых содержат длинные цепочки атомов углерода). Эти спирты получают восстановлением соответствующих кислот, а лучший восстановитель в этих реакциях -все тот же ..

Многим, вероятно, покажется странным утверждение, что элемент № 11 нужен транспорту. Тем не менее это так В производстве тетраэтилсвинца - пока еще самого распространенного антидетонатора моторных топлив - в качестве сырья используют сплав свинца с натрием (в соотношении 9:1). Другой сплав на основе свинца, в составе которого 0,58% натрия, необходим железнодорожному транспорту. Ив этого сплава делают подшипники осей железнодорожных вагонов.

Металлический натрий - и твердый и жидкий - очень хорошо проводит и передает тепло. На этом основано его применение в качестве теплоносителя. Такую роль натрий выполняет в довольно многих химических производствах (когда нужен равномерный обогрев с температурой 450- 650°С), в машинах для литья под давлением, в клапанах авиационных двигателей, в атомных реакторах. Для атомной техники важно также, что натрий почти не захваты-вает тепловые нейтроны и не влияет на ход цепной ядерной реакции.

Нельзя забывать еще об одном важном применении натрия. Как один из самых активных восстановителей, элемент № 11 используют для получения некоторых редких металлов, например циркония.

Стоит ли после всего этого удивляться не прекращающемуся росту производства натрия?

Заканчиваем нага рассказ об элементе № 11 словами Дмитрия Ивановича Менделеева, написанными много лет назад, но вдвойне справедливыми для наших дней: «Получение металлического натрия относится к важнейшим открытиям в химии не потому одному, что через расширилось и стало более правильным понятие о простых телах, но потому особенно, что в натрии видны химические свойства, лишь слабо выраженные в других общеизвестных металлах».

Подробный рассказ о химических свойствах натрия опущен по той причине, что это один из немногих разделов химии, которые достаточно полно излагаются в школьных учебниках.

НАТРИЙ НА ПОДВОДНЫХ ЛОДКАХ

Натрий плавится при 98, а кипит только при 883° С. Следовательно, температурный интервал жидкого состояния этого элемента достаточно велик. Именно поэтому (и еще благодаря малому сечению захвата нейтронов) натрий стали использовать в ядерной энергетике как теплоноситель. В частности, американские атомные подводные лодки оснащены энергоустановками с натриевыми контурами. Тепло, выделяющееся в реакторе, нагревает жидкий натрий, который циркулирует между реактором и парогенератором. В парогенераторе патрий, охлаждаясь, испаряет воду, и полученный пар высокого давления вращает паровую турбину. Для тех же целей используют сплав натрия с калием.

НЕОРГАНИЧЕСКИЙ ФОТОСИНТЕЗ. Обычно при окислении натрия образуется окись состава Na20. Однако если сжигать натрий в сухом воздухе при повышенной температуре, вместо окиси образуется перекись Na-202. Это вещество легко отдает свой «липший» атом кислорода и обладает поэтому сильными окислительными свойствами. Одно время перекись натрия широко применяли для отбелки соломенных шляп. Сейчас удельный вес соломенных шляп в использовании перекиси натрия ничтожен; основные количества ее используются для отбелки бумаги и для регенерации воздуха на подводных лодках. При взаимодействии перекиси натрия с углекислым газом протекает процесс, обратный дыханию; 2Na2О2+2C02-2Na2C03+02, т. е. углекислый газ связывается, а выделяется. Совсем как в зеленом листе!

НАТРИЙ И . К тому времени, как был открыт натрий, алхимия была уже не в чести, и мысль превращать натрий в не будоражила умы естествоиспытателей. Однако сейчас ради получения золота расходуется очень много натрия. «Руду золотую» обрабатывают раствором цианистого натрия (а его получают из элементного натрия). При этом превращается в растворимое комплексное соединение, из которого его выделяют с помощью цинка. Золотодобытчики - среди основных потребителей элемента № 11. В промышленных масштабах цианистый натрий получают при взаимодействии натрия, аммиака и кокса при температуре около 800° С.

НАТРИЕВЫЕ ПРОВОДА. Электропроводность натрия в три раза ниже, чем электропроводность меди. Но натрий в 9 раз легче! Выходит, что натриевые провода выгоднее медных. Конечно, тон-кие провода из натрия не делают, но вот шины для больших токов целесообразно изготовлять именно из натрия. Эти шины представляют собой ввваренные с торцов стальные трубы, внутри заполненные натрием. Такие шины дешевле медных.

НАТРИЙ В ВОДЕ

Каждый школьник знает, что произойдет, если бросить кусочек натрия в воду. Точнее, не в воду, а на воду, потому что натрий легче воды. Тепла, которое выделяется при реакции натрия с водой, достаточно, чтобы расплавить натрий, И вот бегает по воде натриевый шарик, подгоняемый выделяющимся водородом. Однако реакция натрия с водой - не только опасная забава; напротив она часто бывает полезной. Натрием надежно очищают от следов воды трансформаторные масла, спирты, эфиры и другие органические , а с помощью амальгамы натрия (т. е. сплава натрия с ртутью) можно быстро определить содержание влаги во многих соединениях. реагирует с водой намного спокойнее, чем сам натрий. Для определения влажности к пробе органического добавляют определенное количество амальгамы натрия и по объему выделившегося водорода судят о содержании влаги.

НАТРИЕВЫЙ ПОЯС ЗЕМЛИ. Вполне естественно, что на Земле натрий никогда не встречается в свободном состоянии - слишком активен этот металл. Но в верхних слоях атмосферы - на высоте около 80 км - обнаружен слой атомарного натрия. На такой высоте практически нет кислорода, паров воды и вообще ничего, с чем натрий мог бы вступить в реакцию. Спектральными методами натрий был обнаружен и в межзвездном пространстве.

ИЗОТОПЫ НАТРИЯ

Природный натрий состоит только из одного изотопа с массовым числом 23. Известны 13 радиоактивных изотопов этого элемента, причем два из них представляют значительный интерес для науки. Натрий-22, распадаясь, излучает позитроны - положительно заряженные частицы, масса которых равна массе электронов. Этот изотоп с периодом полураспада 2,58 года используют в качестве позитронного источника. А изотоп натрий-24 (его период полураспада около 15 часов) применяют в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии - тяжелого заболевания крови.

КАК ПОЛУЧАЮТ НАТРИЙ. Современный электролизер для получения натрия - довольно внушительное сооружение, внешне напоминающее печь. Эта «печка» сложена из огнеупорного кирпича и снаружи окружена стальным кожухом. Снизу через дно электролизера введен графитовый анод, окруженный кольцеобразной сеткой - диафрагмой. Эта сетка не дает возможности натрию проникнуть в анодное пространство, где выделяется .

Иначе натрий сгорел бы в хлоре. Анод, кстати, тоже кольцеобразный. Он сделан из стали. Обязательная принадлежность электролизера - два колпака. Один устанавливают над анодом для сбора хлора, другой - над катодом для отвода натрия.

В электролизере загружают смесь тщательно высушенных хлористого натрия и хлористого кальция. Такая смесь плавится при более пизкой температуре, чем чистый хлористый натрий. Обычно ведут при температуре около 600° С.

На электроды подают постоянный ток напряжением около 6 в; на катоде происходит разряд ионов Na+ и выделение металлического натрия. Натрий всплывает и отводится в специальный сборник (разумеется, без доступа воздуха). На аноде разряжаются ионы хлора Сl- и выделяется газообразный

Стоит ли после всего этого удивляться не прекращающемуся росту производства натрия?

Заканчиваем наш рассказ об элементе № 11 словами Дмитрия Ивановича Менделеева, написанными много лет назад, но вдвойне справедливыми для наших дней: «Получение металлического натрия относится к важнейшим открытиям в химии не потому одному, что через то расширилось и стало более правильным понятие о простых телах, но потому особенно, что в натрии видны химические свойства, лишь слабо выраженные в других общеизвестных металлах».

НАТРИЙ НА ПОДВОДНОЙ ЛОДКЕ. Na плавится при 98, а кипит только при 883°С. Следовательно, температурный интервал жидкого состояния этого элемента достаточно велик. Именно поэтому (и еще благодаря малому сечению захвата нейтронов) натрий стали использовать в ядерной энергетике как теплоноситель. В частности, американские атомные подводные лодки оснащены энергоустановками с натриевыми контурами. Тепло, выделяющееся в реакторе, нагревает жидкий натрий, который циркулирует между реактором и парогенератором. В парогенераторе натрий, охлаждаясь, испаряет воду, и полученный нар высокого давления вращает паровую турбину. Для тех же целей используют сплав натрия с калием.
НЕОРГАНИЧЕСКИЙ ФОТОСИНТЕЗ. Обычно при окислении натрия образуется окись состава Na 2 O. Однако если сжигать натрий в сухом воздухе при повышенной температуре, то вместо окиси образуется перекись Na 2 O 2 . Это вещество легко отдает свой «лишний» атом кислорода и обладает поэтому сильными окислительными свойствами. Одно время перекись натрия широко применяли для отбелки соломенных шляп. Сейчас удельный вес соломенных шляп в использовании перекиси натрия ничтожен; основные количества ее используются для отбелки бумаги и для регенерации воздуха на подводных лодках. При взаимодействии перекиси натрия с углекислым газом протекает процесс, обратный дыханию: 2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2Na 2 CO 3 + O 2 , т. е. углекислый газ связывается, а кислород выделяется. Совсем как в зеленом листе!
НАТРИЙ И ЗОЛОТО. К тому времени, как был открыт №11, алхимия была уже не в чести, и мысль превращать натрий в золото не будоражила умы естествоиспытателей. Однако сейчас ради получения золота расходуется очень много натрия. «Руду золотую» обрабатывают раствором цианистого натрия (а его получают из элементного натрия). При этом золото превращается в растворимое комплексное соединение, из которого его выделяют с помощью цинка. Золотодобытчики - среди основных потребителей элемента № 11. В промышленных масштабах цианистый Na получают при взаимодействии натрия, аммиака и кокса при температуре около 800°С.
НАТРИЕВЫЕ ПРОВОДА. Электропроводность натрия в три раза ниже, чем электропроводность меди . Но натрий в 9 раз легче! Выходит, что натриевые провода выгоднее медных. Конечно, тонкие провода из натрия не делают, но вот шины для больших токов целесообразно изготовлять именно из натрия. Эти шины представляют собой заваренные с торцов стальные трубы, внутри заполненные натрием. Такие шины дешевле медных.

НАТРИЙ В ВОДЕ. Каждый школьник знает, что произойдет, если бросить кусочек натрия в воду. Точнее, не в воду, а на воду, потому что натрий легче воды. Тепла, которое выделяется при реакции натрия с водой, достаточно, чтобы расплавить натрий. И вот бегает по воде натриевый шарик, подгоняемый выделяющимся водородом . Однако реакция натрия с водой - не только опасная забава; напротив она часто бывает полезной. Натрием надежно очищают от следов воды трансформаторные масла, спирты, эфиры и другие органические вещества, а с помощью амальгамы натрия (т. е. сплава натрия с ртутью) можно быстро определить содержание влаги во многих соединениях. Амальгама реагирует с водой намного спокойнее, чем сам натрий. Для определения влажности к пробе органического вещества добавляют определенное количество амальгамы натрия и по объему выделившегося водорода судят о содержании влаги.
НАТРИЕВЫЙ ПОЯС ЗЕМЛИ. Вполне естественно, что на Земле Na никогда не встречается в свободном состоянии - слишком активен этот металл. Но в верхних слоях атмосферы - на высоте около 80 км - обнаружен слой атомарного натрия. На такой высоте практически нет кислорода, паров воды и вообще ничего, с чем натрий мог бы вступить в реакцию. Спектральными методами натрий был обнаружен и в межзвездном пространстве.
ИЗОТОПЫ НАТРИЯ. Природный натрий состоит только из одного изотопа с массовым числом 23. Известны 13 радиоактивных изотопов этого элемента, причем два из них представляют значительный интерес для науки. Натрий-22, распадаясь, излучает позитроны - положительно заряженные частицы, масса которых равна массе электронов. Этот изотоп с периодом полураспада 2,58 года используют в качестве позитронного источника. А изотоп натрий-24 (его период полураспада около 15 часов) применяют в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии - тяжелого заболевания крови.

Как получают натрий

Современный электролизер для получения натрия - довольно внушительное сооружение, внешне напоминающее печь. Эта «печка» сложена из огнеупорного кирпича и снаружи окружена стальным кожухом. Снизу через дно электролизера введен графитовый анод, окруженный кольцеобразной сеткой - диафрагмой. Эта сетка не дает возможности натрию проникнуть в анодное пространство, где выделяется хлор . Иначе элемент №11 сгорел бы в хлоре. Анод, кстати, тоже кольцеобразный. Он сделан из стали. Обязательная принадлежность электролизера - два колпака. Один устанавливают над анодом для сбора хлора, другой - над катодом для отвода натрия.

В электролизере загружают смесь тщательно высушенных хлористого натрия и хлористого кальция. Такая смесь плавится при более низкой температуре, чем чистый хлористый натрий. Обычно электролиз ведут при температуре около 600°С.

На электроды подают постоянный ток напряжением около 6 в; на катоде происходит разряд ионов Na + и выделение металлического натрия. Натрий всплывает и отводится в специальный сборник (разумеется, без доступа воздуха). На аноде разряжаются ноны хлора Cl - и выделяется газообразный хлор - ценный побочный продукт натриевого производства.

Обычно электролизер работает под нагрузкой 25 - 30 тыс. А, при этом в сутки производится 400 - 500 кг натрия и 600 - 700 кг хлора.

«САМЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛ». Так иногда называют натрий. Это не совсем справедливо: в менделеевской таблице нарастание металлических свойств происходит по мере продвижения справа налево и сверху вниз. Так что у аналогов натрия по группе - франция , рубидия , цезия , калия - металлические свойства выражены сильнее, чем у натрия. (Конечно, имеются в виду только химические свойства.) Но и у натрия есть полный комплекс «металлических» химических свойств. Он легко отдает свои валентные электроны (по одному на атом), всегда проявляет валентность 1+ , обладает ярко выраженными восстановительными свойствами. Гидроокись натрия NaOH - сильная щелочь. Все это объясняется строением атома натрия, на внешней оболочке которого один электрон, и с ним атом легко расстается.

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.