Натрій, енциклопедія Навколосвіт
НАТРИЙ - (Natrium) Na, хімічний елемент 1-й (Ia) групи Періодичної системи, відноситься до лужних елементів. Атомний номер 11, відносна атомна маса 22,98977. У природі є один стабільний ізотоп 23 Na. Відомі шість радіоактивних ізотопів цього елемента, причому два з них представляють інтерес для науки і медицини. Натрій-22 з періодом напіврозпаду 2,58 року використовують як джерело позитронів. Натрій-24 (його період напіврозпаду близько 15 годин) застосовують в медицині для діагностики та для лікування деяких форм лейкемії.
Ступінь окислення +1.
З'єднання натрію відомі з давніх часів. Хлорид натрію - найнеобхідніший компонент людської їжі. Вважається, що людина почала вживати його в неоліті, тобто близько 5-7 тис. років тому.
У 18 ст. хімікам було відомо вже дуже багато різних сполук натрію. Солі натрію широко застосовувалися в медицині, при виробленні шкір, при фарбуванні тканин.
Металевий натрій отримав вперше англійський хімік і фізик Гемфрі Деві електролізом розплавленого гідроксиду натрію (з використанням вольтова стовпа з 250 пар мідних і цинкових пластин). Назва «sodium», вбрання Деві для цього елемента, відображає його походження з соди Na2 CO3. Латинське і російське назви елемента зроблені від арабського «натрун» (природна сода).
Поширення натрію в природі і його промислове витяг.
Величезні відкладення солей натрію в порівняно чистому вигляді існують на всіх континентах. Вони є результатом випаровування древніх морів. Цей процес, як і раніше триває в озері Солт-Лейк (штат Юта), Мертвому морі та інших місцях. Натрій зустрічається у вигляді хлориду NaCl (галіт, кам'яна сіль), а також карбонату Na2 CO3 · NaHCO3 · 2H2 O (трону), нітрату NaNO3 (селітра), сульфату Na2 SO4 · 10H2 O (мирабилит), тетрабората Na2 B4 O7 · 10 H2 O (бура) і Na2 B4 O7 · 4H2 O (Керн) і інших солей.
Невичерпні запаси хлориду натрію є в природних розсолах і океанічних водах (близько 30 кг м -3). Підраховано, що кам'яна сіль в кількості, еквівалентній змістом хлориду натрію в Світовому океані, займала б обсяг 19 млн. Куб. км (на 50% більше, ніж загальний обсяг Північноамериканського континенту вище рівня моря). Призма такого обсягу з площею підстави 1 кв. км може досягти Місяця 47 разів.
Зараз сумарне виробництво хлориду натрію з морської води досягло 6-7 млн. Т в рік, що становить близько третини загального світового видобутку.
В живу речовину в середньому міститься 0,02% натрію; в тварин його більше, ніж в рослинах.
Характеристика простого речовини і промислове отримання металевого натрію.
Натрій - сріблясто-білий метал, в тонких шарах з фіолетовим відтінком, пластичний, навіть м'який (легко ріжеться ножем), свіжий зріз натрію блищить. Величини електропровідності і теплопровідності натрію досить високі, щільність дорівнює 0,96842 г / см 3 (при 19,7 ° С), температура плавлення 97,86 ° С, температура кипіння 883,15 ° С.
У потрійного сплаву, що містить 12% натрію, 47% калію і 41% цезію, - найнижча температура плавлення для металевих систем, рівна -78 ° С.
Натрій і його сполуки забарвлюють полум'я в яскраво-жовтий колір. Подвійна лінія в спектрі натрію відповідає переходу 3s 1-3p 1 в атомах елемента.
Хімічна активність натрію висока. На повітрі він швидко покривається плівкою із суміші пероксиду, гідроксиду і карбонату. У кисні, фтор і хлор натрій горить. При спалюванні металу на повітрі утворюється пероксид Na2 O2 (з домішкою оксиду Na2 O).
З сірої натрій реагує вже при розтиранні в ступці, сірчану кислоту відновлює до сірки або навіть до сульфіду. Твердий діоксид вуглецю ( «сухий лід») при контакті з натрієм вибухає (вуглекислотні вогнегасники для гасіння палаючого натрію застосовувати не можна!). З азотом реакція йде тільки в електричному розряді. Чи не взаємодіє натрій лише з інертними газами.
Натрій активно реагує з водою:
Тепла, яке виділяється при реакції, досить, щоб розплавити метал. Тому, якщо маленький шматочок натрію кинути в воду, він за рахунок теплового ефекту реакції плавиться і крапелька металу, який легший за воду, «бігає» по поверхні води, що підганяється реактивної силою виділяється водню. З спиртами натрій взаємодіє набагато спокійніше, ніж з водою:
Натрій легко розчиняється в рідкому аміаку з утворенням яскраво-блакитних метастабільних розчинів з незвичайними властивостями. При -33,8 ° С в 1000 г аміаку розчиняється до 246 г металевого натрію. Розбавлені розчини мають синій колір, концентровані - колір бронзи. Вони можуть зберігатися близько тижня. Встановлено, що в середовищі рідкого аміаку натрій ионизуется:
Na Na + + e -
Константа рівноваги цієї реакції дорівнює 9,9 · 10 -3. Рік, що минає електрон сольватується молекулами аміаку і утворює комплекс [e (NH3) n] -. Отримані розчини володіють металевою електропровідністю. При випаровуванні аміаку залишається вихідний метал. При тривалому зберіганні розчину він поступово знебарвлюється за рахунок реакції металу з аміаком з утворенням аміду NaNH2 або іміди Na2 NH і виділенням водню.
Зберігають натрій під шаром збезводненої рідини (гас, мінеральне масло), перевозять тільки в запаяних металевих посудинах.
Електролітичний спосіб промислового отримання натрію був розроблений в 1890 році Електролізу піддавали розплав їдкого натру, як в дослідах Деві, але з використанням більш досконалих джерел енергії, ніж вольтів стовп. У цьому процесі поряд з натрієм виділяється кисень:
катод (залізний): Na + + e - = Na
анод (нікелевий): 4OH - - 4e - = O2 + 2H2 O.
При електролізі чистого хлориду натрію виникають серйозні проблеми, пов'язані, по-перше, з близькими температурою плавлення хлориду натрію і температурою кипіння натрію і, по-друге, з високою розчинністю натрію в рідкому хлориде натрію. Додавання до хлориду натрію хлориду калію, фториду натрію, хлориду кальцію дозволяє знизити температуру розплаву до 600 ° С. Виробництво натрію електролізом розплавленої евтектичною суміші (сплав двох речовин з найнижчою температурою плавлення) 40% NaCl і 60% CaCl2 при
580 ° С в осередку, розробленої американським інженером Г.Даунсом, було розпочато в 1921 Дюпоном поблизу електростанції у Ніагарського водоспаду.
На електродах протікають наступні процеси:
катод (залізний): Na + + e - = Na
Ca 2+ + 2e - = Ca
анод (графітовий): 2Cl - - 2e - = Cl2.
Металеві натрій і кальцій утворюються на циліндричній сталевому катоді і піднімаються за допомогою охолоджувальної трубки, в якій кальцій твердне і падає назад в розплав. Хлор, що утворюється на центральному графитовом аноді, збирається під нікелевим склепінням і потім очищається.
Зараз обсяг виробництва металевого натрію становить кілька тисяч тонн в рік.