Что характерно для натрия. Практическая химия. Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического натрия

Натрий и его соединения знакомы людям еще с давних времен. Наверное, самым популярным и общеизвестным соединением является хлорид натрия, больше известный как поваренная соль. Поваренная соль является обязательным компонентом практически любого блюда. Согласно мнению ученых, люди начали употреблять в пищу поваренную соль несколько тысячелетий назад.

Еще одно популярное соединение - карбонат натрия. Карбонат натрия - это обычная сода, которая продается в любом магазине. Вещество также используется людьми с давних времен в качестве моющего средства. Таким образом, с натрием и его соединениями люди ежедневно сталкиваются на протяжении уже многих десятков и сотен лет. Натрий легко вступает в реакцию как с металлическими, так и с неметаллическими элементами, образуя сплавы и соединения, широко применяемые в промышленности. Давайте рассмотрим подробнее свойства и характеристики этого металла.

Характеристика натрия

Физические свойства

Натрий - мягкий пластичный металл, который очень легко можно разрезать ножом. Имеет серебристо-белый цвет, а также характерный металлический блеск. Металл хорошо проводит тепло и электрический ток. Атомы натрия связаны металлической связью.

Химические свойства

Атомы натрия при реакции с другими химическими элементами легко отдают валентные электроны. При этом атомы натрия переходят в ионы с положительным зарядом.

• Натрий очень быстро окисляется на открытом воздухе. Именно поэтому металл обычно хранят в керосине.
• При горении в кислороде образует соединение пироксид натрия (Na 2 O 2)
• При нагревании Натрий вступает в реакцию с водородом, образуя при этом гидрид (2NaH)
• Натрий достаточно легко вступает в реакцию с неметаллами, такими как сера, форфор и другими.
• Также натрий способен вступать в реакцию с металлами. При этом образуются различные сплавы, которые широко используются в производстве и промышленности.
• Натрий вступает в бурную реакцию с водой.

Нахождение натрия в природе

Натрий находится на седьмом месте в списке самых распространенных на Земле элементов. Также натрий является пятым по счету среди самых распространенных металлов. Среди металлов чаще натрия встречаются только алюминий, железо, кальций и магний.

Натрий не встречается в природе в чистом виде. Причина этому - высокая химическая активность натрия. Элемент встречается в природе в виде хлорида, карбоната, нитрата, сульфата и других солей.

Где же встречается натрий в природе?

Во-первых, достаточно большое содержание натрия зафиксировано в земной коре. Доля вещества составляет примерно 2,6%.

Во-вторых, натрий и его соединения в большом количестве встречаются в местах испарения древних морей.

Еще одним местом скопления натрия и его соединений являются океанические воды. Ученые подсчитали, что вся соль, которая есть в Мировом океане составляет объем около 19 миллионов кубических километров.

Также натрий в небольших количествах содержится в живых существах. При этом содержание натрия в животных несколько выше, чем в растениях. Ионы натрия в живых организмах выполняют важнейшую функцию: способствуют передаче нервных импульсов.

Применение натрия в промышленности

Натрий широко используется во многих отраслях промышленности: химической, металлургической, атомной, пищевой, легкой и других отраслях.

В химической промышленности натрий используется для производства различных моющих и чистящих средств, удобрений и антисептиков.

В металлургии натрий используется в процессе получения других веществ, таких как торий, уран, титан, цирконий и других соединений. Натрий в таких реакциях выступает в качестве восстановителя.

Также натрий широко используется в атомной энергетике. Натрий и его сплавы используют в качестве теплоносителя.

В легкой промышленности натрий широко используют для обработки кожи.

Натрий является важнейшим элементом пищевой промышленности. Хлорид натрия, больше известный как поваренная соль, является, пожалуй, самой распространенной пищевой добавкой, без которой не обходится приготовление любого блюда.

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

План лекции:

1. Распространение натрия в природе.

2. Историческая справка.

3. Физические свойства натрия

4. 4.Химические свойства натрия

5. Получение натрия.

6. 6.Получение натрия.

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

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

Распространение н атрия в природе .

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

Физические свойства н атрия

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

Химические свойства н атрия

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

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

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

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

Получение н атрия .

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

Применение н атрия .

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

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

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

Физические свойства

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

Химическая характеристика натрия

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

Как образуются оксиды

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

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

Реакции с галогенами

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

С другими простыми веществами

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

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

Реакции с кислотами

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

Взаимодействие с солями

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

Что будет, если добавить к натрию воду

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

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

Натрий и его воздействие на организмы

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

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

Избыток и недостаток натрия

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

Продукты, в которых много натрия

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

Использование данного металла и некоторых его соединений

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

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

Как получают натрий

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

Качественные реакции

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

Где можно встретить рассматриваемый химический элемент в природе

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

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