Молекулярный вес натрия. Натрий в природе (2,6% в Земной коре)

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 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.

Натрий – простое вещество, расположившееся в первой группе третьего периода периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева. Представляет собой очень мягкий, серебристый щелочной металл, имеющий фиолетовый оттенок, будучи разделённым на тонкие слои. Температура плавления натрия чуть ниже необходимой для закипания воды, а температура кипения – 883 градуса по Цельсию. При комнатной температуре его плотность составляет 0.968 г/см3. Из-за своей низкой плотности при необходимости, натрий возможно разрезать обычным ножом.

Натрий очень распространен на нашей планете: различные его соединения здесь можно найти как в море или земной коре, где он содержится в относительно больших количествах, так и в составе многих живых организмов, но не встречается в живой природе в чистом виде в связи со своей поразительно высокой активностью. Натрий является одним из обязательных микроэлементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека – поэтому для восполнения его естественной убыли из организма необходимо употреблять около 4-5 грамм его соединения с хлором – т.е. обычной поваренной соли.

Натрий в истории

Различные соединения натрия были известны человеку ещё со времён древнего Египта. Египтяне первыми начали активно использовали натрии содержащую соду из солёного озера Натрон для различных житейских нужд. Соединения натрия упоминались даже в библии в качестве компонента моющего средства, однако впервые в чистом виде натрий был получен английским химиком Хемфри Деви в 1807 году,в ходе экспериментов с его производными веществами.

Изначально, натрий именовался sodium – производным от арабского слова, обозначающего головную боль. Слово «натрий» было позаимствовано из египетского языка и впервые, в современной истории, было использовано шведским обществом врачей как обозначение содосодержащих минеральных солей.

Химические свойства натрия

Натрий является активным щелочным металлом – т.е. он очень быстро окисляется при контакте с воздухом и его приходить хранить в керосине, при этом натрий имеет очень низкую плотность и часто всплывает на его поверхность. Являясь очень сильным восстановителем, натрий и вступает в реакции с большинством неметаллов, а будучи металлом активным, реакции с его применением зачастую проходят очень быстро и бурно. Например, если поместить в воду кусочек натрия, то он начинает активно самовоспламеняться, что в итоге приводит к взрыву. Воспламенение и выделение кислорода происходят при реакции натрия и его производных с множеством других веществ, однако с разбавленными кислотами он взаимодействует как обычный металл. С благородными газами, йодом и углеродом натрий в реакцию не вступает, и так же очень плохо реагирует с азотом , образуя при этом довольно неустойчивое вещество в виде тёмно-серых кристаллов – нитрид натрия.

Применение натрия

Основное применение натрий находит в химической промышленности и металлургии, где, чаще всего, он используется в качестве восстановителя, благодаря своим химическим свойствам. Так же его используют в качестве осушителя для таких органических растворителей как эфир и ему подобных; для производства проводов, способных выдерживать огромные напряжения. В этой же сфере натрий применяют как основной компонент в производстве натриево-серных аккумуляторов, имеющих высокую удельную энергию, т.е. меньший расход топлива. Главный недостаток этого типа аккумуляторов – это высокая рабочая температура, а, следовательно – риск воспламенения и взрыва натрия при аварии.

Ещё одна сфера применения натрия – это фармакология, где множество производных натрия используются в качестве реактивов, полупродуктов и вспомогательных веществ при создании различных сложных лекарств, а так же антисептиков. Раствор хлорида натрия относительно сходен плазме крови человека и быстро выводится из организма, поэтому его используют при необходимости поддержания и нормализации давления крови.

На сегодняшний день некоторые соединения натрия – это обязательный компонент при производстве бетона и других строительных материалов. Благодаря использованию материалов, содержащих производные от натрия компоненты их можно использовать при строительных работах во время низких температур.

Из-за своей распространенности и простоты промышленного производства, натрий имеет довольно малую стоимость. Сегодня его производят так же как и при его первом получении — подвергая различные натриесодержащие породы воздействию сильного электрического тока. Благодаря этому, а так же своей необходимости во многих видах промышленности, объемы его производства только растут.

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.

Общие сведения и методы получения

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

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

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

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

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

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

Физические свойства

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

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

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

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

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

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

Механические свойства

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

Химические свойства

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

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

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

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

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

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

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

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

Области применения

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

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