Натрий

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 0₃, тенардит Na ₂ S 04, мираболит (глауберова соль) Na ₂ SCv 10Н₂О, трона Na , H ( C 0₃)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 0₄], лазурите (ультрамарин) Na ₃ [ Al ₃ Si ₃ 0|₂] • Na ₂ [ S 0₄], жадеите NaCl [ Si ₂ 0₆] и др.

Ряд соединений натрия, в первую очередь поваренная соль и сода Na ₂ C 0₃ • 10Н₂О, 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 м³/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 s¹. 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 ф₀= =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/м³, пикнометрическая р=0,971 Мг/м³.

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 м³/Кл и /?=— 2,2-Ю-¹⁰ м³/Кл при 371—383 К.

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

Тепловые и термодинамические. Температура плавления натрия /_Пл = =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_субл = 4717 кДж/кг, удель­ная теплота испарения ДЯ_Исп = 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 м³/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 0₂ 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/м³.

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 0₄- 10Н₂О. 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 0₃ — 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 0₃, известная под названием чилийской селитры.