Натрий

11 НеонНатрийМагний
Внешний вид простого вещества
Свежесрезанный натрий Серебристо-белый мягкий металл
Свойства атома
Имя, символ, номер

Натрий/Natrium (Na), 11

Атомная масса
(молярная масса)

22, 989768 а. е. м. (г/моль

)
Электронная конфигурация

[Ne] 3s1

Радиус атома

190 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

154 пм

Радиус иона

97 (+1e) пм

Электроотрицательность

0, 93 (шкала Полинга

)
Электродный потенциал

-2, 71 в

Степени окисления

1

Энергия ионизации
(первый электрон)

495, 6(5, 14) кДж/моль (эВ

)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

0, 971 г/см³

Температура плавления

370, 96 K (97, 81°C

)
Температура кипения

1156, 1 K (882, 95°C

)
Теплота плавления

2, 64 кДж/моль

Теплота испарения

97, 9 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

28, 23[1] Дж/(K·моль

)
Молярный объём

23, 7 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая объемноцентрированая

Параметры решётки

4, 2820 Å

Температура Дебая

150 K(-123.15°C

)
Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 142, 0 Вт/(м·К

)
11
Натрий
Na
22, 989
[Nе]3s1

На́трий — элемент главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 11. Обозначается символом Na (латNatrium). Простое вещество натрий (CAS-номер: 7440-23-5) — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета

.

Содержание

История и происхождение названия

Натрий (а точнее, его соединения) использовался с давних времён. Например, сода (натрон), встречается в природе в водах натронных озёр в Египте. Природную соду древние египтяне использовали для бальзамирования, отбеливания холста, при варке пищи, изготовлении красок и глазурей. Плиний Старший пишет, что в дельте Нила соду (в ней была достаточная доля примесей) выделяли из речной воды. Она поступала в продажу в виде крупных кусков, из-за примеси угля окрашенных в серый или даже чёрный цвет

.

Название «натрий» происходит от латинского слова natrium (ср. др.-греч. νίτρον), которое было заимствовано из среднеегипетского языка (nṯr), где оно означало среди прочего: «сода», «едкий натр»[2]

.

Аббревиатура «Na» и слово natrium были впервые использованы академиком, основателем шведского общества врачей Йенсом Якобсом Берцелиусом (Jöns Jakob Berzelius, 1779—1848) для обозначения природных минеральных солей, в состав которых входила сода[3]. Ранее элемент именовался содием (латsodium). Название sodium, возможно, восходит к арабскому слову suda, означающему «головная боль», так как сода применялась в то время в качестве лекарства от головной боли[4]

.

Натрий впервые был получен английским химиком Хемфри Дэви в 1807 году электролизом расплава гидроксида натрия

.

Нахождение в природе

Кларк натрия в земной коре 25 кг/т. Содержание в морской воде в виде соединений — 10, 5 г/л[5]. Металлический натрий встречается как примесь, окрашивающая каменную соль в синий цвет. Данную окраску соль приобретает под действием радиации

.

Получение

Промышленное получение натрия по способу Девилля, распространённое в 19 веке. AC — железная трубка со смесью соды, угля и мела; B — холодильник Донни и Мареска; R — приёмник с нефтью.

Первым промышленным способом получения натрия стала карботермическая реакция восстановления карбоната натрия углем при нагревании тесной смеси этих веществ в железной ёмкости до 1000 °C (способ Девилля) [6]

:
\mathsf{Na_2CO_3 + 2C \ \xrightarrow{1000^oC}\ 2Na + 3CO. }

Аналогично, могут быть использованы карбид кальция, алюминий, кремний, ферросилиций, силикоалюминий. [7] [8]

С появлением электроэнергетики стал более практичен другой способ получения натрия — электролиз расплава едкого натра или хлорида натрия. В настоящее время электролиз — основной способ получения натрия

.

Натрий также можно получить циркониетермическим методом, а также термическим разложением азида натрия

.

Физические свойства

Металлический натрий, сохраняемый в масле
Качественное определение натрия с помощью пламени — ярко-жёлтый цвет эмиссионного спектра «D-линии натрия», дублет 588, 9950 и 589, 5924 нм.

Натрий — серебристо-белый металл[9], 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/см³ (при 19, 7 °C), температура плавления 97, 86 °C, температура кипения 883, 15 °C

.

Под давлением становится прозрачным и красным, как рубин[9]

.

При комнатной температуре натрий образует кристаллы в кубической сингонии, пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0, 42820 нм, Z = 2. При температуре -268°С (5 К) натрий переходит в гексагональную фазу, пространственная группа P 63/mmc, параметры ячейки a = 0, 3767 нм, c = 0, 6154 нм, Z = 2

.

Химические свойства

Щелочной металл, на воздухе легко окисляется. Для защиты от кислорода воздуха металлический натрий хранят под слоем керосина

.
\mathsf{4Na + O_2 \ \xrightarrow{\ }\ 2Na_2O }

При горении на воздухе или в кислороде образуется пероксид натрия

:
\mathsf{2Na + O_2 \ \xrightarrow{\ }\ Na_2O_2 }

С водой натрий реагирует очень бурно, реакция идёт с выделением водорода, который может самовоспламениться или взорваться, куски металла всплывают на поверхность и могут расплавиться

:
\mathsf{2Na + 2H_2O \ \xrightarrow{\ }\ 2NaOH + H_2\uparrow }

Как и все щелочные металлы, натрий является сильным восстановителем и энергично взаимодействуют со многими неметаллами (за исключением азота, иода, углерода, благородных газов

):
\mathsf{2Na + Cl_2 \ \xrightarrow{\ }\ 2NaCl }
\mathsf{2Na + H_2 \ \xrightarrow{250-400^oC, p}\ 2NaH }

Натрий более активный чем литий. С азотом реагирует крайне плохо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество — нитрид натрия (в противоположность нитриду лития

):
\mathsf{6Na + N_2 \ \xrightarrow{\ }\ 2Na_3N }

С разбавленными кислотами взаимодействует как обычный металл

:
\mathsf{2Na + 2HCl \ \xrightarrow{\ }\ 2NaCl + H_2\uparrow }

С концентрированными окисляющими кислотами выделяются продукты восстановления

:
\mathsf{8Na + 10HNO_3 \ \xrightarrow{\ }\ 8NaNO_3 + NH_4NO_3 + 3H_2O}

Растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор

:
\mathsf{Na + 4NH_3 \ \xrightarrow{-40^oC}\ Na[NH_3]_4 }

С газообразным аммиаком взаимодействует при нагревании

\mathsf{2Na + 2NH_3 \ \xrightarrow{350^oC}\ 2NaNH_2 + H_2 }

С ртутью образует амальгаму натрия, которая используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла. При сплавлении с калием даёт жидкий сплав

.

Алкилгалогениды с избытком металла могут давать натрийорганические соединения — высокоактивные соединения, которые обычно самовоспламеняются на воздухе и взрываются с водой

.

Применение

Металлический натрий широко используется в препаративной химии и промышленности как сильный восстановитель, в том числе в металлургии. Используется для осушения органических растворителей, например, эфира. Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. Его также применяют в выпускных клапанах грузовиков как теплоотвод. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов

.

В сплаве с калием, а также с рубидием и цезием используется в качестве высокоэффективного теплоносителя. В частности, сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % имеет рекордно низкую температуру плавления −78 °C и был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для атомных энергоустановок

.

Натрий также используется в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) очень широко применяются в уличном освещении. Они дают ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12-24 тысяч часов. Поэтому газоразрядные лампы типа ДНаТ незаменимы для городского, архитектурного и промышленного освещения. Также существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути

).

Металлический натрий применяется в качественном анализе органического вещества. Сплав натрия и исследуемого вещества нейтрализуют этанолом, добавляют несколько миллилитров дистиллированной воды и делят на 3 части, проба Ж. Лассеня (1843), направлена на определение азота, серы и галогенов (проба Бейльштейна

)

Хлорид натрия (поваренная соль) — древнейшее применяемое вкусовое и консервирующее средство

.

Азид натрия (NaN3) применяется в качестве азотирующего средства в металлургии и при получении азида свинца

.

Цианид натрия (NaCN) применяется при гидрометаллургическом способе выщелачивания золота из горных пород, а также при нитроцементации стали и в гальванотехнике (серебрение, золочение

).

Хлорат натрия (NaClO3) применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне

.

Изотопы натрия

В настоящее время (2012 г.) известно 20 изотопов с массовыми числами от 18 до 37 и 2 ядерных изомера натрия. Единственный стабильный изотоп 23Na. У большинства изотопов период полураспада меньше одной минуты. Существуют также 2 радиоактивных изотопа с большим периодом полураспада. Это претерпевающий позитронный распад 22Na с периодом полураспада 2, 6027 года, его используют в качестве источника позитронов и в научных исследованиях. 24Na, с периодом полураспада электронного типа 15 часов, используется в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии

.

Биологическая роль

В высших организмах натрий находится большей частью в межклеточной жидкости клеток (примерно в 15 раз больше чем в цитоплазме клетки). Разность концентраций поддерживает встроенный в мембраны клетки натрий-калиевый насос, откачивающий ионы натрия из цитоплазмы в межклеточную жидкость

.

Совместно с калием натрий выполняет следующие функции

:

Рекомендуемая доза натрия составляет для детей от 600 до 1700 миллиграммов, для взрослых от 1200 до 2300 миллиграммов в день. В виде поваренной соли это составляет от 3 до 6 граммов в день

.

Натрий содержится практически во всех продуктах, хотя большую его часть организм получает из поваренной соли. Усвоение в основном происходит в желудке и тонкой кишке. Витамин Д улучшает усвоение натрия, однако, чрезмерно солёная пища и пища богатая белками препятствуют нормальному всасыванию. Количество поступившего с едой натрия показывает содержание натрия в моче. Для богатой натрием пищи характерна ускоренная экскреция

.

Дефицит натрия у питающегося сбалансированной пищей человека не встречается, однако, некоторые проблемы могут возникнуть при вегетарианских диетах и голодании. Временный дефицит может быть вызван использованием мочегонных препаратов, поносом, обильным потением или избыточным употреблением воды. Симптомами нехватки натрия являются потеря веса, рвота, образование газов в желудочно-кишечном тракте, и нарушение усвоения аминокислот и моносахаридов. Продолжительный дефицит вызывает мышечные судороги и невралгию

.

Переизбыток натрия вызывает отек ног и лица, а также повышенное выделение калия с мочой. Максимальное количество соли, которое может быть переработано почками составляет примерно 20-30 граммов, большее количество уже опасно для жизни

.

Меры предосторожности

В лабораториях небольшие количества натрия (примерно до 1 кг) хранят в закрытых стеклянных банках под слоем керосина, так, чтобы керосин покрывал весь металл. Банка с натрием должна храниться в металлическом несгораемом шкафу (сейфе). Натрий берут пинцетом или щипцами, отрезают скальпелем (натрий пластичен и легко режется ножом) на сухой поверхности (не на столе, а в стеклянной чашке) необходимое количество и остаток тут же возвращают в банку под слой керосина, а отрезанный кусок либо помещают в сухой керосин, либо тут же вводят в реакцию. Прежде чем приступить к работе с натрием, необходимо пройти инструктаж по технике безопасности, лица, впервые приступающие к работе с натрием, должны производить эту работу под наблюдением сотрудников, имеющих опыт такой работы. Обычно в лабораторных условиях для реакций используют количества натрия, не превышающие нескольких десятков грамм. Для демонстративных опытов, Например, в школе на уроках химии стоит брать не более одного грамма натрия. После работы с металлическим натрием всю посуду и остатки натрия заливают неразбавленным спиртом и полученный раствор нейтрализуют слабым раствором кислоты. Следует обратить особое внимание, чтобы все остатки и обрезки натрия были полностью нейтрализованы до их выбрасывания, так как натрий в мусорном ведре может вызвать пожар, а в канализационном сливе может вызвать разрушение трубы. Хранить натрий дома и производить с ним какие-либо опыты не рекомендуется

.

Воспламенение и даже взрыв металлического натрия при соприкосновении с водой и многими органическими соединениями может нанести серьёзные травмы и ожоги. Попытка взять кусочек металлического натрия голыми руками может привести к его воспламенению (иногда взрыву) из-за влажности кожи и образованию тяжелейших ожогов натрием и образующейся щелочью. Горение натрия создает аэрозоль оксида, пероксида и гидроксида натрия, обладающего разъедающим действием. Некоторые реакции натрия протекают очень бурно (например, с серой, бромом

).

Примечания

  1. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 178. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8
  2. Петровский Н. С., ЕГИПЕТСКИЙ ЯЗЫК. Введение в иероглифику, лексику и очерк грамматики среднеегипетского языка. Л., 1958. (стр. 83)
  3. Thomas Thomson, Annals of Philosophy
  4. Newton, David E.. Chemical Elements. ISBN 0-7876-2847-6.
  5. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  6. Д.Менделеев, Основы химии, 7 изд., СПб, 1903, С.386.
  7. А. Ф. Алабышев, К. Д Грачев, С. А. Зарецкий, М. Ф. Лантратов, Натрий и калий (получение, свойства, применение), Л: Гос. н-т. изд-во хим. лит., 1959, С.255.
  8. А. Г. Морачевский, И. А. Шестеркин, В. Б. Буссе-Мачукас и др., Натрий. Свойства, производство, применение (Под. ред. А. Г. Морачевского), СПб: Химия, 1992, С.186. ISBN 5-7245-0760-9
  9. 1 2 Газета. Ру: Элементы под давлением

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.