Применение s-металлов и их соединений

Все 5-металлы нашли широкое практическое использование как в виде простых веществ, так и в виде соединений. С древнейших времен такие соединения щелочных металлов, как поваренная соль (NaCl), сода (Na₂CO_s), поташ (К₉С0₃), калийная селитра (KN0₃), порой определяли ход истории в отдельных регионах. На таких соединениях щелочноземельного металла кальция, как известняк, мрамор (СаС0₃) и гашеная (Са (ОН)₂) и негашеная (СаО) известь, в буквальном смысле держатся фундаменты и стены большей части исторических сооружений всех времен и народов. Однако наиболее полно практическое значение 5-металлов выявилось только после того, как они были получены в чистом виде и оказались вовлеченными в технологические революции XX и XXI вв.

Применение щелочных металлов и их соединений

Литий. Мировое производство лития составляет около 1000 т/год. Металлический литий широко используется в новом поколении химических источников тока (ХИТ) и аккумуляторов. При использовании неводных электролитов литий может использоваться в качестве анода. Литиевые ХИТ и аккумуляторы сегодня являются источниками энергии в компьютерах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и даже в стимуляторах сердца. Они дают ЭДС до 3,5 В.

Металлический литий (изотоп 'Li) применяется как жидкий теплоноситель в атомных реакторах и как компонент сплавов. Добавка всего 0,1% лития к алюминию позволяет получить сплавы аэрон и склерон, которые, помимо легкости, обладают высокой прочностью, пластичностью и стойкостью против коррозии. Рекордным по легкости является сплав, содержащий 14% лития, 1% алюминия и 85% магния. Он имеет плотность всего 1,35 г/см³! Добавка 0,04% лития к свинцово-кальциевым подшипниковым сплавам повышает их твердость и понижает трение. Соли лития являются компонентами высококачественных смазок. Их производство в России — десятки тысяч тонн в год. Порошковые материалы, получаемые спеканием порошков карбида лития с алюминием или титаном, являются легкими жаропрочными материалами для аэрокосмической техники. Литий, точнее его изотоп ⁶1л в виде дейтерида ⁶1лЕ>, является основным компонентом термоядерной взрывчатки (знаменитая «Лидочка» В. Л. Гинзбурга).

Своеобразие химии лития открывает широкие перспективы его использования в самых разнообразных областях. Вот некоторые уникальные свойства лития, еще ждущие своего технического применения. При растворении металла в жидком аммиаке объем раствора всегда больше суммарного объема компонентов. В результате такого разбухания раствора его плотность непрерывно надает с увеличением концентрации (чего не бывает у водных растворов солей и других твердых соединений). Концентрированный раствор лития в жидком аммиаке — самая легкая при обычных условиях жидкость, ее плотность при 20 °C составляет всего лишь 0,48 г/см³ (легче этого раствора только сжиженные при низких температурах водород, гелий и метан). Литию принадлежит и другой своеобразный рекорд: его концентрированный раствор в жидком аммиаке — самый легкоплавкий «металл», который замерзает лишь при -183°С, т. е. при температуре сжижения кислорода (источник: Химия и жизнь. 1985. № 12. С. 24— 28).

Натрий. Металлический натрий — самый объемный и востребованный продукт из всех щелочных металлов. Главная область применения металлического натрия — производство титана, циркония и других металлов восстановлением их хлоридов. Меньшие количества натрия используются для получения таких соединений, 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 делают его (и его сплавы с калием) незаменимым материалом для этих целей. Натрием надежно очищают трансформаторные масла, эфиры и другие органические вещества от следов воды.

Наиболее важными соединениями натрия являются его хлорид (ЫаС1), гидроксид (ЫаОН), карбонат в виде соды (кристаллической — Ыа₂С0₃ • 10Н₂О и кальцинированной — Ыа₂С0₃), сульфат (Ыа₂50₄), нитрат (№Ы0₃) и нитрит (ЫаЫ0₂).

Хлорид натрия — необходимейший компонент человеческой пищи. Считается, что человек начал употреблять его в неолите, т. е. около 5—7 тыс. лет назад. В далеком прошлом соль приравнивалась, но 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 се подавали на столы знатных гостей, прочие же расходились «несолоно хлебавши».

Гидроксид натрия. 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. Электролиз сопровождается концентрированием щелочи в огромных выпаривателях.

Самый большой в мире 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. Кроме того, гидроксид натрия применяется в производстве бумаги и пульпы, мыла и моющих средств, масел, текстиля.

Карбонаты натрия. 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. Гидрокарбонат натрия №НС0₃ (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 °C.

Сульфат натрия. Долгое время сульфат натрия мало использовался. Теперь это вещество — основа бумажной промышленности, так как Ыа₂30₄ является главным реагентом в сульфатной варке целлюлозы для приготовления коричневой оберточной бумаги и гофрированного картона. Древесные стружки или опилки перерабатываются в горячем щелочном растворе сульфата натрия. Он растворяет лигнин (компонент древесины, соединяющий волокна) и освобождает волокна целлюлозы, которые затем отправляют на изготовление бумаги.

Нитрат натрия (чилийская селитра) применяют как удобрение. Он является компонентом жидких солевых хладагентов, закалочных ванн в металлообрабатывающей промышленности, теплоаккумулирующих составов. Тройная смесь из 40% ЫаК0₂, 7% №N0^ и 53% КЫ0₃ может использоваться от температуры плавления (142°С) до ~600°С. Нитрат натрия используется как окислитель во взрывчатых веществах, ракетных топливах, пиротехнических составах и в производстве стекла.

Нитрит натрия КаК0₂, кроме использования с нитратами в качестве теплопроводных расплавов, широко применяется в производстве азокрасителей, для ингибирования коррозии и консервации мяса (источник: http://wvvw.knigosvet.ru/ enc/nallka_i_tehnika/hilтнya/NATRI.htm]?page=0).

Калий. Одна из важнейших областей применения — получение надпероксида К0₉ прямым сжиганием металла на воздухе:

Надпероксид К0₂ — эффективный реагент в системах регенерации воздуха. Процесс протекает по уравнению.

Металлический калий используют как катализатор в производстве некоторых видов синтетического каучука, а также в лабораторной практике. Сплав калия с натрием служит теплоносителем в атомных реакторах. Он же является восстановителем в производстве титана. Из соединений калия следует отметить его хлорид (КС1), гидроксид (КОН), карбонат (К₂С0₃) и нитрат КМ0₃.

Хлорид калия. Калий является важным элементом жизни растений, и развитие диких растений часто ограничивается доступностью калия. При недостатке калия растения медленнее растут, их листья, особенно старые, желтеют и буреют по краям, стебель становится тонким и непрочным, а семена теряют всхожесть. Калийные удобрения являются основным видом калийсодержащей продукции (95%). Больше всего используется КС1, на его долю приходится более 90% калия, используемого в качестве удобрений.

Гидроксид калия. Гидроксид калия КОН — сильное основание, относится к щелочам. Его традиционное название «едкое кали» отражает разъедающее действие этого вещества на живые ткани. В промышленности гидроксид калия получают электролизом водных растворов хлорида или карбоната калия с железным или ртутным катодом (мировое производство составляет около 0,7 млн т/год). Гидроксид калия применяют для получения жидкого мыла и различных соединений калия. Кроме того, он служит электролитом в щелочных аккумуляторах.

Карбонат калия. Карбонат калия К₂С0₃ называют также поташом. Получают при действии углекислого газа на растворы гидроксида калия или суспензии карбоната магния в присутствии хлорида калия. Является побочным продуктом при переработке нефелина в глинозем. Значительное количество карбоната калия содержится в растительной золе. Именно из нее и получали поташ вплоть до XX в., сжигая для этого древесину. Производство было сосредоточено в местах, богатых лесом, — кое-где в Европе, но в основном в России и Северной Америке. Больше всего калия в золе подсолнечника — 36,3%. В золе дров оксида калия значительно меньше — от 3,2% (еловые дрова) до 13,8% (березовые дрова). Еще меньше калия в золе торфа. Карбонат калия применяется главным образом для производства высококачественного стекла, используемого в оптических линзах, трубках цветных телевизоров и флуоресцентных лампах. Применяется и в производстве фарфора, красителей и пигментов.

Нитрат калия. Нитрат калия — отличное удобрение, содержащее одновременно калий и азот, однако применяется меньше, чем хлорид калия, из-за высокой стоимости производства. Нитрат калия используется для изготовления пиротехнических составов, в производстве стекла, спичек и черного пороха. В процессе его приготовления при растирании белого кристаллического (исключительно сухого) нитрата калия КЫ0₃ с углем получается черная смесь. За это порох стали называть черным. При его использовании возникает довольно большое количество дыма — смесь твердых продуктов сгорания — поэтому порох называется также дымным:

В настоящее время такой порох используется в охотничьих патронах и при изготовлении фейерверков.