Натрий и его соединения

" Натрий и его соединения"

натрий химический минеральный

Введение

Нахождение в природе натрия и его соединений Физические и химические свойства Получение и применение Токсичность Список литературы

Натрий — химический элемент главной подгруппы I группы периодической системы Менделеева. Его атомный номер 11, атомная масса 22,9898. Натрий — серебристо-белый мягкий металл, на воздухе быстро окисляющийся с поверхности, легко режется ножом. Срез у натрия сразу после разреза имеет яркий металлический блеск, но быстро тускнеет вследствие крайне быстрого окисления металла. Природный элемент состоит из одного стабильного изотопа Na.

Природные соединения натрия (поваренная соль NaCI, сода NaCO) известны с глубокой древности. Название «натрий», происходящее от арабского натрун, греческого 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.

Нахождение в природе натрия и его соединений

Натрий — типичный элемент верхней части земной коры. Среднее содержание его в литосфере 2,5% по массе, в кислых изверженных породах (граниты и др.) 2,77%, в основных (базальты и др.) 1,94%, в ультраосновных (породы мантии) 0,57%. Благодаря изоморфизму Na и Ca, 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. Натрий 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 озёрах степей и пустынь осаждаются соли натрия, формирующие толщи соленосных пород. Главные минералы, являющиеся источником натрия и его соединений, — галит (каменная соль) NaCI, чилийская селитра NaNO, тенардит NaSO, мирабилит или глауберова соль NaSO10HO, трона NaH(CO)2HO, бура NaBO10HO, сильвинит KCI NaCI. Мировая добыча натрия оценивается 110 тонн. Na — важный биоэлемент, в живом веществе в среднем содержится 0,02% натрия. В животных его больше, чем в растениях. Натрий — один из основных элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. Содержится главным образом во внеклеточных жидкостях (в эритроцитах человека около 10 ммоль/кг, в сыворотке крови 143 ммоль/кг); содержание натрия в тканях растений около 0,01% на сырую массу.

Физические и химические свойства

При обычной температуре натрий кристаллизуется в кубической решётке, а=4,28. Атомный радиус 1,86, ионный радиус Na 0,92. Плотность 0,968 г/см (19,7С), t=97,83С, t=882,9С; удельная теплоёмкость (20С) 1,2310дж/(кгК) или 0,295 кал/(гград); коэффициент теплопроводности 1,3210 вт/(мК) или 0,317 кал/(смсекград); температурный коэффициент линейного расширения (20С) 7,110 удельное электрическое сопротивление (0С) 4,310омм (4,310 омсм). Натрий парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость +9,210; весьма пластичен и мягок (легко режется ножом).

Натрий относится к щелочным металлам, так как его оксид имеет сильноосновный характер, и образуемый им гидроксид является сильным электролитом — щелочью. Нормальный электродный потенциал натрия -2,714 В; электродный потенциал в расплаве — 2,4 В. Пары натрия окрашивают пламя в характерный ярко-жёлтый цвет (качественная реакция на катионы щелочных металлов). Электронная конфигурация атома натрия 1s2s2p3s. Натрий, как все щелочные металлы, имеет один s-электрон на внешнем электронном слое, который при химических реакциях легко теряет, проявляя степень окисления +1 (во всех известных соединениях натрий одновалентен). Поэтому Na является сильным восстановителем. В твёрдом состоянии хорошо проводит электрический ток. Так как натрий легкоплавок и быстро окисляется на воздухе, его хранят без доступа воздуха и влаги, чаще всего под керосином. Натрий образует соединения с преимущественно ионной связью, которые, как правило, растворимы в воде и легко диссоциируют на ионы. Для ионов щелочных металлов образование устойчивых комплексов нехарактерно. Химическая активность натрия очень высока. Ряд солей кристаллизуется из раствора в форме кристаллогидратов: NaSO10HO, NaCO10HO, NaBO 10HO, являющихся по своей структуре тектогидратами. Тектогидраты имеют строение льда, в полостях которого равномерно расположены противоположно заряженные ионы.

Химические свойства:

Взаимодействие с простыми веществами:

1) Реакция с галогенами: 2Na + CI= 2NaCI (хлорид натрия) С фтором и хлором натрий взаимодействует непосредственно при обычной температуре (энергично сгорает в хлоре, что особенно хорошо наблюдать в хлоркальциевой трубке, в которой через расплавленный и сильно разогретый натрий пропускают ток хлора), с бромом — только при нагревании; с йодом прямого взаимодействия не наблюдается.

Хлорид натрия (поваренная соль) NaCI кристаллизуется в виде кубических кристаллов, не имеет запаха, обладает солёным вкусом, хорошо растворим в воде. С изменением температуры его растворимость почти не меняется. Это имеет определенное значение при выделении поваренной соли из растворов других солей методом перекристаллизации.

2) Реакция с кислородом: 4Na + O= 2NaO (оксид натрия)

2Na + O= NaO (пероксид натрия) При непосредственном взаимодействии с кислородом в зависимости от условий образуются окись NaO (окисление в небольшом количестве кислорода при температуре около 180С) или перекись NaO — бесцветные кристаллические вещества. Оксид натрия — твёрдое гигроскопичное вещество, легко взаимодействующее с водой, имеет сильноосновный характер. При взаимодействии с водой образует щелочь (едкий натр):

NaO +HO = 2NaOH

Гидроксид натрия или едкий натр NaOH является очень важным соединением натрия. Его называют также каустической содой или просто каустиком. Для получения едкого натра используют поваренную соль — наиболее дешёвое природное соединение натрия. Эту соль подвергают электролизу, но в этом случае применяют не расплав, а раствор соли. Едкий натр — твёрдое кристаллическое вещество белого цвета, прекрасно растворимое в воде. При растворении едкого натра в воде выделяется большое количество тепла, и раствор сильно разогревается. Едкий натр необходимо хранить в хорошо закупоренных сосудах, чтобы предохранить его от проникновения водяных паров, под действием которых он может сильно увлажниться, а также оксида углерода (IV), под действием которого едкий натр может постепенно превратиться в карбонат натрия:

2NaOH + CO = NaCO +HO

Пероксид натрия (желтоватый порошок) является сильнейшим окислителем. При действии воды он образует щелочь и пероксид водорода (если процесс вести при нагревании, то вследствие разложения HO выделяется кислород):

NaO+2HO = HO + 2NaOH

При действии разбавленных кислот на пероксид натрия образуется пероксид водорода: NaO +HSO= NaSO+HO

С углекислым газом воздуха пероксид натрия реагирует по уравнению:

2NaO + 2CO= 2NaCO +O

Поэтому его используют в дыхательных аппаратах для регенерации воздуха — поглощения оксида углерода (IV) и выделения кислорода.

На воздухе натрий мгновенно окисляется. Поэтому его хранят под слоем органических растворителей (керосин или парафин, причем парафин предпочтительнее, так как в керосине всё же растворяется некоторое количество воздуха и окисление натрия, хотя и медленно, но происходит).

В реакциях с галогенами и кислородом натрий наиболее энергично проявляет восстановительные способности.

3) Реакция с серой: 2Na + S = NaS (сульфид натрия) При растирании в ступке с серой натрий реагирует бурно, образуя натрия сульфид. Реакция сопровождается вспышками, поэтому ступку нужно держать подальше от глаз и обернуть руку полотенцем. Для реакции берут небольшие кусочки натрия.

4) Реакция с азотом: 6Na + N= 2NaN (нитрид натрия) Взаимодействие паров натрия с азотом в поле тихого электрического разряда приводит к образованию нитрида натрия.

5) Реакция с углеродом: 2Na + C = NaC (карбид натрия) Взаимодействие паров натрия с углеродом при 800−900С приводит к получению карбида NaC.

6) Реакция с фосфором: 3Na + P = NaP (фосфид натрия)

7) Реакция с водородом: 2Na + H= 2NaH (гидрид натрия) Реакция натрия с водородом начинается при 200С и приводит к получению гидрида NaH — бесцветного гигроскопичного кристаллического вещества. Это солеподобное соединение, которое по характеру химической связи и величине степени окисления отличается от летучих водородных соединений элементов главных подгрупп IV — VII группы.

Натрий является сильным восстановителем, поэтому восстанавливает водород до степени окисления -1.

Взаимодействие со сложными веществами:

1) С кислотами: 2Na + 2HCI = 2NaCI +H

В электрохимическом ряду напряжений металлов натрий находится до водорода, поэтому восстанавливает ионы водорода из разбавленных кислот.

Минеральные кислоты образуют с натрием соответствующие растворимые в воде соли, однако по отношению к 98−100%-ной серной кислоте натрий сравнительно инертен.

2) С водными растворами солей:

Натрий, как металл с сильными восстановительными свойствами, в этих условиях будет восстанавливать водород воды, а не металл соответствующей соли.

3) С водой: 2Na + 2HOH = 2NaOH + H

Натрий реагирует с водой, вытесняя из неё водород (так как является весьма активным металлом, в ряду напряжений стоит намного левее водорода), при обычных условиях, и в результате этой реакции образуется растворимое в воде основание NaOH и выделяется H; реакция может сопровождаться взрывом.

4) С аммиаком:

Натрий растворяется в жидком аммиаке (34,6 г на 100 г NH при 0С) с образованием аммиачных комплексов. При пропускании газообразного аммиака через расплавленный натрий при 300−350С образуется амид натрия NaNH — бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагаемое водой.

5) Со спиртами: 2CHOH + 2Na = 2CHONa + H

При взаимодействии натрия со спиртами водород гидроксила замещается натрием с образованием алкоголятов (этилат натрия).

Известно большое число натрийорганических соединений, которые по химическим свойствам весьма сходны с литийорганическими соединениями, но превосходят их по реакционной способности. Применяют натрийорганические соединения в органическом синтезе, как алкилирующие агенты.

Сплавы. Натрий входит в состав многих практически важных сплавов. Сплавы Na — K, содержащие 40−90% K (по массе) при температуре около 25С, — 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 твёрдыми веществами.

Получение и применение

Основной промышленный метод получения натрия — электролиз расплава поваренной соли NaCI, содержащей добавки KCI, NaF, CaCI и др. (пироэлектрометаллургия), которые снижают температуру плавления соли до 575−585С. Электролиз чистого NaCI привёл бы к большим потерям натрия от испарения, так как температуры плавления NaCI (801С) и кипения Na (882,9С) очень близки. Электролиз проводят в электролизёрах с диафрагмой (анодное и катодное пространство разделено диафрагмой, которая изолирует образующийся хлор от натрия, чтобы не произошло обратной реакции), катоды изготовляют из железа или меди, аноды — из графита. Одновременно с натрием получают хлор. В расплавленную соль опускают электроды. Положительный ион натрия принимает с катода электрон и превращается в нейтральный атом натрия. Нейтральные атомы натрия собираются на катоде в виде расплавленного металла. Происходящий на катоде процесс можно изобразить схемой: Na+

Поскольку на катоде происходит принятие электронов, а всякое принятие электронов атомом или ионом является восстановлением, то ионы натрия на катоде восстанавливаются. На аноде ионы хлора отдают электроны, т. е. происходит процесс окисления и выделения свободного газообразного хлора, что можно изобразить следующей схемой: CI;

Сохранился и старый способ получения натрия — электролиз расплавленного едкого натра NaOH, который значительно дороже NaCI, однако электролитически разлагается при более низкой температуре (320−330С).

Натрий и его сплавы широко применяются как теплоносители для процессов, требующих равномерного обогрева в интервале 450−650С — 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, Ta) методами металлотермии; в органическом синтезе — в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации и др. Иногда натрием заменяют в электротехнике медь, которая в 9 раз тяжелее этого металла; шины для больших токов делают из стальных труб, заполненных натрием. Первый в мире синтетический каучук, полученный в 1928 году академиком С. В. Лебедевым, был назван натрийбутадиеновым, так как натрий явился катализатором процесса полимеризации бутадиена. Натрий используют как восстановитель в органическом синтезе, в частности для восстановления жирных кислот в высшие спирты, применяемые в производстве синтетических моющих средств.

В медицине из препаратов натрия наиболее часто применяют натрия сульфат NaSO, хлорид NaCI (при кровопотерях, потерях жидкости, рвоте и т. п.), борат NaBO10HO (как антисептическое средство), гидрокарбонат NaHCO (как отхаркивающее средство, а также для промываний и полосканий при ринитах, ларингитах, диабете и др.), тиосульфат NaSO5HO (противовоспалительное, десенсибилизирующее и противотоксическое средство) и цитрат NaCHO5HO (препарат из группы антикоагулянтов).

Фторид натрия NaF довольно широко применяется в борьбе с грызунами и с некоторыми насекомыми-вредителями, а также для предохранения древесины от гниения. Им пропитывают шпалы, телеграфные столбы, строительные деревянные детали для удлинения срока их службы.

Гидрокарбонат натрия, или питьевая сода, NaHCO, применяется при выпечке кондитерских изделий как разрыхлитель теста.

Исключительный интерес представляет сода NaCO, встречающаяся иногда в природе в так называемых содовых озёрах. В настоящее время добывание соды из природных источников вытесняется более дешёвым искусственным получением этого продукта. Если сода содержит кристаллизационную воду, то она называется кристаллической содой NaCO10HO, если же не содержит её, то кальцинированной содой. Сода очень широко применяется в мыловаренной, бумажной и стекольной промышленности (карбонат натрия NaCO (сода) нужен для производства стекла, алюминия, моющих средств и красок).

Соединения натрия находят широкое применение в текстильной промышленности. Так, гидроксид натрия (едкий натр, каустическая сода) NaOH применяется при мерсеризации (облагораживании) целлюлозных тканей, создания необходимой для активации целлюлозы щелочной среды при белении и крашении. NaPO 2HO является в настоящее время одним из основных компонентов отбеливающих стиральных порошков. Сульфид натрия NaS используют при крашении сернистыми красителями. Силикат натрия NaSiO применяется в пероксидной отбелке, являясь стабилизатором разложения пероксида водорода. Соду NaCO используют в отделочном производстве (в составе варочной жидкости). Сульфат натрия NaSO применяют при производстве вискозного волокна (в составе осадительной ванны). Гипохлорит натрия NaCIO, NaCIO используют в гипохлоритной и хлоритной отбелке:

2NaOH + CI= NaCI + NaCIO + HO

Процесс идёт при пропускании хлора через холодный концентрированный (30%) раствор едкого натра. Гипохлорит натрия очень легко разлагается с выделением атомарного кислорода. Выделяющийся атомарный кислород можно использовать для отбеливания тканей, для дезинфекции ран (0,5 — 1% раствор).

NaCIO + HO + CO= NaHCO +HCIO

NaOH применяется также в бумажной промышленности, в мыловарении, в производстве искусственных волокон, в гальванотехнике, для очистки нефтяных продуктов и фракций каменноугольной смолы. NaOH применяют для щелочной очистки плодов и овощей (корнеплодов, цитрусовых, помидоров и др.), которая облегчается из-за щелочного гидролиза некоторых веществ, приводящего к нарушению связи кожуры с мякотью. Крепким раствором NaOH очищают котлы и радиаторы от накипи. Хлорид натрия NaCI используют в химической промышленности для получения хлора, едкого натра, соды, хлорной извести, некоторых видов пластмасс и органических соединений. Натриевую селитру NaNO используют как минеральное удобрение. Силикат натрия NaSiO — один из немногих растворимых в воде силикатов. Его называют растворимым стеклом, а раствор — жидким стеклом. Растворимым стеклом пропитывают древесину и ткани, чтобы предохранить их от воспламенения. Жидкое стекло входит в состав огнеупорных замазок для склеивания стекла, фарфора, камня. Нитрит натрия NaNO применяют в качестве ингибитора, замедляющего коррозию стали в воде и растворах солей (создаёт на поверхности металла защитную плёнку).

Амид натрия NaNH, получаемый при взаимодействии жидкого аммиака с натрием, нужен для производства синего красителя — индиго и витамина А.

В основном пероксид натрия NaO используют для отбелки бумаги и регенерации воздуха в подводных лодках; ранее он широко применялся для отбеливания соломенных шляп.

Для определения содержания влаги в органических веществах их смешивают с амальгамой (раствором в ртути) натрия. В результате взаимодействия с водой выделяется эквивалентное количество H, по объёму которого находят содержание влаги во взятой пробе.

Широкое применение в быту имеют такие соединения натрия как поваренная соль NaCI и сода NaCO. Суточная потребность человека в хлористом натрии колеблется от 2 до 10 г и зависит от количества этой соли, теряемой с потом.

Искусственно полученные радиоактивные изотопы Na (период полураспада T =2,64 г) и Na (T= 15 ч) применяют для определения скорости кровотока в отдельных участках кровеносной системы при сердечно-сосудистых и лёгочных заболеваниях, облитерирующем эндартериите и др. Радиоактивные растворы солей натрия (например, NaCI) используют также для определения сосудистой проницаемости, изучения общего содержания обменного натрия в организме, водно-солевого обмена, всасывания из кишечника, процессов нервной деятельности и в некоторых др. экспериментальных исследованиях.

Натрий — один из основных элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. Участвует в поддержании осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия, в проведении нервных импульсов. Концентрация ионов натрия в организме регулируется в основном гормоном коры надпочечников — альдостероном. Несмотря на относительно высокое содержание натрия в тканях растений (около 0,01% на сырую массу), его роль в жизни растений изучена недостаточно. У галофитов (виды, произрастающие на сильно засоленных почвах) натрий создаёт высокое осмотическое давление в клеточном соке и тем самым способствует извлечению воды из почвы.

Токсичность

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 тяжёлые ожоги.

Загоревшийся щелочной металл нельзя тушить водой. Лучше всего засыпать его порошком кальцинированной соды.

Едкий натр при попадании на кожу может причинить сильные ожоги, поэтому кристаллическую щелочь следует брать не руками, а только щипцами или пинцетом. При попадании на кожу раствора щелочи необходимо, прежде всего, смыть раствор до исчезновения ощущения мылкости большим количеством воды, а затем нейтрализовать раствором борной кислоты.

Список литературы

1. Ситтиг М. «Натрий, его производство, свойства и применение», пер. с англ., 1961.

2. — Краткая химическая энциклопедия, т.3,1964.

3. — Рипан Р., Четяну И. «Неорганическая химия», т.1, пер. с рум., 1971.

4. Павлов Н. Н. «Общая и неорганическая химия», издательство «Дрофа», 2002.

5. Крючкова-Чернобельская Г. М. «Неорганическая химия», 3-е изд., издательство «Медицина», 1980.