Натрий


Натрий (латинское Natrium, обозначается символом Na) — элемент с атомным номером 11 и атомным весом 22,98977. Является элементом главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Простое вещество натрий — мягкий, легкоплавкий (tпл 97,86 °С), пластичный, легкий (плотность 0,968 г/см3), щелочной металл серебристо-белого цвета.

Природный натрий состоит всего из одного изотопа с массовым числом 23. Всего в настоящее время известно 15 изотопов и 2 ядерных изомера. У большинства искусственно полученных радиоактивных изотопов период полураспада меньше минуты. Только два изотопа имеют относительно долгий период полураспада: излучающий позитроны 22Na с периодом полураспада 2,6 года, который используют в качестве источника позитронов и в научных исследованиях и 24Na с периодом полураспада 15 часов используемый в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии.

Натрий в виде различных соединений известен с древних времен. Хлорид натрия (NaCl) или поваренная соль — одно из важнейших жизненно необходимых соединений, считается, что оно стало известно человеку еще в неолите, то есть, получается, что человечество употребляет хлорид натрия более шести тысяч лет! В ветхом завете существует упоминание вещества под названием «нетер», оно использовалось в качестве моющего средства. Скорее всего — это сода, карбонат натрия, который содержится в водах солевых озер в Египте.

В XVIII веке химикам уже было известно большое количество соединений натрия, соли этого металла широко применялись в медицине и текстильной промышленности (при окраске тканей и дублении кож). Однако металлический натрий был получен лишь в 1807 году английским химиком Хэмфри Дэви.

Важнейшие области применения натрия — это атомная энергетика, металлургия, промышленность органического синтеза. В атомной энергетике натрий и его сплав с калием применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей. В металлургии натрийметаллическим методом получают ряд тугоплавких металлов, восстанавливая натрием KOH, выделяют калий. Кроме того, натрий используют как добавку, которая упрочняет свинцовые сплавы. В промышленности органического синтеза натрий используется при получении многих веществ. Натрий выступает в роли катализатора при получении некоторых органических полимеров. Важнейшие соединения натрия — оксид натрия Na2O, пероксид натрия Na2O2 и гидроксид натрия NaOH. Пероксид натрия применяется при отбеливании тканей, для регенерации воздуха в изолированных помещениях. Гидроксид натрия – один из важнейших продуктов основной химической промышленности. В колоссальных количествах он потребляется для очистки продуктов переработки нефти. Кроме того, гидроксид натрия широко применяется в мыловаренной, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности, а также при производстве искусственного волокна.

Натрий — один из важнейших элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. В человеческом организме натрий в виде растворимых солей (хлорида, фосфата, бикарбоната) содержится в основном во внеклеточных жидкостях — плазме крови, лимфе, пищеварительных соках. Осмотическое давление плазмы крови поддерживается на необходимом уровне, прежде всего за счет хлорида натрия.

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.

Биологические свойства


Натрий относится к группе макроэлементов, которые совместно с микроэлементами играют важную роль в минеральном обмене животных и человека. Макроэлементы содержатся в организме в значительных количествах, составляя в среднем от 0,1 до 0,9 % массы тела. Содержание натрия в теле взрослого человека составляет 55—60 г на 70 кг веса. Главным образом элемент номер одиннадцать содержится во внеклеточных жидкостях: в крови — 160-240 мг, в плазме — 300—350 мг, в эритроцитах — 50—130 мг. Костная ткань содержит до 180 мг натрия, эмаль зубов гораздо богаче этим макроэлементом — 250 мг. В легких концентрируется до 250 мг, в сердце 185 мг натрия. Мышечная ткань содержит натрия около 75 мг.

Основная функция натрия в организме людей, животных и даже растений — поддержание вводно-солевого баланса в клетках, регулирование осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия. По этой причине содержание натрия в клетках растений довольно высокое (около 0,01 % на сырую массу), натрий создает высокое осмотическое давление в клеточном соке и тем самым способствует извлечению воды из почвы. В организме человека и животных натрий отвечает за нормализацию нервно-мышечной деятельности (участвует в нормальном проведении нервных импульсов) и сохраняет необходимые минеральные вещества в крови в растворенном состоянии. Вообще роль натрия в регулировании обмена веществ гораздо шире, ведь этот элемент необходим для нормального роста и состояния организма. Натрий играет роль «курьера», доставляя различные вещества к каждой клетке, например, сахара в крови. Он препятствует возникновению теплового либо солнечного удара, обладает также ярко выраженным сосудорасширяющим действием.

Натрий активно взаимодействует с другими элементами, так совместно с хлором они предотвращают утечку жидкости из кровеносных сосудов в прилежащие ткани. Однако главным «напарником» натрия является калий, в сотрудничестве с которым, они выполняют большинство выше перечисленных функций. Оптимальная суточная доза натрия для детей составляет от 600 до 1 700 миллиграммов, для взрослых от 1 200 до 2 300 миллиграммов. В эквиваленте поваренной соли (самый популярный и доступный источник натрия) это соответствует 3—6 граммам в день (в 100 граммах пищевой соли содержится 40 грамм натрия). Суточная потребность в натрии главным образом зависит от количества солей, теряемых с потом, и может доходить до 10 грамм NaCl. Натрий содержится практически во всех продуктах (в значительном количестве в ржаном хлебе, куриных яйцах, твердом сыре, говядине и молоке), однако большую часть организм получает за счет поваренной соли. Усвоение одиннадцатого элемента происходит главным образом в желудке и тонкой кишке, витамин D способствует лучшему усвоению натрия. В тоже время, пища богатая белком и особо соленая может привести к затруднению всасывания. Концентрация ионов натрия в организме регулируется в основном гормоном коры надпочечников — альдостероном, почки либо удерживают, либо выделяют натрий, в зависимости от того злоупотребляет человек или недополучает натрий. По этой причине при нормальных внешних условиях и правильной работе почек не может наступить ни дефицит, ни профицит натрия. Недостаток этого элемента может возникнуть при ряде вегетарианских диет. Кроме того, обильные потери натрия с потом несут люди тяжелых физических профессий и спортсмены. Недостаток натрия возможен и при различных отравлениях, сопровождающихся обильным потоотделением, рвотой, диареей. Однако такой дисбаланс легко восполнить минеральной водой, с которой организм получает не только натрий, но и определенное количество других минеральных солей (калия, хлора и лития).

При недостатке натрия (гипонатриемия) возникают такие проявления, как потеря аппетита, снижение вкусовых ощущений, желудочные спазмы, тошнота, рвота, газообразование, как следствие всего этого — сильная потеря в весе. Продолжительный дефицит вызывает мышечные судороги и невралгию: пациент может испытывать трудность балансировки при ходьбе, головокружение и быструю утомляемость, возможно наступление шокового состояния. К симптомам дефицита натрия также причисляют проблемы с памятью, внезапные перемены настроения, депрессию.

Переизбыток натрия вызывает задержку воды в организме, как следствие — повышение плотности крови, следовательно, повышение артериального давления (гипертония), отеки и болезни сосудов. Кроме того, избыток натрия приводит к повышенному выделению калия с мочой. Максимальное количество соли, которое может быть переработано почками составляет примерно 20—30 граммов, большее количество уже опасно для жизни!

В медицине используется большое количество препаратов натрия, наиболее часто применяемые — сульфат натрия, хлорид (при кровопотерях, потерях жидкости, рвоте); тиосульфат Na2S2O3∙5H2O (противовоспалительное и противотоксическое средство); борат Na2B4О7∙10H2O (антисептическое средство); гидрокарбонат NaHCO3 (как отхаркивающее средство, а также для промываний и полосканий при ринитах, ларингитах).


Интересные факты


Поваренная соль — незаменимая и ценная приправа к пище была известна еще в древнейшие времена. В наши дни хлорид натрия дешевый продукт совместно с углем, известняком и серой он входит в так называемую «большую четверку» минерального сырья, наиболее существенного для химической промышленности. А ведь были времена, когда соль приравнивалась по цене к золоту. Так, например, в древнем Риме легионерам часто платили жалование не деньгами, а солью, отсюда и произошло слово солдат. В Киевскую Русь соль доставляли из Прикарпатья, а также из соляных озер и лиманов Черного и Азовских морей. Добыча и доставка ее обходилась настолько дорого, что на торжественных пирах ее подавали на столы только знатных гостей, прочие же расходились «несолоно хлебавши». Даже после присоединения Астраханского царства с его соленосными озерами Прикаспия к Руси цена на соль ниже не стала, что вызвало недовольство самых бедных слоев населения, которое переросло в восстание, известное под названием Соляного Бунта (1648). Петр I в 1711 году ввел монополию на торговлю солью, как на стратегически важное сырье, исключительное право на торговлю солью для государства просуществовало до 1862 года. До сих пор сохранилась древняя традиция встречать гостей «хлебом да солью», что означало делиться самым дорогим, что есть в доме.

Всем хорошо известно выражение: «Чтобы узнать человека, нужно с ним пуд соли съесть», однако мало кто задумывался над смыслом данной фразы. Подсчитано, что в год человек потребляет до 8 килограмм хлорида натрия. Получается, что крылатое выражение, подразумевает всего лишь один год — ведь пуд соли (16 кг) вдвоем можно съесть именно за этот период.

Электропроводность натрия в три раза ниже, чем электропроводность меди. Однако натрий в девять раз легче, получается, что натриевые провода, если бы они существовали, стоили бы дешевле медных. Правда, существуют стальные шины, заполненные натрием, предназначенные для больших токов.

Подсчитано, что каменная соль в количестве, эквивалентном содержанию хлорида натрия в Мировом океане, занимала бы объем 19 млн куб. км (на 50 % больше, чем общий объем Североамериканского континента выше уровня моря). Призма такого объема с площадью основания 1 км2 может достичь Луны 47 раз! Солью, извлеченной из морских вод, можно было бы засыпать всю сушу земного шара слоем в 130 м! Сейчас суммарное производство хлорида натрия из морской воды достигло 6—7 млн т. в год, что составляет около трети общей мировой добычи.

При взаимодействии перекиси натрия с углекислым газом протекает процесс, обратный дыханию:

2Na2О2 + 2СО2 → 2Na2CО3 + О2

В ходе реакции углекислый газ связывается, а кислород выделяется. Данная реакция нашла применение на подводных лодках для регенерации воздуха.

Интересный факт установили канадские ученые. Они обнаружили, что у вспыльчивых и раздражительных людей натрий быстро выводится из организма. У спокойных и доброжелательных людей, а также у тех, кто испытывает положительные эмоции, например, у влюбленных, это вещество усваивается хорошо.

C помощью натрия на расстоянии 113 тыс. км от Земли 3 января 1959 года была создана искусственная комета вбрасыванием в мировое пространство натриевых паров с борта советского космического аппарата, летящего к Луне. Яркое свечение натриевой кометы позволило уточнить траекторию первого летательного аппарата, прошедшего по маршруту Земля — Луна.

Источниками, содержащими большое количество натрия, являются: очищенная морская соль, качественные соевые соусы, различные рассолы, квашеная капуста, мясные бульоны. В небольшом количестве одиннадцатый элемент присутствует в морской капусте, устрицах, крабах, свежей моркови и свекле, цикории, сельдереи и одуванчике.


История


Природные соединения натрия — поваренная соль NaCl и сода Na2CO3 — известны человеку с глубокой древности. Древние египтяне использовали природную соду, добываемую из вод содовых озер, для бальзамирования, отбеливания холста, при варке пищи, изготовлении красок и глазурей. Данное соединение египтяне называли neter, впрочем, этот термин относился не только к природной соде, но и к щелочи вообще, в том числе получаемой из золы растений. Об этом веществе, но уже под названием «nitron» упоминают и более поздние греческие (Аристотель, Диоскорид) и римские (Плутарх) источники. Древнеримский историк Плиний Старший писал, что в дельте Нила соду (он называет ее «nitrum») выделяли из речной воды, в виде крупных кусков она поступала в продажу. Имея большое количество примесей, в первую очередь угля, такая сода имела серый, а порой даже черный цвет. В арабской средневековой литературе фигурирует термин «natron», от которого постепенно в XVII—XVIII вв. образуется термин «натра», то есть основание, из которого можно получить поваренную соль. От «натра» произошло современное название элемента.

Современная аббревиатура «Na» и латинское слово «natrium» были впервые использованы в 1811 году академиком, основателем шведского общества врачей Йенсом Якобом Берцелиусом для обозначения природных минеральных солей, в состав которых входила сода. Этот новый термин сменил первоначальное название «sodium», которое дал металлу английский химик Хэмфри Дэви первый получивший металлический натрий. Считается, что Дэви руководствовался латинским наименованием соды — «soda», хотя есть и другое предположение: в арабском языке есть слово «suda», обозначающее головную боль, в древние времена этот недуг врачевали именно содой. Стоит отметить, что в ряде стран Западной Европы (Великобритания, Франция, Италия), а также в Соединенных Штатах Америки натрий носит название sodium.

Несмотря на то, что соединения натрия были известны очень давно, получить металл в чистом виде удалось лишь в 1807 году, совершил это английский химик Хэмфри Дэви в результате электролиза слегка увлажненного твердого едкого натра NaOH. Дело в том, что традиционными химическими методами получить натрий не могли — из-за высокой активности металла, способ же Дэви опережал научную мысль и технические разработки того времени. В начале XIX века единственным реально применимым и подходящим источником тока был вольтов столб. Тот, которым воспользовался Дэви, имел 250 пар медных и цинковых пластин. Процесс, описанный Д.И. Менделеевым в одной из своих работ, был крайне сложен и энергоемок: «Соединяя с положительным (от меди или угля) полюсом кусок влажного (чтобы достичь гальванопроводности) едкого натра и выдолбив в нем углубление, в которое налита была ртуть, соединенная с отрицательным полюсом (катодом) сильного вольтова столба, Дэви заметил, что в ртути растворяется, при пропускании тока, особый металл, менее летучий, чем ртуть, и способный разлагать воду, вновь образуя едкий натр». Из-за большой энергоемкости щелочной способ получил промышленное распространение лишь в конце XIX века — с появлением более совершенных источников энергии, а в 1924 году американский инженер Г. Даунс принципиально изменил процесс электролитического получения натрия, заменив щелочь гораздо более дешевой поваренной солью.

Год спустя после открытия Дэви Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар получили натрий не электролизом, а при помощи реакции едкого натра с железом, нагретым до красного каления. Еще позднее Сент-Клер Девиль разработал метод, по которому натрий получали, восстанавливая соду углем в присутствии известняка.


Нахождение в природе


Натрий один из самых распространенных элементов — шестой по количественному содержанию в природе (из неметаллов больше только кислорода — 49,5 % и кремния — 25,3 %) и четвертый среди металлов (более распространены лишь железо — 5,08 %, алюминий — 7,5 % и кальций — 3,39 %). Его кларк (среднее содержание в земной коре) по разным оценкам составляет от 2,27 % по массе до 2,64 %. Большая часть этого элемента находится в составе различных алюмосиликатов. Натрий — типичный элемент верхней части земной коры, это легко прослеживается по степени содержания металла в различных породах. Так наибольшая концентрация натрия — 2,77 % по массе — в кислых изверженных породах (граниты и ряд других), в основных породах (базальты и подобные) среднее содержание одиннадцатого элемента составляет уже 1,94 % по массе. В ультраосновных породах мантии самое низкое содержание натрия — всего 0,57 %. Бедны одиннадцатым элементом и осадочные породы (глины и сланцы) — 0,66 % по массе, небогато натрием и большинство почв — среднее содержание порядка 0,63 %.

Вследствие своей высокой химической активности в природе натрий встречается исключительно в виде солей. Общее число известных минералов натрия более двухсот. Однако важнейшими, являющимися основными источниками получения этого щелочного металла и его соединений, считаются далеко не все. Стоит упомянуть галит (каменная соль) NaCl, мирабилит (глауберова соль) Na2SO4•10H2O, чилийская селитра NaNO3, криолит Na3[AlF6], тинкал (бура) Na2B4O7∙10Н2О, трона NaHCO3∙Na2CO3∙2Н2О, тенардит Na2SO4, а также природные силикаты, например альбит Na[AlSi3O8], нефелин Na[AlSiO4], содержащие помимо натрия и другие элементы. В результате изоморфизма Na+ и Ca2+, который обусловлен близостью их ионных радиусов, в магматических породах образуются натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы).

Натрий — главный металлический элемент в морской воде, подсчитано, что в водах Мирового океана содержится 1,5•1016 тонн солей натрия (средняя концентрация растворимых солей в водах Мирового океана примерно 35 промилле, что составляет 3,5 % по массе, на долю натрия из них приходится 1,07 %). Столь высокая концентрация обусловлена так называемым круговоротом натрия в природе. Дело в том, что этот щелочной металл довольно слабо задерживается на континентах и активно переносится водами рек в моря и океаны. При испарении в прибрежно-морских лагунах, а также в континентальных озерах степей и пустынь осаждаются соли натрия, формирующие толщи соленосных пород. Подобного рода отложения солей натрия в сравнительно чистом виде существуют на всех континентах, как результат испарения древних морей. Эти процессы происходят и в наше время, примером могут служить озера Солт-Лейк, расположенное в штате Юта (США), Баскунчак (Россия, Ахтубинский район), соленые озера Алтайского края (Россия), а также Мертвое море и прочие подобные места.

Каменная соль образует обширные подземные месторождения (нередко в сотни метров толщиной), которые содержат более 90 % NaCl. Типичное Чеширское соляное месторождение (главный источник хлорида натрия в Великобритании) занимает площадь 60 на 24 км и имеет толщину соляного пласта около 400 м. Одно это месторождение оценивается более чем в 1011 т.

Кроме того, натрий — важный биоэлемент, он содержится в относительно больших количествах в живых организмах (в среднем 0,02 %, главным образом в виде NaCl), причем в животных его больше, чем в растениях. Наличие натрия установлено в атмосфере Солнца и межзвездном пространстве. В верхних слоях атмосферы (на высоте около 80 километров) обнаружен слой атомарного натрия. Дело в том, что на такой высоте практически полностью отсутствуют кислород, водяные пары и прочие вещества, с которыми мог бы взаимодействовать натрий.


Применение


Металлический натрий и его соединения довольно широко используются в различных отраслях промышленности. Благодаря своей высокой реакционной способности этот щелочной металл используется в металлургии в качестве восстановителя для получения методом металлотермии таких металлов, как ниобий, титан, гафний, цирконий. Еще в первой половине XIX века натрий применяли для выделения алюминия (из хлористого алюминия), в наши дни одиннадцатый элемент и его соли по-прежнему используется в качестве модификатора при производстве некоторых сортов литейных алюминиевых сплавов. Также натрий используется в сплаве на основе свинца (0,58 % Na), который применяется при изготовлении осевых подшипников железнодорожных вагонов, щелочной металл в этом сплаве является упрочняющим элементом. Натрий и его сплавы с калием — жидкие теплоносители в ядерных реакторах — ведь оба элемента имеют малые сечения поглощения тепловых нейтронов (для Na 0,49 барн). Кроме того, эти сплавы отличаются высокими температурами кипения и коэффициентами теплопередачи и не взаимодействуют с конструкционными материалами при высоких температурах, развиваемых в энергетических ядерных реакторах, таким образом, не влияя на ход цепной реакции.

Однако не только атомная энергетика использует натрий в качестве переносчика тепла — элемент №11 широко применяется как теплоноситель для процессов, требующих равномерного обогрева в интервале температур от 450 до 650 °C — в клапанах авиационных двигателей, в выпускных клапанах грузовиков, в машинах для литья под давлением. Сплав натрия, калия и цезия (Na 12 %, K 47 %, Cs 41 %) имеет рекордно низкую температуру плавления (всего 78 °C), по этой причине он был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей. В химической промышленности натрий применяют при производстве цианистых солей, синтетических моющих средств (детергенидов), фармацевтических препаратов. В производстве искусственного каучука натрий играет роль катализатора, соединяющего молекулы бутадиена в продукт, не уступающий по свойствам лучшим сортам естественного каучука. Соединение NaPb (10 % Na по массе) применяется в производстве тетраэтилсвинца — наиболее эффективного антидетонатора. Пары натрия используют для наполнения газоразрядных ламп высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Натриевая лампа наполнена неоном и содержит небольшое количество металлического натрия, при включении такой лампы разряд начинается в неоне. Тепло, выделяющееся при разряде, испаряет натрий, и, спустя некоторое время, красный свет неона сменяется желтым свечением натрия. Натриевые лампы являются мощными источниками света с высоким КПД (в лабораторных условиях до 70 %). Высокая экономичность натриевых ламп дала возможность использовать их для освещения автострад, вокзалов, пристаней и других масштабных объектов. Так, лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая), дающие ярко-желтый свет очень широко применяются в уличном освещении, срок службы таких ламп составляет 12—24 тысяч часов. Кроме того, существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути). Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. В органическом синтезе натрий используется в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации и других. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

Не менее широко используются и многочисленные соединения натрия: поваренная соль NaCl используется в пищевой промышленности; гидроксид натрия NaOH (каустическая сода) используется в мыловаренной промышленности, при производстве красок, в целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности, при производстве искусственного волокна, а также в качестве электролита. Сода — карбонат натрия Na2CO3 применяется в стекольной, целлюлозно-бумажной, пищевой, текстильной, нефтяной и других отраслях промышленности. В сельском хозяйстве в качестве удобрения широко используется натриевая соль азотной кислоты NaNO3, известная под названием чилийской селитры. Хлорат натрия NaClO3 применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне. Фосфат натрия Na3PO4 — компонент моющих средств, применяют в производстве стекол и красок, в пищевой промышленности, в фотографии. 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). Силикаты mNa2O•nSiO2 — компоненты шихты в производстве стекла, для получения алюмосиликатных катализаторов, жаростойких, кислотоупорных бетонов.


Производство


Как известно впервые металлический натрий был получен в 1807 году английским химиком Дэви путем электролиза едкого натра NaOH. С научной точки зрения выделение щелочных металлов — грандиозное открытие в области химии. Однако промышленность тех лет не могла оценить значимость данного события — во-первых, для производства натрия в промышленных масштабах в начале XIX века просто еще не существовало необходимых мощностей, во-вторых, никто не знал, где бы мог пригодиться мягкий металл, вспыхивающий при взаимодействии с водой. И если первую трудность в 1808 году решили Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар, получив натрий, не прибегая к энергоемкому электролизу, при помощи реакции едкого натра с железом, нагретым до красного каления, то вторую задачу — область применения — удалось решить лишь в 1824 году, когда с помощью натрия был выделен алюминий. Во второй половине XIX века Сент-Клер Девиль разработал новый метод получения металлического натрия – путем восстановления соды углем в присутствии известняка:

Na2CO3 + 2C → 2Na + 3CO

В 1886 году этот метод был усовершенствован. Однако уже в 1890 году в промышленность был внедрен электролитический способ получения натрия. Таким образом, идея Хэмфри Дэви в промышленных масштабах была реализована лишь спустя 80 лет! Все поиски и изыскания закончились возвращением к первоначальному способу. В 1924 году американский инженер Даунс удешевил процесс электролитического получения натрия, заменив щелочь гораздо более дешевой поваренной солью. Данная модернизация повлияла на производство металлического натрия, которое выросло с 6 тысяч тонн (1913 год) до 180 тысяч тонн (1966 год). Метод Даунса лег в основу современного способа получения металлического натрия.

Сейчас основной промышленный метод получения металлического натрия — электролиз расплава поваренной соли NaCl (побочным продуктом процесса является хлор) с добавками КСl, NaF или СаСl2, которые понижают температуру плавления соли до 575—585 °C. В противном случае электролиз чистого хлорида натрия привел бы к большим потерям металла от испарения, так как температуры плавления NaCl (801 °C) и кипения металлического натрия (882,9 °C) очень близки. Процесс происходит в стальном электролизере с диафрагмой. Современный электролизер для получения натрия — внушительное сооружение, напоминающее печь. Агрегат сложен из огнеупорного кирпича, который снаружи окружен стальным кожухом. Сквозь днище электролизера введен графитовый анод, окруженный кольцеобразной сеткой — диафрагмой, которая препятствует проникновению натрия в анодное пространство, где осаждается хлор. В противном случае натрий просто сгорел бы в хлоре.

Кольцеобразный катод изготовляется из железа или меди. Над катодом и анодом устанавливаются колпаки для отвода натрия и хлора. В электролизер загружают смесь тщательно высушенных хлористого натрия и хлористого кальция, мы уже знаем, что подобная смесь плавится при более низкой температуре, чем чистый хлористый натрий. Обычно процесс идет при температуре около 600 °C. На электроды подают постоянный ток напряжением около 6 B, при этом на катоде происходит разряд ионов Na+ и выделение металлического натрия, который всплывает и отводится в специальный сборник. Естественно процесс идет без доступа воздуха. На аноде разряжаются ионы хлора Сl– и выделяется газообразный хлор — ценный побочный продукт натриевого производства. За сутки работы электролизера производится 400—500 кг натрия и 600—700 кг хлора. Получаемый таким образом металл очищают от примесей (хлоридов, оксидов и прочих) добавлением в расплавленный натрий смеси NaOH + Na2CO3 + NaCl или Na2O2; обработкой расплава металлическим литием, титаном или сплавом титан-цирконий, низшими хлоридами TiCl3, TiCl2; вакуумной дистилляцией.


Физические свойства


Хэмфри Дэви не только первым получил металлический натрий, но и первым исследовал его свойства. Докладывая в Лондоне об открытии новых элементов (калия и натрия), химик впервые продемонстрировал ученой аудитории образцы новых металлов. Кусочек металлического натрия английский химик хранил под слоем керосина, с которым натрий не взаимодействовал и не окислялся в его среде, сохраняя свой блестящий серебристый цвет. Кроме того, натрий (плотность при 20 °C равна 0,968 г/см3) тяжелее керосина (плотность при 20 °C при различной степени очистки составляет 0,78-0,85 г/см3) и не всплывает на его поверхности, следовательно, не подвергается окислению кислородом и углекислым газом. Обычной демонстрацией сосуда с образцом нового металла Дэви не ограничился, достав натрий из керосина, химик бросил образец в бадью с водой. К всеобщему удивлению, металл не утонул, а начал активно двигаться по поверхности воды, плавясь на небольшие блестящие капельки, часть которых воспламенялась. Дело в том, что плотность воды (при 20 °C равна 0,998 г/см3) больше плотности этого щелочного металла, по этой причине натрий не тонет в воде, а плавает в ней, активно с ней взаимодействуя. Публика была поражена подобной «презентацией» нового элемента.

Что же мы сейчас можем рассказать о физических свойствах натрия? Одиннадцатый элемент периодической системы — мягкий (легко режется ножом, поддается прессованию и прокатке), легкий блестящий серебристо-белый металл, быстро тускнеющий на воздухе. Тонкие слои натрия имеют фиолетовый оттенок, под давлением металл становится прозрачным и красным, как рубин. При обычной температуре натрий кристаллизуется в кубической решетке со следующими параметрами: а = 4,28 A, атомный радиус 1,86 A, ионный радиус Na+ 0,92 A. Потенциалы ионизации атома натрия (эВ) 5,138; 47,20; 71,8; электроотрицательность металла 0,9. Работа выхода электронов 2,35 эВ. Данная модификация устойчива при температуре выше -222 °C. Ниже этой температуры устойчива гексагональная модификация со следующими параметрами: а = 0,3767 нм, с = 0,6154 нм, z = 2.

Натрий — легкоплавкий металл, его температура плавления всего 97,86 °C. Получается, что этот металл мог бы плавиться в кипящей воде, если бы активно не взаимодействовал с ней. Причем при плавлении плотность натрия снижается на 2,5 %, однако происходит увеличение объема на ΔV = 27,82∙10-6 м3/кг. При повышении давления возрастает температура плавления металла, достигая 242° C при 3 ГПа и 335 °C при 8 ГПа. Температура кипения расплавленного натрия 883,15° С. Теплота испарения натрия при нормальном давлении = 3869 кДж/кг. Удельная теплоемкость одиннадцатого элемента (при комнатной температуре) 1,23•103 дж/(кг•К) или 0,295 кал/(г•град); коэффициент теплопроводности натрия равен 1,32•102 вт/(м•К) или 0,317 кал/(см•сек•град). Температурный коэффициент линейного расширения для этого щелочного металла (при температуре 20 °C) составляет 7,1•10-5. Удельное электрическое сопротивление натрия (при 0 °C) равно 4,3•10-8 ом•м (4,3•10-6 ом•см). При плавлении удельное электрическое сопротивление натрия возрастает в 1,451 раза. Натрий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость +9,2•10-6. Твердость натрия по Бринеллю HB = 0,7 МПа. Модуль нормальной упругости при растяжении при комнатной температуре E = 5,3 ГПа. Сжимаемость натрия х = 15,99∙10-11 Па-1. Натрий весьма пластичный металл, легко деформируется на холоду. Давление истечения натрия, по данным Н. С. Курнакова и С. Ф. Жемчужного, находится в пределах 2,74—3,72 МПа в зависимости от диаметра выходного отверстия.


Химические свойства


В химических соединениях, включая гидриды, натрий проявляет степень окисления + 1. Одиннадцатый элемент относится к числу наиболее реакционноспособных металлов, поэтому в чистом виде в природе не встречается. Даже при комнатной температуре он активно реагирует с кислородом воздуха, водяными парами и углекислым газом, образуя на поверхности рыхлую корку из смеси пероксида, гидроксида и карбоната. По этой причине металлический натрий хранится под слоем обезвоженной жидкости (керосин, минеральное масло). Благородные газы незначительно растворяются в твердом и жидком натрии, при 200 °С натрий начинает поглощать водород, образуя весьма гигроскопичный гидрид NaH. С азотом этот щелочной металл реагирует крайне слабо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество — нитрид натрия:

6Na + N2 → 2Na3N

Нитрид натрия устойчив в сухом воздухе, но моментально разлагается водой или спиртом с образованием аммиака.

При непосредственном взаимодействии натрия с кислородом в зависимости от условий образуется оксид Na2O (при горении натрия в недостаточном количестве кислорода) или пероксид Na2O2 (при сжигании натрия на воздухе или в избытке кислорода). Оксид натрия проявляет ярко выраженные основные свойства, бурно реагирует с водой с образованием гидроксида NaОН — сильного основания:

Na2O + H2O → 2NaOH

Гидроксид натрия — хорошо растворимая в воде щелочь (в 100 г воды при 20 °C растворяется 108 г NaOH) в виде твердых белых гигроскопичных кристаллов, разъедает кожу, ткани, бумагу и другие органические вещества. При растворении в воде выделяет большое количество тепла. На воздухе гидроксид натрия активно поглащает углекислый газ и превращается в карбонат натрия:

2NаОН + СO2 → Na2СО3 + Н2О

По этой причине гидроксид натрия необходимо хранить в герметичных сосудах. В промышленности NaOH получается путем электролиза водных растворов NaCl или Na2CO3 c применением ионообменных мембран и диафрагм:

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2

Пероксид натрия представляет собой бледно-желтый порошок, который плавится без разложения, Na2O2 является очень сильным окислителем. Большинство органических веществ при соприкосновении с ним воспламеняются. При взаимодействии Na2O2 с углекислым газом выделяется кислород:

2Na2О2 + 2СО2 → 2Na2CО3 + О2

Металлический натрий, как и его окислы, активно взаимодействует с водой с образованием гидроксида NaOH и выделением водорода, при большой поверхности контакта, реакция протекает с взрывом. Со спиртами натрий взаимодействует намного спокойнее, чем с водой, в результате получается алкоголят натрия. Так, реагируя с этанолом, натрий дает этанолят натрия С2Н5ОNa:

2Na + 2C2H5OH → 2C2H5ONa + H2

Натрий растворяется почти во всех кислотах с образованием большого количества солей:

2Nа + 2НСl → 2NаСl + Н2

Кислородсодержащие кислоты, взаимодействуя с натрием, восстанавливаются:

2Na + 2Н2SO4 → SO2 + Na2SO4 + 2H2O

В атмосфере фтора и хлора натрий самовоспламеняется, с бромом реагирует при нагревании, с йодом прямого взаимодействия не возникает. С серой реагирует бурно, при растирании в ступке, образуя сульфиды переменного состава. Сульфид натрия Na2S получают путем восстановления сульфата натрия углеродом. Очень распространенное соединение натрия с серой и кислородом — так называемая глауберова соль Na2SO4∙10Н2О. Кроме серы активно реагирует с селеном и теллуром с образованием халькогенидов составов Na2X, NaX, NaX2, Na2X5.

Натрий растворяется в жидком аммиаке (34,6 г на 100 г NH3 при 0 °C) с образованием аммиачных комплексов (раствор синего цвета, обладающий металлической проводимостью). При испарении аммиака остается исходный металл, при длительном хранении раствора он постепенно обесцвечивается за счет реакции металла с аммиаком с образованием амида NaNH2 или имида Na2NH и выделением водорода. При пропускании газообразного аммиака через расплавленный натрий при 300—350 °C образуется натрийамин NaNH2 — бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагаемое водой.

При 800—900 °С газообразный натрий с углеродом образует карбид (ацетиленид) Na2C2. С графитом натрий образует соединения включения.

Натрий образует ряд интерметаллидов — с серебром, золотом, оловом, свинцом, висмутом, цезием, калием и другими металлами. Не образует соединений с барием, стронцием, магнием, литием, цинком и алюминием. С ртутью натрий образует амальгамы — интерметаллиды состава NaHg2, NaHg4, NaHg8, NaHg, Na3Hg2, Na5Hg2, Na3Hg. Значимы жидкие амальгамы (содержат менее 2,5 % по массе натрия), получаемые постепенным введением натрия в ртуть, находящуюся под слоем керосина или минерального масла.

Известно огромное количество натрийорганических соединений, схожих по химическим свойствам с литийорганическими соединениями, но превосходящих их по реакционной способности.