ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Натрий - одиннадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Na от латинского «natrium». Расположен в третьем периоде, IА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 11.
Натрий - один из наиболее распространенных элементов на Земле. Он обнаружен в атмосфере Солнца и в межзвездном пространстве. Важнейшие минералы натрия: NaCl (галит), Na 2 SO 4 ×10H 2) (мирабелит), Na 3 AlF 6 (криолит), Na 2 B 4 O 7 ×10H 2) (бура) и др. Огромно содержание солей натрия в гидросфере (около 1,5×10 16 т).
Соединения натрия входят в растительные и животные организмы в последнем случае главным образов в виде NaCl. В крови человека ионы Na + составляют 0,32%, в костях - 0,6%, в мышечной ткани - 0,6-1,5%.
В виде простого вещества натрий представляет собой серебристо-белый металл (рис.1). Он настолько мягок, что легко режется ножом. Вследствие легкой окисляемости на воздухе натрий хранят под слоем керосина.
Рис. 1. Натрий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса натрия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии натрия существует в виде одноатомных молекул Na, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 22,9898.
Изотопы натрия
Известно двадцать изотопов натрия с массовыми числами от 18-ти до 37-ми, из которых наиболее стабильным является 23 Na с периодом полураспада меньше минуты.
Ионы натрия
На внешнем энергетическом уровне атома натрия имеется один электрон, который является валентным:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 .
В результате химического взаимодействия натрий отдает свой единственный валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Na 0 -1e → Na + .
Молекула и атом натрия
В свободном состоянии натрий существует в виде одноатомных молекул Na. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу натрия:
Сплавы натрия
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. Сплав натрия с калием, содержащий 77,2% (масс.) кадия, находится в жидком состоянии в широком интервале температур, имеет высокий коэффициент теплоотдачи и не взаимодействует с большинством конструкционных материалов ни при обычных, ни при повышенных температурах.
Натрий используется как добавка, упрочняющая свинцовые сплавы.
Со ртутью натрий образует твердый сплав - амальгаму натрия, которая иногда используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
Na 2 O → NaCl → NaOH → Na. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ответ | Чтобы получить из оксида натрия хлорид этого же металла необходимо растворить его в кислоте:
Na 2 O+ 2HCl→ 2NaCl + H 2 O. Для получения гидроксида натрия из хлорида этого же металла необходимо растворить его в воде, однако, следует помнить, что гидролиз в этом случае не протекает: NaCl+ H 2 O→ NaOH + HCl. Получение натрия из соответствующего гидроксида возможно, если щелочь подвергнуть электролизу: NaOH ↔ Na + + Cl — ; K(-): Na + + e → Na 0: A(+): 4OH — — 4e → 2H 2 O + O 2 . Физические свойстваГидрат окиси натрия NaOH - белое твердое вещество. Если оставить кусок едкого натра на воздухе, то он вскоре расплывается, так как притягивает влагу из воздуха. Едкий натр хорошо растворяется в воде, при этом выделяется большое количество теплоты. Раствор едкого натра мылок на ощупь. Термодинамика растворов ΔH 0 растворения для бесконечно разбавленного водного раствора −44,45 кДж/моль. Из водных растворов при 12,3-61,8 °C кристаллизуется моногидрат (сингония ромбическая), температура плавления 65,1 °C; плотность 1,829 г/см³; ΔH 0 обр −425,6 кДж/моль), в интервале от −28 до −24 °C - гептагидрат, от −24 до −17,7 °C - пентагидрат, от −17,7 до −5,4 °C - тетрагидрат (α-модификация), от −5,4 до 12,3 °C. Растворимость в метаноле 23,6 г/л (t = 28 °C), в этаноле 14,7 г/л (t = 28 °C). NaOH·3,5Н 2 О (температура плавления 15,5 °C); Химические свойства(1) H 2 S + 2NaOH = Na 2 S + 2H 2 O (при избытке NaOH) (2) H 2 S + NaOH = NaHS + H 2 O (кислая соль, при отношении 1:1) (в целом такую реакцию можно представить простым ионным уравнением, реакция протекает с выделением тепла (экзотермическая реакция): OH − + H 3 O + → 2H 2 O. )
ZnO + 2NaOH → Na 2 ZnO 2 + H 2 O так и с растворами: ZnO + 2NaOH (раствор) + H 2 O → Na 2 (раствор) (Образующийся анион называется тетрагидроксоцинкат-ионом, а соль, которую можно выделить из раствора - тетрагидроксоцинкатом натрия. В аналогичные реакции гидроксид натрия вступает и c другими амфотерными оксидами.) Al(OH) 3 + 3NaOH = Na 3 2Na + + 2OH − + Cu 2+ + SO 4 2− → Cu(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4 Гидроксид натрия используется для осаждения гидроксидов металлов. К примеру, так получают гелеобразный гидроксид алюминия , действуя гидроксидом натрия на сульфат алюминия в водном растворе, при этом избегая избытка щёлочи и растворения осадка. Его и используют, в частности, для очистки воды от мелких взвесей. 4Р + 3NaOH + 3Н 2 О → РН 3 + 3NaH 2 РО 2 . 3S + 6NaOH → 2Na 2 S + Na 2 SO 3 + 3H 2 O Гидролиз эфиров В результате взаимодействия жиров с гидроксидом натрия получают твёрдые мыла (они используются для производства кускового мыла), а с гидроксидом калия либо твёрдые, либо жидкие мыла, в зависимости от состава жира. HO-CH 2 -CH 2 ОН + 2NaOH → NaO-CH 2 -CH 2 -ONa + 2Н 2 O Анод : 2Cl − - 2е − → Cl 2 - основной процесс 2H 2 O - 2e - → O 2 +4H + 6СlО - + 3Н 2 О - 6е - → 2СlО 3 - + 4Сl - + 1,5O 2 + 6Н + Катод : 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − - основной процесс СlО - + Н 2 О + 2е - → Сl - + 2ОН - СlО 3 - + 3Н 2 O + 6е - → Сl - + 6OН -В качестве анода в диафрагменных электролизерах может использоваться графитовый или угольный электроды. На сегодня их в основном заменили титановые аноды с окисно-рутениево-титановым покрытием (аноды ОРТА) или другие малорасходуемые. На следующей стадии электролитический щёлок упаривают и доводят содержание в нём NaOH до товарной концентрации 42-50 % масс. в соответствии со стандартом. Na + + е = Na 0 nNa + + nHg − = Na + HgАмальгама непрерывно перетекает из электролизёра в разлагатель амальгамы. В разлагатель также непрерывно подаётся высоко очищенная вода. В нём амальгама натрия в результате самопроизвольного химического процесса почти полностью разлагается водой с образованием ртути, раствора каустика и водорода: Na + Hg + Н 2 O = NaOH + 1/2Н 2 + HgПолученный таким образом раствор каустика, являющийся товарным продуктом, практически не содержит примесей. Ртуть почти полностью освобождается от натрия и возвращается в электролизер. Водород отводится на очистку. Однако, полная очистка раствора щелочи от остатков ртути практически не возможна, поэтому этот метод сопряжен с утечками металлической ртути и её паров. Растущие требования к экологической безопасности производств и дороговизна металлической ртути ведут к постепенному вытеснению ртутного метода методами получения щелочи с твердым катодом, в особенности мембранным методом. Лабораторные методы полученияВ лаборатории гидроксид натрия иногда получают химическими способами, но чаще используется небольшой электролизер диафрагменного или мембранного типа. Рынок каустической содыМировое производство натра едкого, 2005 год
ТР - твёрдый ртутный (чешуированный); ТД - твёрдый диафрагменный (плавленый); РР - раствор ртутный; РХ - раствор химический; РД - раствор диафрагменный.
ПрименениеБиодизельное топливо Получение биодизеля Едкий натр применяется во множестве отраслей промышленности и для бытовых нужд:
Меры предосторожности при обращении с гидроксидом натрияГидроксид натрия - едкое и коррозионноактивное вещество . Оно относится к веществам второго класса опасности . Поэтому при работе с ним требуется соблюдать осторожность. При попадании на кожу, слизистые оболочки и в глаза образуются серьёзные химические ожоги . Попадание в глаза вызывает необратимые изменения зрительного нерва (атрофию), и, как следствие, потерю зрения. При контакте слизистых поверхностей с едкой щёлочью необходимо промыть поражённый участок струей воды, а при попадании на кожу слабым раствором уксусной кислоты . При работе с едким натрием рекомендуется следующие защитные средства : химические брызгозащитные очки для защиты глаз, резиновые перчатки или перчатки с прорезиненной поверхностью для защиты рук, для защиты тела - химически-стойкая одежда пропитанная винилом или прорезиненные костюмы. ПДК гидроксида натрия в воздухе 0,5 мг/м³. Литература
Натрий в чистом виде получил в 1807 году Хемфри Дэви - английский химик, который незадолго до натрия открыл . Дэви проводил процесс электролиза одного из соединений натрия - гидроксида, расплавив который и получил натрий. Соединениями натрия человечество пользовалось со времён глубокой древности, содой природного происхождения пользовались ещё в Древнем Египте (calorizator). Называли элемент содий (sodium ) , иногда именно это название можно встретить даже сейчас. Привычное название натрий (от латинского natrium - сода) было предложено шведом Йенсом Берцелиусом. Натрий является элементом I группы III третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, имеет атомный номер 11 и атомную массу 22,99. Принятое обозначение - Na (от латинского natrium ). Нахождение в природеСоединения натрия содержатся в земной коре, морской воде, в виде примеси, имеющей свойство окрашивать каменную соль в синий цвет из-за действия радиации. Натрий является мягким пластичным щелочным металлом, имеет серебристо-белый цвет и блеск на свежем срезе (натрий вполне возможно разрезать ножом). При применении давления превращается в прозрачное вещество красного цвета, при обычной температуре кристаллизуется. При взаимодействии с воздухом быстро окисляется, поэтому хранить натрий необходимо под слоем керосина.
Суточная потребность в натрииНатрий - важный для организма человека микроэлемент, суточная потребность в нём для взрослых составляет 550 мг, для детей и подростков - 500-1300 мг. В период беременности норма натрия в сутки составляет 500 мг, а в некоторых случаях (обильное потоотделение, обезвоживание, приём мочегонных препаратов) должна быть увеличена. Натрий содержится практически во всех морепродуктах (раках, крабах, осьминогах, кальмарах, мидиях, морской капусте), рыбе (анчоусах, сардинах, камбале, корюшке и т.д.), куриных яйцах, крупах (гречневой, рисе, перловой, овсяной, пшённой), бобовых (горохе, фасоли), овощах (томатах, сельдерее, моркови, капусте, свёкле), молочных продуктах и мясных субпродуктах.
Полезные свойства натрия и его влияние на организмПолезными для организма свойствами натрия являются:
Усвояемость натрияНатрий содержится практически во всех продуктах, хотя большую его часть (около 80%) организм получает из . Усвоение в основном происходит в желудке и тонком кишечнике. улучшает усвоение натрия, однако, чрезмерно соленая пища и пища богатая белками препятствуют нормальному всасыванию. Взаимодействие с другимиПрименение металлического натрия - химическая и металлургическая промышленность, где он выступает в роли сильнейшего восстановителя. Хлоридом натрия (поваренной солью) пользуются все без исключения жители нашей планеты, это самое известное вкусовое средство и древнейший консервант.
Признаки нехватки натрияНехватка натрия обычно случается при чрезмерном потоотделении - в жарком климате или при физических нагрузках. Недостаток натрия в организме характеризуется ухудшением памяти и потерей аппетита, головокружением, быстрой утомляемостью, обезвоживанием, мышечной слабостью, а иногда - судорогами, кожными высыпаниями, желудочными спазмами, тошнотой, рвотой. Признаки избытка натрияИзлишнее количество натрия в организме даёт о себе знать постоянной жаждой, отёками и аллергическими реакциями. Натрий представляет собой щелочной металл. Его химическая активность самая высокая среди всех остальных металлов таблицы Менделеева. Именно поэтому многие химические задачи основаны на свойствах этого элемента, а также его получении. Как получить натрий: формулаРаньше натрий получали восстановлением карбоната натрия. Для этого в железную емкость плотно укладывали уголь и карбонат натрия. После этого производили нагрев смеси до 1000 градусов: Na 2 CO 3 + 2C -> 2Na + 3 CO В настоящее время промышленностью используется другой способ получения металлического натрия. Для этого осуществляется электролиз расплава хлорида натрия. 2NaCl -> 2Na + Cl 2 Для получения расплава кристаллы хлорида натрия необходимо нагреть до 500 – 600 градусов. Многие люди интересуются, как можно получить натрий в домашних условиях. Как вы видите это возможно, если вы сможете достичь температуры плавления поваренной соли (хлорид натрия). После этого опустите в расплав два графитовых электрода и подключите их к источнику прямого электрического тока. Как получить гидроксид натрияНатрий очень бурно реагирует с водой с образованием гидроксида натрия, выделением водорода и большим выделением тепла. Натрий вступает даже в реакцию с водяными парами воздуха, поэтому металлический натрий хранят под слоем жидкого парафина или керосина. 2Na + 2H 2 O = 2NaOH + Н 2 Гидроксид натрия широко используется в промышленности и быту. Это соединение имеет и другие названия: едкий натр, едкая щелочь, каустик, техническая или каустическая сода. Как получить оксид натрияНатрий легко окисляется кислородом воздуха (поэтому металлический натрий хранят под слоем керосина) с образованием оксида натрия: 4Na + O 2 = 2Na 2 O Многие учащиеся полагают, что получить оксид натрия, можно путем реакции горения натрия в кислороде. Но это не верно. Натрий при горении настолько активно взаимодействует с кислородом, что вместо оксида, образуется пероксид натрия: 2Na + O 2 = Na 2 O 2 Как получить ацетат натрияПолучить ацетат натрия можно с помощью проведения реакции нейтрализации гидрокарбоната натрия уксусной кислотой: CH 3 COOH + NaHCO 3 = CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 Эта химическая реакция хорошо знакома хозяйкам, при выпечке различных изделий из теста они часто прибегают к ее проведению. Если необходимо получить ацетат натрия в кристаллической форме, то полученный в ходе реакции раствор выпаривают. Таким образом, получить ацетат натрия в домашних условиях очень просто. Но еще проще зайти и купить его в магазине, торгующем химическими веществами, т.к. стоит это вещество очень дешево, и возиться с его самостоятельным изготовлением вряд ли стоит. Хлорид натрия: как получитьПолучить хлорид натрия можно проведением реакции нейтрализации соляной кислоты карбонатом натрия. В ходе реакции образуется раствор хлорида натрия в воде и выделяется углекислый газ. При необходимости получения кристаллического хлорида натрия полученный в ходе реакции раствор подвергнуть выпариванию. Na 2 CO 3 + HCl = NaCl + H 2 O+CO 2 Под названием хлорида натрия скрывается хорошо нам всем знакомая поваренная соль. В начале 19-го века натрий звали содием. Такое имя элементу дал Гемфри Дэви, сумевший выделить металл из щелочи. Химик слегка увлажнил ее и подверг электролизу. Изменить название открытого Гемфри элемента предложил Вильгельм Гильберт. Это автор знаменитых «Анналов физики». Ученый стал именовать содий натронием. Дело продолжил Йенс Берцелиус. Химик из Швеции ввел сокращение натрий. О свойствах и роли этого металла в жизни людей – наш следующий материал. Химические и физические свойства натрия Элемент входит в главную подгруппу 1-ой группы , занимая 11-ю позицию. В колонке все металлы щелочные, таков и натрий. Вода реагирует с ним. Образуется едкая щелочь. Еще одна общая особенность металлов группы – присутствие лишь 1-го электрона на внешней орбите атома. Это делает натрий мощным восстановителем. Элемент легко отдает электрон внешнего уровня, повышая свою степень окисления. Атом приходит к завершенной оболочке предыдущего уровня. Восстановительная активность – причина отсутствия чистого металла в природе. Найти можно лишь соединения. Так, натрия хлорид – это поваренная соль. Карбонат натрия – пищевая сода. Так что, металл не зря был изначально назван содием. Можно было именовать и нетер. Именно под этим названием вещество фигурирует в Ветхом завете. Что же касается , ей люди начали пользоваться еще во времена Палеолита, то есть около 6 000 лет назад. Энергичнее всего натрий взаимодействует не только с водой, но и всеми неметаллами. Чтобы из активного восстановителя получить деликатный, 11-ый элемент соединяют с . Образуется амальгама. Если же, напротив, нужно усилить агрессию натрия, к нему приплюсовывают кислород. Итог – пероксид, мощный окислитель. В его атмосфере большинство веществ воспламеняются. Непрост и «характер» гидроксида натрия . Его именуют едким. Соединение разъедает ткани, кожу, и прочую органику и материи, сделанные на ее основе. Правда, на воздухе гидроксид натрия захватывает углекислый газ и обезвреживается, превращаясь в карбонат.
Когда Гемфри Дэви удалось выделить чистый натрий , мир узнал, каков он внешне. Металл серебристо-белый. Тонкие срезы отливают фиолетовым. Формула натрия делает его мягким и податливым. Режется обычным ножом и блестит на поверхности скольжения лезвия. У элемента невысокая температура плавления – 97 градусов. Закипает же натрий при 883-ех по шкале Цельсия. Чистый металл хорошо проводит ток и тепло, не отличается высокой плотностью. Ее показатель у 11-го элемента меньше единицы. Это не умоляет весомости натрия в биологических процессах. Металл есть и в растениях, и в животных тканях. Так, в организме человека раствор натрия – часть плазмы крови, пищеварительных и лимфы. Осмотической давление, к примеру, поддерживается именно за счет 11-го элемента. Применение ему нашла не только природа, но и человек. Масса натрия идет, к примеру, на промышленные цели. Какие? Об этом расскажем в следующей главе. Применение натрия В природе элемент представлен лишь 1-им стабильным изотопом. Его массовое число 23. В искусственных условиях создано еще 15 изотопов. Они не стабильны, большинство разрушается за пару минут. Исключение: — 22-ой и 24-ый Na. Период полураспада этих изотопов значителен. Первый сохраняется 2,5 года, активно излучает позитроны, чем и служит науке. Период полураспада второго – 15 часов. Достаточно, чтобы послужить медицине и помочь больным лейкемией. В сфере ядерной энергетики натрий стал теплоносителем. Пригодился «разбег» между температурой плавления и кипения элемента. Интервал в 800 градусов Цельсия позволяет, к примеру, заполнять щелочным металлом контуры энергоносителей атомных подлодок. Натрий принимает тепло из реактора, не закипая при этом. Держать температуру в разумных рамках удается за счет циркуляции жидкого металла между реактором и парогенератором. В последнем происходит охлаждение натрия , испаряется вода. Вот и получается вращать турбину энергией пара высокого давления.
Чистый элемент пригождается и в металлургии. Какую роль в ней выполняет натрий? Инструкция применения такова: металл упрочняет сплавы на основе свинца. В качестве достаточно около 1,5% 11-го элемента. Натрий добавляют и к сплавам других металлов. Добиваются уже не прочности, а тугоплавкости смесей. Из изделий стоит упомянуть провода. Натрий купить для их изготовления выгоднее, чем привычную . Электричество 11-ый элемент проводит в 3 раза хуже. Зато, щелочной металл в 9 раз легче. Этот аргумент заставил промышленников перейти именно на натриевые шины для больших токов. Тонкие же провода продолжили делать из привычных меди и . Теперь, о роли соединений натрия . Пероксид не только воспламеняет вещества, но и способен отбелить ткани. Гидроксид 11-го металла нужен нефтяникам. Соединение очищает продукты переработки жидкого . Закупают гидроксид и для производства твердых сортов моющих средств. Без едкого вещества невозможно омылить в них жиры. Параллельно, белый порошок без запаха участвует в изготовлении и текстиля. Здесь ставку делают на раствор натрия хлорида . Средство способно осветлять, как писчие листы, так и ткани. В народе реагент называют хлоркой. Натрия тетраборат стал лекарством при кандидозе и прочих вагинальных инфекциях. Сульфацип натрия – препарат, помогающий при конъюнктивите и других воспалительных процесса в глаза. Противоядием при отравлениях солями и вообще интоксикации организма становится тиосульфат натрия . Пищевая известна в народе, как средство от изжоги. Гидрокарбонат натрия – щелочь, нейтрализующая желудочную кислоту. Применяют 11-ый элемент и при запорах. Выручает сульфат натрия . Кроме непосредственно медицинской сферы, элемент ценят и в косметологии. Натрий кислота – не что иное, как гиалуронка. Она поддерживает молодость кожи. Инъекции водятся, как правило в носогубные складки, морщины. Кислота заполняет их. В молодости гиалуронат вырабатывается организмом, но с возрастом процесс замедляется. Приходится вводить препарат из вне.
На фото продукты, содержащие натрий Первыми человечество оценило соли натрия . Но, в 21-ом веке познали прелесть цианистой формы металла. Она помогает добывать . Драгоценность расплавляется в цианистом натрии. Правда, в жидкую форму переходят и еще некоторые составные руды. Тем не менее, выделить золото из комплексного расплава уже проще, чем из твердых масс. На финальной стадии «подключают» и … драгоценный металл добыт. Добыча натрия Если нужен чистый элемент, его добывают из обычной поваренной соли. Ее отложения имеются на всех континентах. Если ресурсов не хватит, кладезю соли являются воды морей. Выделить из хлорида натрий удается путем его расплавления и последующего электролиза. Катоды берут железные, или медные. Аноды закупают из . К соли примешивают фторид натрия и хлорид калия. Они снижают температуру размягчения сырья с 800-от до 500-от градусов Цельсия. Это сокращает потери натрия в виде испарений. Метод выгоден вдвойне, ведь одновременно с 11-ым элементом добывают и чистый хлор. Цена натрия Стоимость элемента зависит от того, приобретается раствор гидроксида натрия , чистый металл, его сульфат или другое соединение. Ценник зависит и от того, покупается оно, к примеру, в составе какого-то препарата, или отдельно. Сфер использования натрия масса, производителей сотни и тысячи.
У каждого свои запросы. Какие-то вещества добываются легко практически в готовом виде, та же соль. Она и стоит около 10-20 рублей за килограмм. Другие соединения натрия нужно синтезировать, что увеличивает их стоимость. Так, или иначе, человечество готово платить за пользу, приносимую ему 11-ым элементом. Его добыча ведется активно и, судя по всему, не собирается затихать. РекомендуемОстрый мясной салат Острый мясной салат
Острые салаты – общие принципы приготовления
Острые блюда пользуются огромной популярностью на протяжении не одного столетия. Такие кушанья готовят с тех...
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
