Натрий — химический элемент с символом Na и атомным номером 11, классифицируемый как щелочной металл. На внешнем энергетическом уровне Na атома натрия один электрон. Из-за очень малого потенциала ионизации атомы натрия легко отдают электрон (восстановитель), и в природе присутствуют в виде положительно заряженного катиона
Na+
Na° - e‾ → Na+
Натрий, как и любой химически активный элемент, не встречается в природе в свободном состоянии.
Натрий является шестым по распространенности элементом на Земле и составляет около 2,6% земной коры. Чистый натрий был впервые выделен сэром Хамфри Дэви (британский химик) в 1807 году путем электролиза твердого едкого натра (NaOH).
При взаимодействии натрия с водой образуется гидроксид натрия и выделяется водород. Реакция натрия с водой — популярная демонстрация опытов в Интернете. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла — из-за этого металл плавится. Он может самопроизвольно воспламениться или не загореться в воде, в зависимости от количества металла. Энергии реакции достаточно, чтобы загорелся выделяющийся при реакции водород. При растворении небольших кусочков натрия в холодной воде (ниже 40 °С) воспламенения, как правило, не происходит.
История
Год открытия: 1807
Название «натрий» происходит от латинского слова natrium (ср. др.-греч. Νίτρον), которое было заимствовано из среднеегипетского языка (nṯr), где оно означало: «сода», «едкий натр». Символ элемента, Na, был сокращен от латинского названия «Natrium». Шведский химик Й.Я.Берцелиус был первым, кто использовал для натрия символ Na и слово «Natrium» для обозначения природных минеральных солей, в состав которых входила сода.
История человека и натрия начинается еще во времена фараонов в Древнем Египте с первого, зарегистрированного упоминания о соединении натрия в виде иероглифов. Соединения натрия использовались 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 выделяли из речной воды. Она поступала в продажу в виде крупных кусков, из-за примеси угля сода была окрашена в серый или даже чёрный цвет (в ней была достаточная доля примесей). Карбонат натрия использовался в мыле, а также в процессе мумификации, благодаря его водопоглощающим свойствам и убивающим бактерии, а также регулированию pH. Название «sodium», возможно, восходит к арабскому слову «suda», означающего «головная боль», так как сода применялась в то время в качестве лекарства от головной боли.
Именно эта терминология вдохновила сэра Хамфри Дэви назвать элемент натрием, когда он впервые выделил его, пропуская электрический ток через едкий натр или гидроксид натрия. В 1807 г. сэр Хэмфри Дэви стал первым, кто получил натрий в его элементарной форме, применив электролиз к расплавленному гидроксиду натрия (NaOH).
Натрий в периодической таблице
Символ химического элемента Na
Атомный (порядковый) номер 11
Номер группы 1
Номер периода 3
Классификация элементов - щелочной металл
Строение атома
Заряд ядра натрия положителен (протоны) +11
Число электронных оболочек 3
Количество электронов 11
Структура электронной оболочки (распределение электронов) 2 8 1
Число нейтронов для натрия с атомной массой 23 (23-11) = 12
Электронная конфигурация (неполная) 3s¹
Электронная конфигурация (полная) 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Атомная масса 22,98976928 ± 2,0E
Квантовые числа l=0, m=0, n=3
Атомный радиус (ковалентный) 166 пм
Атомный радиус (эмпирический) 190 пм
Атомный радиус (Ван дер Ваалс) 227 пм
Энергия сродства к электрону 52,8 кДж/моль
В центре атома натрия находится ядро, которое содержит 11 протонов и 12 нейтронов. Атом натрия имеет 3 электронные оболочки: на первом уровне - 2 электрона, на втором - 8 электронов, на третьем - один.
Изотопы
Количество стабильных изотопов 1
Известны 23 изотопа натрия с массовыми числами от 17 до 39 и с числом нейтронов в ядре от 6 до 28. Единственный стабильный изотоп натрия с атомной массой - 23. У большинства изотопов период полураспада меньше одной минуты, лишь один радиоактивный изотоп — Na (22) имеет период полураспада больше года, и ещё один — Na (24) — больше часа.
Изотопы в биологии
Изотопы натрия в биологии использовались в качестве радиоактивных индикаторов для изучения электролитов в организме человека, в медицине изотоп натрий-24 (его период полураспада около 15 часов) используются для диагностики и лечения некоторых форм лейкемии и используется для обнаружения поражений системы кровообращения. Радиоактивный изотоп натрия применяется для изучения усвоения его овсом, свеклой и редисом.
Изотопы в геохронологии
Na — это космогенный изотоп с периодом полураспада 2,6 года, который использовался для изучения времени пребывания воды в пресноводных бассейнах. Он использовался для датирования молодых (до нескольких десятков лет) поверхностных и подземных вод
Натрий как вещество
Натрий необходим всем живым существам, это известно с доисторических времен. В организме взрослого здорового человека содержится примерно 256 грамм хлорида натрия или 100 г натрия. Немного больше половины всего натрия находится во внеклеточной жидкости и около 34,5 г в костях, как неорганический костный материал, и порядка 14,5 г – в клетках. В норме в плазме содержится от 310 до 340 мг/дл натрия. Натрий участвует в разных биохимических процессах. Наиболее важная его функция - поддержание внутриклеточного осмотического давления и кислотно-щелочного баланса, он помогает клеткам передавать нервные сигналы и регулировать уровень воды в тканях и крови.
Натрий необходимо постоянно восполнять. Необходимое количество натрия можно получить из пищи. По данным Американской Ассоциации сердечных заболеваний минимальная необходимая доза для взрослых составляет меньше 500 миллиграммов, а рекомендуемая до 1500 миллиграммов в день (за исключением некоторых болезней или профессий, при которых нужно повышенное количество натрия). В 3/4 чайной ложки поваренной соли ложки содержится 1725 миллиграммов натрия. По другим данным здоровым взрослым стоит ограничивать употребление натрия, особенно людям с повышенным давлением и рядом других заболеваний. Любой дополнительный натрий может способствовать повышению кровяного давления.
Строение молекулы
В свободном состоянии натрий существует в виде одноатомных молекул натрия. Из-за низкой электроотрицательности, характерной для всех элементов группы щелочных металлов, в соединениях они образуют ионные связи.
Свойства вещества
Сте́пень окисле́ния (окислительное число) -1, 0, +1 (часто)
Валентность 1
Электроотрицательность (шкала Аллен) 0,869
Точка плавления 97,7°C
Точка плавления 208, 04℉
Точка плавления 370, 95K
Теплота плавления 2, 64 кДж/моль
Точка кипения 882,940°C
Точка кипения 1156,09K
Энергия ионизации 495,8 Дж/моль
Состояние при комнатной температуре 300 К - твердый
Твердость 0,4
Плотность 966 г/куб.см
Плотность в точке плавления 0,927 г/куб.см
Удельный вес 0,971 (20 °C)
Теплота испарения 89,04 кДж / моль
Молярная теплоемкость 28,23 Дж / моль · К
Удельная теплоемкость 0,647Дж/ г · К (при 20 ° С)
Производство
Первым промышленным способом получения натрия была реакция восстановления карбоната натрия углем при нагревании смеси этих веществ в железной ёмкости до 1000 °C:
Вместо угля могут быть использованы карбид кальция, алюминий, кремний, ферросилиций, силикоалюминий.
С появлением электроэнергетики более практичным стал способ получения натрия электролизом расплава едкого натра. Начиная с 1890 г., когда Г.Кастнер разработал процесс электролиза расплавленного гидроксида натрия, этот метод в течение 35 лет был единственным методом получения натрия:
В 1924 году американским инженером Г.Дауне было предложено использовать в качестве электролита для получения натрия расплавленную смесь хлоридов натрия и кальция и кальция, и с этого момента началось преимущественное развитие хлоридного метода, благодаря дешевизне исходного сырья и высоким технико-экономическим показателям процесса электролиза:
В настоящее время электролиз — основной способ получения натрия. В наши дни мировое производство натрия измеряется сотнями тысяч тонн.
Физические свойства натрия
Вещество натрий — мягкий, яркий серебристо-белый металл, плавающий в воде, так как очень легкий (0,971 г/см3). Натрий в тонких слоях имеет фиолетовый оттенок, пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит. Так как натрий легкоплавок и быстро окисляется на воздухе, его хранят без доступа воздуха и влаги, чаще всего под керосином.
Химические свойства натрия
Щелочной металл на воздухе легко окисляется до оксида натрия. Для защиты от кислорода воздуха металлический натрий хранят под слоем керосина:
При горении на воздухе или в кислороде при температуре 250–400º образуется пероксид натрия:
Кроме того, существуют надпероксид натрия NaO₂ и озонид натрия NaO₃
Натрий очень бурно реагирует с водой. Помещённый в воду кусочек натрия всплывает, из-за выделяющегося тепла плавится, превращаясь в белый шарик, который быстро движется в разных направлениях по поверхности воды, . Реакция идёт с выделением водорода, который и помогает натрию "бегать", и большого количества тепла, в результате водород может воспламениться.
Уравнение реакции:
Как и все щелочные металлы, натрий является сильным восстановителем и энергично взаимодействует со многими неметаллами с образованием, например, галогенидов:
Натрий реагирует с серой с образованием сульфида натрия:
Натрий активно реагирует с фосфором и водородом. При этом образуются бинарные соединения — фосфид натрия и гидрид натрия:
С азотом натрий реагирует при температуре 100º С и электрическом разряде с образованием нитрида:
Натрий реагирует с углеродом с образованием карбида:
В электрохимическом ряду напряжений металлов натрий находится до водорода, поэтому восстанавливает ионы водорода из разбавленных кислот. При взаимодействии с разбавленной соляной кислотой образуются соль (хлорид натрия) и водород:
С концентрированными окисляющими кислотами выделяются продукты восстановления:
Натрий может реагировать с газообразным аммиаком при нагревании 350ºС, при этом образуются амид натрия и водород:
Натрий при -40ºС растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор:
Реакцию растворов щелочного металла и аммиака с образованием амида и водорода можно катализировать добавлением многих металлов и оксидов металлов. Жидкий аммиак часто используется в качестве растворителя натрия, что позволяет протекать ряд реакций при обычных температурах, которые в противном случае потребовали бы тепла.
Натрий может взаимодействовать с гидроксидами. Например, при взаимодействии с гидроксидом натрия при температуре 600º С
Органические реакции
Органические реакции натрия изучены в большей степени, чем реакции любого другого щелочного металла. Натрий реагирует с безводными спиртами с образованием соответствующих алкоголятов (или алкоксидов):
Реакция наиболее энергична с метанолом и снижается с увеличением молекулярной массы спирта:
Большая отрицательная свободная энергия образования галогенидов натрия позволяет дегалогенировать ряд органических галогенидов, причем образование галогенида натрия энергетически выгодно. Основанная на этом принципе так называемая реакция Вюрца широко используется в органическом синтезе:
По этой реакции октан можно получить из бромбутана и натрия. Натрийорганические соединения включают ряд, в которых атом натрия связан непосредственно с атомом углерода; примером является метилнатрия, Na―CH3 . Такие соединения могут быть получены действием натрия на диалкилы или диарилы ртути, как в следующем уравнении:
Качественная реакция
Качественная реакция на катион натрия — окрашивание пламени солями натрия в желтый цвет. Почти все молодые химики в какой-то момент проводят испытания пламенем, и хлорид натрия является популярным выбором.
Использование
Хлорид натрия важен для питания всего живого. Соединения натрия используются в стекольной, мыльной, бумажной, текстильной, химической, нефтяной и металлургической промышленности. 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. Два из самых ранних применений металлического натрия были в производстве цианида натрия и пероксида натрия. Натрий используется при приготовлении тетраэтилсвинца - наиболее эффективного антидетонатора. Используется для восстановления органических сложных эфиров и приготовления органических соединений. Металлический натрий может быть использован для производства и улучшения структуры некоторых сплавов, для удаления накипи из металла и для очистки расплавленных металлов. Натрий входит в состав многих практически важных сплавов. Натрий, а также NaK, сплав натрия с калием, являются важными теплоносителями. Расплавленный натрий является отличным теплоносителем, и благодаря этому свойству он нашел применение в качестве теплоносителя в жидкометаллических реакторах - размножителях на быстрых нейтронах.
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 органическом синтезе - в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации. 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. Гидрокарбонат натрия, или питьевая сода, NaHCO3, применяется при выпечке кондитерских изделий как разрыхлитель теста.
Недорогой и доступный элемент используется для производства присадок к бензину, полимеров, таких как нейлон, фармацевтических препаратов, в качестве теплообменника в натриевых лампах. Желтый цвет натриевой лампы и натриевое пламя (основа аналитического теста на натрий) идентифицируется двумя заметными линиями в желтой части светового спектра. Натрий также используется в качестве исходного материала при производстве гидрида натрия (NaH) и для получения селективнрго восстановителя в органической химии - натрия борогидрида (NaBH). Кроме того, натрий используется в производстве красителей и их промежуточных продуктов, в синтезе отдушек. Он используется при очистке углеводородов и при полимеризации ненасыщенных углеводородов. Во многих органических применениях натрий используется в виде дисперсий в жидких углеводородных средах. В металлургии натрий служит активным восстановителем при получении некоторых редких металлов (Са, Ti, Zr, Ta) методами металлотермии и других переходных металлов. Промышленное производство титана включает восстановление тетрахлорида титана (TiCl₄) натрием, продукты восстановления - металлический Ti и NaCl.
Наиболее важным и известным соединением натрия является хлорид натрия, или поваренная соль, NaCl. Большинство других соединений натрия получают прямо или косвенно из хлорида натрия, который содержится в морской воде, природных рассолах и в виде каменной соли. Большие количества хлорида натрия используются в производстве других тяжелых (промышленных) химикатов, а также используются непосредственно для удаления льда и снега, для кондиционирования воды и в пищевых продуктах.
Безопасность и обращение
Высокая химическая активность натрия требует особой осторожности при хранении и применении. Хранить натрий дома и производить с ним какие-либо опыты не рекомендуется.
Чистый металлический натрий огнеопасен. На воздухе склонен к самовоспламенению. Особенно опасен контакт с водой и влажными поверхностями, так как натрий очень бурно реагирует с водой, часто со взрывом, образуя едкую щёлочь (NaOH) и водород (Н2).
Прежде чем приступить к работе с натрием, необходимо пройти инструктаж по охране труда. Лица, впервые приступающие к работе с натрием, должны производить эту работу под наблюдением сотрудников, имеющих опыт такой работы. Все работы с натрием, как и вообще с щелочами и щелочными металлами, должны проводиться в очках или защитной маске.
В лабораториях небольшие количества натрия (примерно до 1 кг) хранят в закрытых стеклянных банках под слоем керосина, лигроина, бензина или вазелинового масла так, чтобы слой жидкости 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 керосин, либо тут же вводят в реакцию. Обычно в лабораторных условиях для реакций используют количества натрия, не превышающие нескольких десятков граммов. Для показательных опытов, например, в школе на уроках химии, следует брать не более одного грамма натрия. После работы с металлическим натрием всю посуду и остатки натрия заливают керосином и полученный щелочной раствор нейтрализуют слабым раствором кислоты. Следует обратить особое внимание на то, 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 взрыв и разрушение трубы.
Воспламенение и даже взрыв металлического натрия при соприкосновении с водой и многими органическими соединениями может причинить 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 щёлочью. Горение натрия создает аэрозоль оксида, пероксида и гидроксида натрия, обладающий разъедающим действием. Некоторые реакции натрия протекают очень бурно (например, с серой, бромом).
Легковоспламеняющееся вещество!
Опасно при воздействии влаги в любой форме!
Всегда держать сухим!
Многие реакции, в которых участвует натрий, могут привести к возгоранию или взрыву!
При пожаре выделяет раздражающие или токсичные пары (или газы). Опасность возгорания и взрыва возникает при контакте с кислотами, галогенами!
Вызывает серьезные ожоги кожи и повреждение глаз. Пары натрия сильно щелочные и сильно раздражают и разъедают дыхательные пути, глаза и кожу!
Первая помощь
КОЖА
Снять загрязненную одежду. Промыть кожу большим количеством воды или принять душ. Обратиться за медицинской помощью.
ГЛАЗА
Сначала промыть большим количеством воды в течение нескольких минут (снять контактные линзы, если это возможно), затем обратиться за медицинской помощью.
Пожарная безопасность
При контакте с водой выделяют легковоспламеняющиеся газы, которые могут самовозгораться. Температура воспламенения натрия в воздухе зависит от размера открытой поверхности: пары воспламеняются при комнатной температуре.
НЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ВОДУ ИЛИ ПЕНУ. При небольшом пожаре используется сухой химикат, кальцинированная сода, известь или песок. При большом пожаре - сухой песок, сухие химикаты, кальцинированная сода или известь или отойдите от места. Тушите огонь с максимального расстояния или используйте автоматические держатели шлангов или мониторные насадки. Натрий значительно более реактивен на воздухе в жидком виде, чем в твердом, и жидкость может воспламениться при температуре около 125 ° C (257 ° F). В сравнительно сухой атмосфере натрий тихо горит, выделяя густой белый едкий дым, который может вызвать удушье и кашель. Температура горения натрия быстро возрастает более чем 800 ° C (1500 ° F), и в этих условиях пожар чрезвычайно трудно потушить. Требуются специальные порошковые огнетушители, поскольку натрий вступает в реакцию с углекислым газом, который обычно используется в обычных огнетушителях. Реакция с водой жидкого натрия, имеющего большую площадь поверхности, может быть взрывоопасной. Реакция натрия и воды сильно экзотермическая (то есть выделяется тепло). Однако испытания показали, что натрий и вода не могут быть смешаны достаточно быстро, чтобы образовались ударные волны, характерные для бризантных взрывчатых веществ. Взрывоопасность реакции связана в первую очередь с образующимся газообразным водородом.