Где применяется металлический натрий? На этот вопрос в пору моего детства знал ответ каждый второй мальчик из моего класса. Потому что почти у каждого второго в семье кто-то работал в совхозе и имел отношение (прямое или косвенное) к транспорту. А значит, был в курсе, что в выпускных клапанах двигателей ЗИЛ 130 и ГАЗ 53А есть полость, заполненная этим металлом. И даже знал - зачем: во время работы двигателя натрий плавится (температура плавления 97,7 °C), но не выкипает (температура кипения 882,95 °C) и свободно циркулирует внутри клапана, распространяя тепло от головки к стержню и далее, к блоку цилиндров.
Конечно, мы тогда не знали, что за бугром и океаном, в США, ещё в 50-е годы была создана атомная Seawolf (SSN-575), в которой роль теплоносителя в первом контуре тоже выполнял жидкий натрий. (К слову, в СССР пошли ещё дальше, и создали опытную атомную энергетическую установку для подлодки К-27 с теплоносителем в виде сплава свинец-висмут, но это лично у меня до сих пор не укладывается в голове.)
А как этот самый натрий получают - мы знали только со слов учителя химии. Дескать, электролизом расплава солей. Запишите уравнение реакции...
2Na+ + 2Cl− → 2Na (тв. в-во) + Cl2 (газ)
Естественно, тогда никто ничего не говорил про ПРОЦЕСС ДАУНСА - ту самую подноготную пресловутого "электролиза".
А суть вот в чём.
Действительно, металлический натрий можно получить, подвергнув воздействию постоянного электрического тока расплав его соли - лучше всего, NaCl, она наиболее доступная. Эта реакция протекает в устройстве под названием ЯЧЕЙКА ДАУНСА.
Но беда в том, что температура плавления NaCl довольно высока - 801 °C, а самое главное, если подвергнуть электролизу чистую соль, металлический натрий, который при этом получается, образует в расплаве неразделимую эмульсия.
Чтобы этого избежать, а заодно и чтобы сэкономить на электричестве, к хлориду натрия добавляют хлорид кальция (CaCl2) и/или фторид натрия (NaF), благодаря чему смесь можно расплавить при гораздо более низкой температуре - 600 °C. При этом NaCl в ней должно содержаться не менее трети, а две трети приходится на CaCl2. Впрочем, в разных режимах работы ЯЧЕЙКИ ДАУНСА используются разные концентрации солей, стандартным является смесь 42 % NaCl и 58 % CaCl2.
Возможно у вас возникнет вопрос: а коли так, почему же при электролизе расплава этих двух разных солей не образуются одновременно и Na, и Ca? Оказывается, восстановительный потенциал кальция ниже, чем у натрия (-2,87 В по сравнению с -2,38 В у натрия), поэтому кальций не вступает в реакцию, пока не восстановятся все ионы натрия. Только после этого начинается процесс восстановления кальция, но чтобы до этого не дошло, а ЯЧЕЙКУ ДАУНСА постоянно досыпают всё новые и новые порции хлорида натрия.
Конечных продуктов два - металлический натрий, который, как более лёгкий, собирается на катоде, всплывает на поверхность и откачивается, а также газообразный хлор, который получается на аноде и тоже утилизируется.
Чтобы продукты не смешивались, в ячейке установлены перфорированные железные перегородки, которые направляют продукты в отдельные камеры.
Джеймс Клойд Даунс (6 ноября 1885 - 18 декабря 1957) - американский инженер-электрик.
Родился в Ньюарке, штат Нью-Джерси, закончил Тринити-школу в Нью-Йорке, а затем факультет электротехники в частном колледже Купер-Юнион, там же.
Работал в New York Edison Co., Acker Process Co. и Niagara Electrochemical Co., которую затем купила компания DuPont. Разработанная им технология получения металлического натрия впервые была применена на предприятиях близ Ниагарского водопада. А патент на её он получил в 1924 году.
К слову, что касается того, где используется металлический натрий. Как было написано в наградном листе, прилагаемом к медали Американского химического общества, которую этому инженеру торжественно вручили в 1934 году, "Применение натрия значительно расширилось с появлением ячейки Даунса. Он используется для получения цианида натрия для термообработки стали, для получения тетраэтилсвинца, этилбензола и перекиси натрия, применяемой для отбеливания шёлка, шерсти и хлопка. Натрий также используется в многочисленных металлургических процессах, а также при производстве индиго, красителей, парфюмерии и фармацевтических препаратов".
А сам Даунс в 1923 году заболел туберкулёзом - полагаю, из-за вредного воздействия на его лёгкие того самого хлора, который выделялся на аноде. Впрочем, судя по дате смерти, его вылечили.
Вы можете поддержать канал, перечислив любую доступную вам сумму на кошелёк ЮMoney 4100 1102 6253 35 (или на карту Райффайзенбанка 2200 3005 3005 2776). И поучаствовать в создании книги по материалам этих статей. Заранее всем спасибо!
