На́трий ( химический символ — Na , от лат. Na trium) — химический элемент 1-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы, IA), третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева . Атомный номер — 11.

В виде простого вещества натрий — это очень лёгкий (0,971 г/см ³ ), мягкий, химически активный щелочной металл серебристо-белого цвета. На внешнем энергетическом уровне натрий имеет один электрон, который он легко отдаёт, превращаясь в положительно заряженный катион Na ⁺ .

Единственным стабильным природным изотопом натрия является ²³ Na.

В свободном виде в природе не встречается, но может быть получен из различных соединений. Натрий — шестой по распространённости элемент в земной коре : он находится в составе многочисленных минералов , включая полевые шпаты , содалит и «каменную соль» ( галит , хлорид натрия ).

История и происхождение названия

Соединения натрия известны и использовались с давних времён. В древнегреческом переводе Библии — Септуагинте — упоминается слово νίτρον (в латинском переводе — Вульгате — ему соответствует слово nitroet) как название вещества типа соды или поташа , которое в смеси с маслом служило моющим средством (недоступная ссылка) ( Иер. ). В Танахе слову νίτρον соответствуют др.-евр. ‏ בורית ‏‎ — «мыло» и נתר ‬ — «щёлок»(мыльная жидкость) (недоступная ссылка) . 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 (в ней была достаточная доля примесей) выделяли из речной воды. Она поступала в продажу в виде крупных кусков, из-за примеси угля окрашенных в серый или даже чёрный цвет .

Название «натрий» происходит от латинского слова natrium (ср. др.-греч. νίτρον), которое было заимствовано из среднеегипетского языка ( nṯr ), где оно означало среди прочего: «сода», «едкий натр» .

Аббревиатура «Na» и слово natrium были впервые использованы академиком, основателем шведского общества врачей Йёнсом Якобом Берцелиусом для обозначения природных минеральных солей, в состав которых входила сода . Ранее (а также до сих пор в английском, французском и ряде других языков) элемент именовался содий ( лат. sodium) — это название sodium , возможно, восходит к арабскому слову suda , означающему «головная боль», так как сода применялась в то время в качестве лекарства от головной боли .

Металлический натрий впервые был получен английским химиком Хемфри Дэви электролизом расплава гидроксида натрия . Дэви сообщил об этом 19 ноября 1807 года в Бейкеровской лекции (в рукописи лекции Дэви указал, что он открыл калий 6 октября 1807 года, а натрий — через несколько дней после калия ).

Нахождение в природе

Кларк натрия в земной коре составляет 25 кг/т. Содержание в морской воде в виде соединений — 10,5 г/л . Атомы металлического натрия входят как примесь, окрашивающая каменную соль в синий цвет. Эту окраску соль приобретает под действием радиации.

Физические свойства

Натрий — серебристо-белый металл, в тонких слоях с фиолетовым оттенком, пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит.

Электропроводность и теплопроводность натрия довольно высоки, плотность равна 0,96842 г/см³ (при 19,7 °C), температура плавления 97,86 °C , температура кипения 883,15 °C .

При комнатной температуре натрий образует кристаллы кубической сингонии , пространственная группа I m 3 m , параметры ячейки a = 0,42820 нм , Z = 2 .

При температуре −268 °С (5 К) натрий переходит в гексагональную фазу , пространственная группа P 6 ₃ / mmc , параметры ячейки a = 0,3767 нм , c = 0,6154 нм , Z = 2 .

Химические свойства

Щелочной металл, на воздухе легко окисляется до оксида натрия . Для защиты от кислорода воздуха металлический натрий хранят под слоем керосина или минерального масла.

${\displaystyle {\ce {4Na + O2 -> 2Na2O}}}$ .

При горении на воздухе или в кислороде образуется пероксид натрия :

${\displaystyle {\ce {2Na + O2 ->[t] Na2O2}}}$ .

Кроме того, существует озонид натрия ${\displaystyle {\ce {NaO3}}}$ .

С водой натрий реагирует очень бурно, 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 может воспламениться. Уравнение реакции:

${\displaystyle {\ce {2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^}}}$ .

Как и все щелочные металлы, натрий является сильным восстановителем и энергично взаимодействует со многими неметаллами (за исключением азота , иода , углерода , благородных газов):

${\displaystyle {\ce {2Na + Cl2 -> 2NaCl}}}$ ,

${\displaystyle {\ce {2Na + H2 ->[200-400{°}C, p] 2NaH}}}$ .

Натрий более активен, чем литий . С азотом реагирует крайне плохо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество — нитрид натрия (в противоположность легко образующемуся нитриду лития):

${\displaystyle {\ce {6Na + N2 -> 2Na3N}}}$ .

С разбавленными кислотами взаимодействует как обычный металл:

${\displaystyle {\ce {2Na + 2HCl_{{(разб)}}-> 2NaCl + H2 ^}}}$ .

С концентрированными окисляющими кислотами выделяются продукты восстановления:

${\displaystyle {\ce {8Na + 10HNO3_{{(конц)}}-> 8NaNO3 + NH4NO3 + 3H2O}}}$ ,

${\displaystyle {\ce {8Na + 5H2SO4_{{(конц)}}-> 4Na2SO4 + H2S + 4H2O}}}$ .

Растворяется в жидком аммиаке , образуя синий раствор:

${\displaystyle {\ce {Na + 4NH3 ->[-40{°}C] Na(NH3)4}}}$ .

С газообразным аммиаком взаимодействует при нагревании:

${\displaystyle {\ce {2Na + 2NH3 ->[350{°}C] 2NaNH2 + H2 ^}}}$ .

Со ртутью образует амальгаму натрия, которая используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла. При сплавлении с калием даёт жидкий сплав.

Алкилгалогениды с избытком металла могут давать натрийорганические соединения — высокоактивные соединения, которые обычно самовоспламеняются на воздухе и взрываются с водой. При недостатке металла происходит реакция Вюрца .

Реагирует со спиртами, фенолами, карбоновыми кислотами и неорганическими кислотами с образованием солей.

С графитом реагирует, образуя интеркаляты .

Растворяется в краун-эфирах в присутствии органических растворителей, давая электрид или алкалид (в последнем у натрия необычная степень окисления −1 ).

Получение

Первым промышленным способом получения натрия была реакция восстановления карбоната натрия углём при нагревании тесной смеси этих веществ в железной ёмкости до 1000 °C (способ Девилля ) :

${\displaystyle {\ce {Na2CO3 + 2C ->[1000{°}C] 2Na + 3CO ^}}}$ .

Вместо угля могут быть использованы карбид кальция , алюминий , кремний , ферросилиций , силикоалюминий .

С появлением электроэнергетики более практичным стал другой способ получения натрия — электролиз расплава едкого натра или хлорида натрия :

${\displaystyle {\ce {4NaOH ->[{электролиз}] 4Na + 2H2O + O2 ^}}}$ .

${\displaystyle {\ce {2NaCl ->[{электролиз}] 2Na + Cl2 ^}}}$ .

В настоящее время электролиз — основной способ получения натрия.

Натрий также можно получить цирконийтермическим методом или термическим разложением азида натрия .

Применение

Металлический натрий широко используется как сильный восстановитель в препаративной химии и промышленности, в том числе в металлургии. Используется для осушения органических растворителей, например, эфира . Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натрий-серных аккумуляторов . Его также применяют в выпускных клапанах двигателей грузовиков как жидкий теплоотвод. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

В сплаве с калием, а также с рубидием и цезием используется в качестве высокоэффективного теплоносителя. В частности, сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % имеет рекордно низкую температуру плавления −78 °C и был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для атомных энергоустановок.

Натрий применяется и как жидкометаллический теплоноситель в некоторых ядерных реакторах на быстрых нейтронах . Сейчас в эксплуатации находятся два энергетических реактора с натрием — БН-600 и БН-800 . Кроме того, работает исследовательский реактор БОР-60 . Строится многоцелевой научно-исследовательский реактор .

Натрий также используется в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) очень широко применяются в уличном освещении. Они дают ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12—24 тысяч часов. Поэтому газоразрядные лампы типа ДНаТ незаменимы для городского, архитектурного и промышленного освещения. Также существуют лампы ДНаС («спектральная»), ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути), ДНаБ (Безртутная). Примечательно, что в «горелке»(газоразр. трубка внутри защитной колбы) прогретой(вышедшей на номинальный режим) лампы ДНаТ — давление (плазмы ионизированных паров натрия и иногда ещё ртути(так холодная горелка почти с вакуумом внутри — легче зажигается)) близко или равно атмосферному,

Металлический натрий применяется в качественном анализе органического вещества. Сплав натрия и исследуемого вещества нейтрализуют этанолом , добавляют несколько миллилитров дистиллированной воды и делят на 3 части, проба Ж. Лассеня (1843), направлена на определение азота, серы и галогенов ( проба Бейльштейна ).

Использование соединений натрия в промышленности

В промышленности активно используют соединения натрия:

• Хлорид натрия (NaCl) ( поваренная соль ) — древнейшее применяемое вкусовое и консервирующее средство.
• Азид натрия (NaN ₃ ) 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).
• Хлорат натрия (NaClO ₃ ) применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне.
• Бромид натрия (NaBr) широко применяется в медицине (в качестве седативного и противосудорожного средства) .

Изотопы натрия

На 2012 год известно 20 изотопов с массовыми числами от 18 до 37 и 2 ядерных изомера натрия. Единственный стабильный изотоп — ²³ Na. У большинства изотопов период полураспада меньше одной минуты, лишь один радиоактивный изотоп — ²² Na — имеет период полураспада больше года. ²² Na претерпевает позитронный распад с периодом полураспада 2,6027 года , его используют в качестве источника позитронов и в научных исследованиях. ²⁴ Na, с периодом полураспада по каналу β − -распада 15 часов, используется в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии .

Биологическая роль

Натрий относится к макроэлементам и входит в состав всех живых организмов. В высших организмах натрий находится большей частью в межклеточной жидкости клеток (примерно в 15 раз больше, чем в цитоплазме клетки ). Разность концентраций поддерживает встроенный в мембраны клетки натрий-калиевый насос , откачивающий ионы натрия из цитоплазмы в межклеточную жидкость.

Совместно с калием натрий выполняет следующие функции:

• Создание условий для возникновения мембранного потенциала и мышечных сокращений.
• Поддержание осмотической концентрации крови.
• Поддержание кислотно-щелочного баланса .
• Нормализация водного баланса.
• Обеспечение мембранного транспорта.
• Активация многих энзимов .

Для взрослых, по данным Американской Ассоциации сердечных заболеваний, минимальная необходимая доза составляет меньше 500 миллиграммов, рекомендуемая — до 1500 миллиграммов в день (за исключением больных некоторыми болезнями и представителей профессий, при которых требуется повышенное количество натрия). В виде поваренной соли в 3/4 чайной ложки содержится 1725 миллиграммов натрия . По другим данным здоровым взрослым стоит ограничивать употребление натрия 2300 миллиграммами, а людям с повышенным давлением и рядом других заболеваний — 1500 или меньшим количеством.

Натрий содержится практически во всех продуктах в разных количествах, хотя большую его часть организм получает из поваренной соли , в том числе в составе консервов, полуфабрикатов, соусов, колбасных изделий и т. п. В качестве источника натрия служат также такие пищевые добавки как глутамат натрия , пищевая сода (бикарбонат натрия), нитрит натрия , сахаринат натрия и бензоат натрия . Усвоение в основном происходит в желудке и тонкой кишке . Витамин Д улучшает усвоение натрия, однако чрезмерно солёная пища и пища, богатая белками , препятствуют нормальному всасыванию. Количество поступившего с едой натрия показывает содержание натрия в моче . Для богатой натрием пищи характерна ускоренная экскреция .

Дефицит натрия у питающегося сбалансированной пищей человека не встречается, однако некоторые проблемы могут возникнуть при голодании. Временный недостаток может быть вызван использованием мочегонных препаратов , поносом , обильным потением или избыточным употреблением воды .

Симптомами нехватки натрия являются потеря веса, рвота , образование газов в желудочно-кишечном тракте и нарушение усвоения аминокислот и моносахаридов . Продолжительный недостаток вызывает мышечные судороги и невралгию .

Переизбыток натрия вызывает отек ног и лица, повышенное выделение калия с мочой , у некоторых людей наблюдается повышенное кровяное давление и скопление жидкости . Максимальное количество соли, которое может быть переработано почками , составляет примерно 20—30 граммов, большее количество уже опасно для жизни.

Меры предосторожности

Чистый металлический натрий огнеопасен. На воздухе склонен к самовоспламенению. Особенно опасен контакт с водой и влажными поверхностями, так как натрий очень активно реагирует с водой, часто со взрывом, образуя едкую щёлочь ( NaOH ). 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 (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. 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. 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 неразбавленным спиртом и полученный 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 — взрыв и разрушение трубы. Все работы с натрием, как и вообще с щелочами и щелочными металлами, должны проводиться в очках или защитной маске. Хранить натрий дома и производить с ним какие-либо опыты не рекомендуется.

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 создаёт аэрозоль оксида, пероксида и гидроксида натрия, обладающего разъедающим действием. Некоторые реакции натрия протекают очень бурно (например, с серой , бромом ).

Примечания

Литература

• , Колотов С. С. , Менделеев Д. И. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.

Ссылки