Натрий. Свойства натрия
План лекции:
1. Распространение натрия в природе.
2. Историческая справка.
3. Физические свойства натрия
4. 4.Химические свойства натрия
5. Получение натрия.
6. 6.Получение натрия.
Натрий (Natrium), Na, химический элемент I группы периодической системы Менделеева: атомный номер 11, атомная масса 22,9898; серебристо-белый мягкий металл, на воздухе быстро окисляющийся с поверхности. Природный элемент состоит из одного стабильного изотопа 23 Na.
Историческая справка . Природные соединения Натрия – поваренная соль NaCl, сода Na 2 CO 3 – известны с глубокой древности. Название "Натрий", происходящее от арабского натрун, греч. nitron, первоначально относилось к природной соде. Уже в 18 веке химики знали много других соединений Натрия. Однако сам металл был получен лишь в 1807 году Г. Дэви электролизом едкого натра NaOH. В Великобритании, США, Франции элемент называется Sodium (от испанского слова soda – сода), в Италии – sodio.
Распространение н атрия в природе .
Натрий – типичный элемент верхней части земной коры. Среднее содержание его в литосфере 2,5% по массе, в кислых изверженных породах (граниты и другие) 2,77, в основных (базальты и другие) 1,94, в ультраосновных (породы мантии) 0,57. Благодаря изоморфизму Na + и Ca 2+ , обусловленному близостью их ионных радиусов, в магматических породах образуются натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы). В биосфере происходит резкая дифференциация Натрия: осадочные породы в среднем обеднены Натрием (в глинах и сланцах 0,66%), мало его в большинстве почв (среднее 0,63%). Общее число минералов Натрия 222. Na слабо задерживается на континентах и приносится реками в моря и океаны, где его среднее содержание 1,035% (Na – главный металлический элемент морской воды). При испарении в прибрежно-морских лагунах, а также в континентальных озерах степей и пустынь осаждаются соли Натрия, формирующие толщи соленосных пород. Главные минералы, являющиеся источником Натрия и его соединений, – галит (каменная соль) NaCl, чилийская селитра NaNO 3 , тенардит Na 2 SO 4 , мирабилит Na 2 SO 4 ·10H 2 O, трона NaH(CO 3) 2 ·2H 2 O. Na – важный биоэлемент, в живом веществе в среднем содержится 0,02% Na; в животных его больше, чем в растениях.
Физические свойства н атрия
При обычной температуре Натрий кристаллизуется в кубической решетке, а = 4,28Å. Атомный радиус 1,86Å, ионный радиус Na + 0,92Å. Плотность 0,968 г/см 3 (19,7 °C), t пл 97,83 °C, t кип 882,9 °C; удельная теплоемкость (20 °C) 1,23·10 3 дж/(кг·К) или 0,295 кал/(г·град); коэффициент теплопроводности 1,32·10 2 вт/(м·К) или 0,317 кал/(см·сек·град); температурный коэффициент линейного расширения (20 °C) 7,1·10 -5 ; удельное электрическое сопротивление (0 °C) 4,3·10 -8 ом·м (4,3·10 -6 ом·см). Натрий парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость +9,2·10 -6 ; весьма пластичен и мягок (легко режется ножом).
Химические свойства н атрия
Нормальный электродный потенциал Натрия -2,74 в; электродный потенциал в расплаве -2,4 в. Пары Натрия окрашивают пламя в характерный ярко-желтый цвет. Конфигурация внешних электронов атома 3s 1 ; во всех известных соединениях Натрий одновалентен. Его химическая активность очень высока. При непосредственном взаимодействии с кислородом в зависимости от условий образуется оксид Na 2 O или пероксид Na 2 O 2 – бесцветные кристаллические вещества. С водой Натрий образует гидрооксид NaOH и H 2 ; реакция может сопровождаться взрывом. Минеральные кислоты образуют с Натрием соответствующие растворимые в воде соли, однако по отношению к 98-100%-ной серной кислоте Натрий сравнительно инертен.
Реакция Натрия с водородом начинается при 200 °C и приводит к получению гидрида NaH – бесцветного гигроскопического кристаллического вещества. С фтором и хлором Натрий взаимодействует непосредственно уже при обычной температуре, с бромом – только при нагревании; с иодом прямого взаимодействия не наблюдается. С серой реагирует бурно, образуя сульфид натрия, взаимодействие паров Натрия с азотом в поле тихого электрического разряда приводит к образованию нитрида Na 3 N, а с углеродом при 800-900 °C – к получению карбида Na 2 C 2 .
Натрий растворяется в жидком аммиаке (34,6 г на 100 г NH 3 при 0°C) с образованием аммиачных комплексов. При пропускании газообразного аммиака через расплавленный Натрий при 300-350 °C образуется натрийамин NaNH 2 – бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагаемое водой. Известно большое число натрийорганических соединений, которые по химические свойствам весьма сходны с литийорганическими соединениями, но превосходят их по реакционной способности. Применяют натрийорганические соединения в органическом синтезе как алкилирующие агенты.
Натрий входит в состав многих практически важных сплавов. Сплавы Na – К, содержащие 40-90% K (по массе) при температуре около 25°C, – серебристо-белые жидкости, отличающиеся высокой химической активностью, воспламеняющиеся на воздухе. Электропроводность и теплопроводность жидких сплавов Na – K ниже соответствующих величин для Na и K. Амальгамы Натрия легко получаются при введении металлического Натрия в ртуть; при содержании свыше 2,5% Na (по массе) при обычной температуре являются уже твердыми веществами.
Получение н атрия .
Основной промышленный метод получения Натрия – электролиз расплава поваренной соли NaCl, содержащей добавки KCl, NaF, CaCl 2 и другие, которые снижают температуру плавления соли до 575-585 °C. Электролиз чистого NaCl привел бы к большим потерям Натрия от испарения, так как температуры плавления NaCl (801 °C) и кипения Na (882,9 °C) очень близки. Электролиз проводят в электролизерах с диафрагмой, катоды изготовляют из железа или меди, аноды – из графита. Одновременно с Натрием получают хлор. Старый способ получения Натрия – электролиз расплавленного едкого натра NaOH, который значительно дороже NaCl, однако электролитически разлагается при более низкой температуре (320-330 °C).
Применение н атрия .
Натрий и его сплавы широко применяются как теплоносители для процессов, требующих равномерного обогрева в интервале 450-650 °C – в клапанах авиационных двигателей и особенно в ядерных энергетических установках. В последнем случае жидкометаллическими теплоносителями служат сплавы Na – K (оба элемента имеют малые сечения поглощения тепловых нейтронов, для Na 0,49 барн), эти сплавы отличаются высокими температурами кипения и коэффициентами теплопередачи и не взаимодействуют с конструкционными материалами при высоких температурах, развиваемых в энергетических ядерных реакторах. Соединение NaPb (10% Na по массе) применяется в производстве тетраэтилсвинца – наиболее эффективного антидетонатора. 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 металлургии Натрий служит активным восстановителем при получении некоторых редких металлов (Ti, Zr, Та) методами металлотермии; в органических синтезе – в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации и других.
Вследствие большой химической активности Натрия обращение с ним требует осторожности. Особенно опасно попадание на Натрий воды, которое может привести к пожару и взрыву. Глаза должны быть защищены очками, руки – толстыми резиновыми перчатками; соприкосновение Натрия с влажной кожей или одеждой может вызвать тяжелые ожоги.
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: формула
Раньше 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 натрия
Натрий 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 натрия
Натрий 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 натрия
Получить 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 получить
Получить 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.
Натрий и его соединения знакомы людям еще с давних времен. Наверное, самым популярным и общеизвестным соединением является хлорид натрия, больше известный как поваренная соль. Поваренная соль является обязательным компонентом практически любого блюда. Согласно мнению ученых, люди начали употреблять в пищу поваренную соль несколько тысячелетий назад.
Еще одно популярное соединение - карбонат натрия. Карбонат натрия - это обычная сода, которая продается в любом магазине. Вещество также используется людьми с давних времен в качестве моющего средства. Таким образом, с натрием и его соединениями люди ежедневно сталкиваются на протяжении уже многих десятков и сотен лет. Натрий легко вступает в реакцию как с металлическими, так и с неметаллическими элементами, образуя сплавы и соединения, широко применяемые в промышленности. Давайте рассмотрим подробнее свойства и характеристики этого металла.
Характеристика натрия
Физические свойства
Натрий - мягкий пластичный металл, который очень легко можно разрезать ножом. Имеет серебристо-белый цвет, а также характерный металлический блеск. Металл хорошо проводит тепло и электрический ток. Атомы натрия связаны металлической связью.
Химические свойства
Атомы натрия при реакции с другими химическими элементами легко отдают валентные электроны. При этом атомы натрия переходят в ионы с положительным зарядом.
- Натрий очень быстро окисляется на открытом воздухе. Именно поэтому металл обычно хранят в керосине.
- При горении в кислороде образует соединение пироксид натрия (Na 2 O 2)
- При нагревании Натрий вступает в реакцию с водородом, образуя при этом гидрид (2NaH)
- Натрий достаточно легко вступает в реакцию с неметаллами, такими как сера, форфор и другими.
- Также натрий способен вступать в реакцию с металлами. При этом образуются различные сплавы, которые широко используются в производстве и промышленности.
- Натрий вступает в бурную реакцию с водой.
Нахождение натрия в природе
Натрий находится на седьмом месте в списке самых распространенных на Земле элементов. Также натрий является пятым по счету среди самых распространенных металлов. Среди металлов чаще натрия встречаются только алюминий, железо, кальций и магний.
Натрий не встречается в природе в чистом виде. Причина этому - высокая химическая активность натрия. Элемент встречается в природе в виде хлорида, карбоната, нитрата, сульфата и других солей.
Где же встречается натрий в природе?
Во-первых, достаточно большое содержание натрия зафиксировано в земной коре. Доля вещества составляет примерно 2,6%.
Во-вторых, натрий и его соединения в большом количестве встречаются в местах испарения древних морей.
Еще одним местом скопления натрия и его соединений являются океанические воды. Ученые подсчитали, что вся соль, которая есть в Мировом океане составляет объем около 19 миллионов кубических километров.
Также натрий в небольших количествах содержится в живых существах. При этом содержание натрия в животных несколько выше, чем в растениях. Ионы натрия в живых организмах выполняют важнейшую функцию: способствуют передаче нервных импульсов.
Применение натрия в промышленности
Натрий широко используется во многих отраслях промышленности: химической, металлургической, атомной, пищевой, легкой и других отраслях.
В химической промышленности натрий используется для производства различных моющих и чистящих средств, удобрений и антисептиков.
В металлургии натрий используется в процессе получения других веществ, таких как торий, уран, титан, цирконий и других соединений. Натрий в таких реакциях выступает в качестве восстановителя.
Также натрий широко используется в атомной энергетике. Натрий и его сплавы используют в качестве теплоносителя.
В легкой промышленности натрий широко используют для обработки кожи.
Натрий является важнейшим элементом пищевой промышленности. Хлорид натрия, больше известный как поваренная соль, является, пожалуй, самой распространенной пищевой добавкой, без которой не обходится приготовление любого блюда.
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