Натрий

Металлический натрий

Хранение натрия в керосине или в масле

Тест на присутствие натрия — характерный ярко-жёлтый цвет пламени

Натрий (обозначается Na) — химический элемент главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы Д. И. Менделеева, атомный номер 11; при нормальных условиях — серебристый белый блестящий металл, быстро тускнеет на воздухе, образуя оксиды, карбонаты и основание NaOH.

Относится к щелочным металлам.

Изотопы

Натрий встречается в природе в виде одного стабильного изотопа ²³Na, искусственно получены многочисленные (около 20) радиоактивные изотопы натрия (массовые числа 18-37), а также 2 ядерных изомера. Изотоп ²²Na (период полураспада ~2,6 лет) используется как источник позитронов и в научных исследованиях; ²⁴Na (период полураспада 15 часов, испускает бета-лучи)— в медицине для лечения лейкемии. Остальные изотопы имеют периоды полураспада меньше минуты и представляют лишь научный интерес.

Физические свойства

Металл очень мягкий, легко режется ножом. Относительная атомная масса ~23 а.е.м., плотность при нормальных условиях всего 0,971 г/см³ (то есть натрий легче воды).

Температура плавления — 370,96 K (примерно 98 °C, кипит при 1156,1 K (примерно 883 °C).

Электронная конфигурация: [Ne] 3s¹. Радиус атома 190 пикометров (10^-12).

Нахождение в природе

Является одним из наиболее распространённых элементов в земной коре (занимает 6 место по распространённости на Земле). Кларк натрия в земной коре 25 кг/т. Процентное содержание натрия в земной коре — 2,64 % по массе. В гидросфере натрий содержится в виде растворимых солей — 2,9 %. Содержание в морской воде — 10,5 г/л.

Из-за высокой химической активности натрий в свободном состоянии в природе не встречается, а присутствует в виде соединений, например NaCl (галит, поваренная соль).

Известны и другие природные соединения натрия, например глауберова соль (десятиводный сульфат натрия, формула Na₂SO₄·10H₂O) и чилийская селитра (нитрат натрия). Встречаются также гидрокарбонаты (нахколит) и гидраты карбонатов натрия (сода или натрит, термонатрит), трона (Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O).

Значительная часть натрия в составе соединений содержится в водах океанов и морей, а также залежей каменной соли в месторождениях на суше. Кроме того, соединений натрия много на месте высохших соляных и содовых озёр и лиманов.

Химические свойства

Горение металлического натрия

Как и все щелочные металлы, натрий химически очень активен. Однако, по активности он уступает калию, рубидию, цезию и францию, но превосходит литий, поскольку в группе щелочных металлов реакционная способность увеличивается сверху вниз, то есть с ростом порядкового номера.

Натрий бурно реагирует с водой, восстанавливая её до водорода, при этом образуется сильное основание (щёлочь) NaOH:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑

Если бросить кусочек натрия в воду, то он начнёт скользить по воде и плавиться, так как при взаимодействии натрия с водой выделяется большое количество теплоты. Водород, получившийся как побочный продукт в этой реакции может при этом загореться.

Натрий окисляется кислородом при комнатной температуре, давая оксид. При сгорании натрия на воздухе получается пероксид:

4Na + O₂ → 2Na₂O (оксид)

2Na + O₂ → Na₂O₂ (пероксид)

Существует также надпероксид (супероксид) натрия NaO₂. Его можно получить сжиганием натрия в кислороде при 450 °C и высоком давлении.

Na + O₂ → NaO₂

Активно взаимодействует со галогенами: фтором, хлором и бромом, образуя галогениды состава NaX, где X — галоген:

2Na + X₂ → 2NaX

С водородом реакция начинается при нагревании 250-400 °С, при этом получается гидрид натрия NaH:

2Na + H₂ → 2NaH

С азотом реагирует очень трудно. Нитрид натрия можно получить, пропуская электрический ток через металлический натрий в атмосфере азота.

6Na + N₂ → 2Na₃N

С аммиаком при нагревании образует амид:

2Na + 2NH₃ → 2NaNH₂ + H₂↑

С серой, селеном и теллуром активно реагирует, при этом получаются халькогениды состава Na₂X, NaX, NaX₂ и Na₂X₅.

Легко реагирует с кислотами, например серной, соляной и азотной. Продуктами реакции являются сульфат, хлорид и нитрат натрия соответственно.

Соли натрия хорошо растворяются в воде.

Со ртутью натрий образует амальгаму (сплав металла с ртутью).

Алкилгалогениды с избытком металла образуют натрийорганические соединения, которые очень реакционноспособны: взрываются при контакте с водой, самовоспламеняются на воздухе. При недостатке натрия получается реакция Вюрца.

В соединениях натрий одновалентен.

Натрий является сильным восстановителем.

В ряду напряжений стоит до водорода, между кальцием и актинием.

Хранение

Чтобы предотвратить окисление натрия, его, как правило, хранят под слоем керосина или масла.

Получение

В промышленности чистый натрий получают электролизом расплава хлорида натрия или гидроксида натрия:

2NaCl → 2Na + Cl₂↑

4NaOH → 4Na + 2H₂O↑ + O₂↑

Если проводить электролиз раствора хлорида натрия, то получается щёлочь, хлор и водород.

Натрий также можно получить термическим разложением азида NaN₃ и цирконийтермическим методом.

Впервые натрий был получен карботермической реакцией восстановления карбоната натрия углём при нагревании смеси этих веществ в железной ёмкости до 1000 °C (способ Девилля):

Na₂CO₃ + 2C → 2Na + 3CO↑

Кроме карбоната натрия могут быть использованы карбид кальция, алюминий, кремний, ферросилиций, силикоалюминий (силумин).

Применение

• Чистый натрий используется в химии, промышленности и металлургии как сильный восстановитель.
• Для осушения эфиров и других органических растворителях.
• Для приготовления легкоплавких сплавов.
• Производство натриево-серных аккумуляторов.
• В выпускных клапанах двигателей грузовиков как жидкий теплоотвод.
• Редко натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.
• Теплоноситель в сплаве с калием, рубилием и цезием. Например, сплав 12 % натрия, 47 % калия, и 41 % цезия имеет очень низкую температуру плавления: −78 °C. Он был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для атомных энергоустановок.
• Использование в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) часто применяются в уличном освещении, натрий даёт ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12—24 тысяч часов. Кроме того, существуют также лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути).
• Чистый натрий используется в качественном анализе органического вещества.
• Для производства цианида натрия. Для этого проводят реакцию натрия, аммиака и кокса при температуре около 800°C. Полученный продукт используется при добыче золота (цианирование).

Меры предосторожности

• Натрий нельзя брать голыми руками, так как находящаяся на них влага может прореагировать с ним, а образовавшийся гидроксид натрия вызвать химические ожоги.

Интересные факты

• Под высоким давлением натрий становится красным и прозрачным, похожим на рубин.

Источники

• Большая Советская Энциклопедия — Натрий.
• Натрий. Химическая энциклопедия.
• Популярная библиотека химических элементов. Натрий.

ИС Данная статья была избранной статьёй в Викисфере