Натрий: история открытия, применения, физические и химические свойства, место в таблице Менделеева, строение атома

Натрий входит в группу химических элементов, известных как щелочные металлы. Серебристый по цвету, он мягкий, восковой, легкий. Обладает высокой реакционной способностью, быстро окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой с образованием щелочного гидроксида, газообразного водорода. Натрий не встречается в природе как свободный металл, но связан с другими элементами в виде соединений. Присутствует в виде катионов в морской воде.

История открытия

Соединения этого элемента известны уже давно. Сам металл был впервые выделен в 1807 году, когда сэр Хамфри Дэви провел электролиз каустической соды (гидроксида), в ходе которого натрий осаждался на катоде.

Название “sodium” происходит от английского слова soda. Символ Na – от нео-латинского названия общего соединения, называемого натрием. Это название, в свою очередь, происходит от греческого nítron – разновидности натуральной соли. В Средневековой Европе соединение с латинским названием натрий применяли как средство от головной боли.

В конце XIX века элемент химически получен путем нагревания карбоната с углеродом до 1100 °C. Реакция:

• Na2CO3 (жидкость) + 2C (твердое вещество, Кокс) → 2Na (пар) + 3CO (газ).

В настоящее время натрий производится промышленным способом путем электролиза плавленого (сжиженного) хлорида. В этом процессе (известном еще как процесс Даунса) хлорид кальция смешивают с хлоридом натрия, чтобы снизить температуру плавления ниже 600 °C. Натрий, но не кальций, осаждается на катоде. Этот метод менее затратен, чем более ранний метод электролиза гидроксида.

Натрий в таблице Менделеева

Как щелочной металл, он находится в группе 1 (главная группа 1А) периодической таблицы, между литием и калием. Расположен в начале периода 3, непосредственно перед магнием.

Строение атома 

Известно 13 изотопов, из которых единственный стабильный – 23Na. Натрий имеет два радиоактивных космогенных изотопа. То есть изотопы, образующиеся при взаимодействии высокоэнергетических космических лучей с ядрами атомов. Это 22Na с периодом полураспада 2,605 года и 24Na с периодом полураспада около 15 часов.

Воздействие высоких уровней нейтронного излучения (например, при аварии ядерного реактора) превращает часть стабильной 23Na в плазме крови человека в 24Na. Измеряя концентрацию последнего изотопа, можно вычислить дозу нейтронного излучения для пострадавшего.

Физические свойства

Как и другие щелочные металлы, натрий – мягкий, легкий, реактивный. Благодаря реакционной способности, встречается в природе в виде соединений, но никогда не в виде чистого элемента.

Металлический натрий присутствует в воде и бурно реагирует с ней, выделяя:

• тепло;
• газообразный водород;
• едкий раствор гидроксида.

Когда сам элемент или его соединения сжигаются в пламени, этот процесс сопровождает отчетливый желтый цвет, соответствующий двум основным спектральным линиям – «натриевым D-линиям» на длинах волн 588,9950 и 589,5924 Нм.

С металлическим веществом всегда следует обращаться осторожно. Оно очень взрывоопасно в воде, становится ядом в сочетании с другими элементами. Порошкообразная форма может самопроизвольно гореть в воздухе или кислороде. По этим причинам натрий должен храниться либо в инертной атмосфере, либо под жидким углеводородом, таким как минеральное масло или керосин.

В 1860 году в своей статье «Химический анализ путем наблюдения спектров» в научном журнале Annalen der Physik und der Chemie Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен сообщили: «В самом дальнем от аппарата углу нашей 60-кубической комнаты мы взорвали 3 мг (миллиграмма) хлората с молочным сахаром, наблюдая за несветящимся пламенем перед щелью. Через несколько минут пламя постепенно пожелтело и показало сильную натриевую линию, которая исчезла только через 10 минут. По весу натриевой соли и объему воздуха в помещении легко вычислить, что одна часть по весу воздуха не может содержать более 1/20 миллионной массы элемента».

При экстремальном давлении натрий отклоняется от стандартных правил перехода в жидкое состояние. Большинству материалов требуется больше тепловой энергии, чтобы расплавиться под высоким давлением, чем при нормальном атмосферном. Это происходит потому, что молекулы находятся ближе друг к другу и имеют меньше места для свободного перемещения.

При давлении 30 гигапаскалей (в 300 000 раз превышающем атмосферное давление на уровне моря) температура плавления начинает падать. При показателях около 100 гигапаскалей элемент плавится при комнатной температуре.

Возможное объяснение аберрантного поведения вещества заключается в том, что этот элемент имеет один неспаренный электрон (во внешней оболочке), который под давлением толкается ближе к остальным десяти, вызывая взаимодействия (в норме они обычно отсутствуют).

Химические свойства

Бикарбонат натрия (NaHCO3) в быту известен как пищевая сода. Это растворимое белое соединение с легким щелочным вкусом. Встречается во многих минеральных источниках, производится искусственно.

При воздействии кислоты на бикарбонат получается углекислый газ и вода. Реакция следующая:

• NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2 (газ);
• NaHCO3 + CH3COOH → NaCH3COO + H2O + CO2 (газ).

При нагреве 60 °С и более бикарбонат делится на:

• карбонат натрия;
• воду;
• углекислый газ.

А при температуре 200 °С он полностью разлагается на карбонат:

• 2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2.

Гидроксид (NaOH), известный как щелок или каустическая сода, – это сильная химическая основа, востребованная не только для опытов, но и в промышленности. Может быть белым веществом в гранулах, хлопьях, и в виде 50-процентного насыщенного раствора. Гидроксид быстро забирает влагу и углекислоту из воздуха, поэтому его следует хранить в плотно закрытой таре.

Это вещество быстро растворяется в воде – процесс высвобождает тепло. Оно растворимо и в других полярных средах: этаноле, метаноле. Нерастворим в неполярных, например, в диэтиловом эфире.

Перчатки и средства защиты глаз следует обязательно носить во время работы с гидроксидом натрия, так как в случае, если он попадет на кожу, может появиться ожог. Если же вещество случайно попадет в глаз – высока вероятность частичной или полной утраты зрения.

Фартук из поливинилхлорида рекомендуется использовать при применении концентрированных растворов или твердой формы натрия. Его следует хранить вдали от сильных кислот, таких как серная кислота.

Каустическую соду получают электролизом хлорида натрия. Он собирается на катоде, после чего вода переходит в газообразный водород, гидроксидные ионы. Процесс, называемый «процессом хлоралканы», тоже производит хлор.

Гидроксид – ионное соединение натрий+гидроксид. В реакции с соляной кислотой получают хлорид натрия:

• раствор NaOH(р-р) + HCl(р-р) → раствор NaCl(р-р) + H2O(ж).

Такие кислотно-основные реакции могут быть использованы для титрования, и это обычный способ измерения концентрации кислот. С этим связана реакция гидроксида с кислотными оксидами, такими как:

• диоксид углерода (CO2);
• диоксид серы (SO2).

Подобные реакции часто используются для «очистки» вредных кислых газов (таких как SO2 и H2S) и предотвращения их выброса в атмосферу.

Гидроксид медленно реагирует со стеклом с образованием силиката натрия, поэтому стеклянные соединения и запорные краны, подвергнутые воздействию NaOH, имеют тенденцию «замерзать». Лабораторные колбы и стеклянные химические реакторы повреждаются при длительном воздействии горячего гидроксида. Само стекло становится матовым.

Гидроксид не атакует железо или медь, но многие другие металлы, такие как алюминий, цинк и титан, вступают в реакцию быстро. По этой причине алюминиевые кастрюли никогда не следует чистить щелоком.

Натрий в природе

Натрий – распространенный щелочной металл. Он составляет около 2,6% состава земной коры. Природный компонент связан с другими элементами во многих минералах. Наиболее распространенный натрийсодержащий минерал – галит (или каменная соль), химически известный как хлорид.

Другие минералы, включающие натрий:

• криолит (фторид алюминия);
• кальцинированную соду (карбонат);
• нитрат соды (или чилийскую селитру, нитрат);
• несколько представителей амфиболовых и цеолитовых групп минералов.

Натрия в звездах относительно много. Его спектральные линии, известные как D, являются одними из самых заметных в звездном свете.

Карбонат натрия (Na2CO3), известный как промывочная сода. Встречается в форме кристаллического гептагидрата (Na2CO3·7H2O), который легко теряет воду из кристаллов, образуя белый порошок-моногидрат (Na2CO3·H2O). Имеет охлаждающий, щелочной вкус. Может быть извлечен из золы многих растений. Его производят искусственно в больших количествах из поваренной соли (хлорида).

Карбонат растворим в воде. Нередко его обнаруживают в минеральных отложениях (эвапоритах), возникающих вследствие испарения сезонных озер. Минерал Натрон, представляющего собой комбинацию карбоната и бикарбоната, добывался со дна высохших озер Египта еще в древние времена.

Хлорид натрия, известный как поваренная соль – соединение с NaCl. Он содержится в больших количествах в морской воде и в виде минерального галита или каменной соли. Производится путем испарения морской воды, соляных скважин, озер.

Применение

Натрий, его сплавы, ионы и соединения имеют широкий спектр применения. Некоторые из них перечислены ниже:

1. Металлическая форма используется для выделения некоторых других металлов, таких как цирконий и калий, их соединений. Применяется для производства цианида, гидрида и пероксида.
2. Натрий используется для удаления накипи (сглаживания) с металлических поверхностей и очистки расплавленных металлов.
3. Натриевые лампы – эффективное средством получения света.
4. Элемент добавляют в некоторые сплавы для улучшения их структуры. Сплав с калием (NaK) – теплоноситель. Является химическим восстановителем.
5. Натрий используют в производстве мыла.
6. Лазер, используемый в оптическом диапазоне Starfire для экспериментов с лидарами и лазерными направляющими звездами, настроен на линию натрия D. Используется для возбуждения атомов в верхних слоях атмосферы.
7. Бикарбонат натрия – отличный антацид, который применяют для нормализации кислотности в желудке при гастрите. Также его добавляют в зубную пасту. В сочетании с кислыми веществами (такими как лимонный сок) – разрыхлитель при выпечке. Бикарбонат натрия обычно применяется с целью ощелачивания воды в бассейнах, спа-салонах (особенно при высоком содержании хлора).
8. Карбонат востребован в производстве стекла, бумаги, моющих средств и химических веществ, таких как силикаты натрия, фосфаты. Многие химические отрасли используют его в качестве щелочного агента. Он широко применяется при обработке фотопленки – для оптимального действия проявителей в щелочной среде.

Хлорид натрия широко используется в качестве усилителя вкуса в пищевых продуктах. Применяется в производстве целлюлозы, бумаги, мыла, моющих средств. Он нужен для получения многих современных материалов, включая поливинилхлорид, пестициды.

В качестве основного ингредиента пищевой соли хлорид – приправа, пищевой консервант. Такие его свойства помогли устранить зависимость человека от сезонной доступности пищи.

Гидроксид – прочная хим. основа при производстве:

• целлюлозы и бумаги;
• текстиля;
• мыла, моющих средств.

Он применяется для управления химическими реакциями и для измерения концентрации кислот. Пищевое использование щелока включает:

• мойку продуктов питания (фрукты, овощи);
• обработку шоколада, какао;
• ошпаривание птицы;
• обработку безалкогольных напитков;
• сгущение мороженого. 

Оливки часто замачивают в щелоке, чтобы смягчить их. Крендельки и немецкие булочки глазуруют его раствором перед выпечкой, чтобы сделать их хрустящими.

Гидроксид натрия часто применяют для прочистки стоков в квартирных домах. В отличие от NaOH, гидроксиды практически не растворяются, поэтому могут быть использованы для осаждения гидроксидов металлов.

Натрий – мягкий и легкий щелочной металл, который в чистом виде в природе не присутствует. Это один из самых распространенных элементов на Земле. Широко используется в промышленности и даже в кулинарии. А что интересного вы знаете о натрии? Напишите в комментариях. Поделитесь статьей в социальных сетях и сохраните ее в закладках, чтобы не потерять.

Из видео вы узнаете многие свойства натрия, о которых учителя химии стараются умалчивать. В ролике: реакция натрия с водой, взрывы натрия в воде и в перекиси водорода, реакция натрия с серой, с горячим глицерином, с уксусом.

Источники:

• https://transferfaktory.ru/natriy
• https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/6512
• https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/NATRI.html
• https://бмэ.орг/index.php/НАТРИЙ
• https://medicina.dobro-est.com/natriy-na-rol-v-organizme-primenenie-sutochnaya-potrebnost-istochniki.html
• http://geo-storm.ru/dosug-i-otdykh/udivitelnoe/kak-otkryli-natrijj
• http://chemlib.ru/books/item/f00/s00/z0000011/st015.shtml
• https://biobloger.ru/natrij.html