Общие сведения и методы получения

Натрий (Na) Д серебристо-белый щелочной металл, быстро тускнеющий на воздухе при обычных условиях. Содержание в земной коре 2,5 % (по массе). В водах мирового океана средняя его концентрация 1,035 %. В живых организмах содержится до 0,02 % (по массе) натрия, содержание его в растениях несколько ниже. Известно более 220 минералов, в состав которых входит натрий. Наиболее распространены: хлорид натрия, или поваренная соль NaCl галит NaCl, или каменная соль, чилийская селитра NaNO₃, тенардит Na₂SO₄, мираболит (глауберова соль) Na₂SO₄*10Н₂О, трона Na₃H(CO₃)₂*2H₂O и др. Натрий присутствует также в ряде более сложных минералов, содержащих алюминий, кремний, серу и другие элементы. Например, в нефелине, лазурите (ультрамарин), жадеите и др. Ряд соединений натрия, в первую очередь поваренная соль и сода Na₂СО₃*10Н₂О, известны человеку с глубокой древности. В древнем Египте было известно моющее вещество (сода), которое называли neter. У Аристотеля оно носит название νιτρου, а у Плутарха (Древний Рим)Дnitrum. В рукописях арабских алхимиков соде отвечает термин natron, от которого постепенно в XVIIДXVIII вв. обра|зуется термин «натра», т. е. основание, из которого можно получить поваренную соль. От «натра» произошло современное название элемента; Надо отметить, что в ряде стран Западной Европы (Великобритания, Франция, Италия), а также США натрий носит название sodium. Металлический натрий впервые был получен в 1807 г. английским химиком Деви в результате электролиза (щелочной способ). Из-за большой энергоемкости щелочной способ получил промышленное распространение лишь в конце XIX в. До этого металлический натрий получали химическим восстановлением его соединений углеродом или расплавленным чугуном при высокой температуре. С первой четверти 20-го века щелочной способ постепенно вытесняется солевым, т. е. электролизом непосредственно расплава хлористого натрия, минуя стадию получения щелочи. Электролиз расплавленной соли ведут при 850Д860 К. Для снижения температуры плавления NaCl используют добавки ряда солей, в частности NaF, KC1, СаСl₂ и др. При электролизе хлористого натрия получают также еще один ценный продукт Д газообразный хлор. Поэтому в настоящее время солевой способ получении натрия практически вытеснил щелочной, не говоря уже о химических способах. Производство натрия металлического технической чистоты в нашей стране регламентируется ГОСТ 3273Д75, согласно которому в готовом продукте содержание натрия должно быть не менее 99,7 %, калия Д не более 0,1 %, железа Д не более 0,001 % и кальция Д не более 0,15 %. В этом же ГОСТе содержатся правила транспортировки, хранения и требования по технике безопасности при работе с натрием.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 11, атомная масса 22,98977 а. е. м., атомный объем 23,08*10⁶ м³/моль. Атомный радиус (металлический) 0,192 нм, ионный радиус Na+ 0,098 нм, ковалентный - 0,157 нм. Натрий обладает единственным стабильным изотопом ²³Na; известно пять радиоактивных изотопов с массовыми числами от 20 до 25; период полураспада изотопов изменяется от тысячных долей секунды (²⁰Na) до 2,6 года у ²²Na. При комнатной температуре натрий имеет о. ц. к. решетку с периодом а=0,42905 нм; энергия кристаллической решетки 108,8 мкДж/кмоль. При низких температурах существует модификация натрия с г. п. у. структурой, периоды которой при 5К: а=0,3767 нм, . с=0,6154 им. Потенциалы ионизации атома натрия (эВ) 5,138, 47,20, 71,8, электроотрицательность 0,9. Работа выхода электронов фо =2,35 эВ. Работа выхода электронов для различных граней монокристалла ф=2,75эВ для {100}, ф=3,10эВ для {110}, ф=2,б5эВ для {111}.

Плотность. При комнатной температуре плотность натрия рентгеновская р=0,966 Мг/м³, пикнометрическая р=0,971 Мг/м³. Плотность натрия в зависимости от температуры:

Т,К	р, Мг/м3	Т,К	р, Мг/м3	Т,К	р, Мг/м3
273,15	0,973	500	0,897	850	0,814
300	0,967	550	0,885	900	0,802
350	0,956	600	0,873	950	0,790
371,00 (т) 371,00(ж)	0,952 0,928	650 700	0,861 0,849	1000 1050	0,778 0,768
400	0,921	750	0,837	1100	0,754
450	0,909	800	0,826	1150	0,742

 

При плавлении плотность натрия снижается на 2,5 %.

Электрические и магнитные. Удельная электрическая проводимость натрия в зависимости от температуры:

К.......................113..... 273.......373......573

σ, МСм/м..........100.....21,1......10,4..... 6,0

Удельное электрическое сопротивление р натрия в зависимости от температуры:

Т,К	р, мкОм	Т,К	р, мкОм	Т,К	р, мкОм
113 273 300	0,010 0,0429 0,0485	350 371 (тв) 371 (ж) 400	0,0603 0,0658 0,0980 0,1060	450 500 550 600	0,1212 0,1380 0,1565 0,1767

При плавлении удельное электрическое сопротивление натрия возрастает в 1,451 раза. Температурный коэффициент электрического сопротивления натрия при 273 К α=4,34*10^-3 К^-1.

В термопаре натрий Д платина при температуре горячего спая 173,16 К развивается т. э. д. с. =0,29 мВ, а при температуре 373,16 К Е= -0,25 мВ. Абсолютный коэффициент т. э. д. с. е= -4,4 мкВ/К. Постоянная Холла при комнатной температуре R=2,3*10^-10 м³/Кл и R= -2,2*10^-10 м³/Кл при 371Д383 К. Магнитная восприимчивость натрия χ= +0,70*10^-9 при 293К.

Тепловые и термодинамические.

Температура плавления натрия =98 °С, температура кипения 878⁰С, характеристическая температура =160К, удельная теплота плавления 117 кДж/кг. Удельная теплота сублимации при 298 К = 4717 кДж/кг, удельная теплота испарения = 3869 кДж/кг. Теплота испарения натрия при нормальном давлении = 3869 кДж/кг. При плавлении происходит увеличение объема на ΔV=27,82-10^-6 м³/кг или ΔV/V₀=0,0265. При повышении давления возрастает температура плавления металла, достигая 515 К при 3 ГПа и 608 при 8 ГПа. Начальное значение углового коэффициента dT/dP=85 К/ГПа, при 7 ГПа 33 К/ГПа. Фазовых превращений в натрии до давления 8,5 ГПа не обнаружено.

Удельная теплоемкость натрия в интервале 273ДТпл Ср= 1226 Дж/(кг*К).

Изменение удельной теплоемкости в зависимости от температуры:

Т,К	Ср, Дж/(кг*К)	Т,К	Ср, Дж/(кг*К)	Т,К	Ср, Дж/(кг*К)
273,15 298,15 300 350	1201 1224 1228 1314	371,0 (тв) 371,0 (ж) 400 450	1390 1385 1370 1348	500 550 600	1328 1310 1295

Электронная теплоемкость С^э_р= [1,4 мДж/(моль*K²) *T.

Зависимость теплопроводности λ натрия от температуры:

Т, К	λ,Вт/(м*К)	Т, К	λ,Вт/(м*К)	Т, К	λ,Вт/(м*К)
17 40 60Д100 273	10,0 54,0 55,0 150,0	323 371,9 393 473	149,65 99,75 99,5 81,25	673 873 1073	71,2 62,8 57,15

Температурный коэффициент линейного расширения а в интервале температур 273Д268 К α=72*10^-6 К^-1.

Молярная энтропия натрия в зависимости от температуры:

Т,К	298	500	1000	1500	2000
s°, Дж/(моль*К)	51,1	73,9	94,3	187,3	193,3

 

Приведенный термодинамический потенциал натрия Ф_т в зависимости от температуры:

Т,К	298	500	1000	1500	2000
Фт, Дж/(моль*К)	51,1	56,3	70,9	98,4	121,3

Давление пара натрия в зависимости от температуры:

T, K	P, Па	T, K	P, Па	T, K	P, Па
400 500 600	17,65*10-7 8,47*10-2 4,56	700 800 900	96,8 8,52*102 45,1*102	1000 1100	17,2*103 50,2*103

Давление пара натрия при температуре его плавления (371,0 К) 14,32 мкПа.

Поверхностное натяжение σ в зависимости от температуры:

T, K	σ, мН/м	T, K	σ, мН/м	T, K	σ, мН/м
371,0 (ж)	195,0	600	172,1	800	152,1
400	192,1	650	167,1	850	147,1
450	187,1	700	162,1	900	142,1
500	182,1	750	157,1	950	137,1
550	177,1			1000	132,1

Поверхностная энергия кристаллического натрия для грани (100) v =171 МДж/м².

Динамическая вязкость η натрия в зависимости от температуры:

T, K	η, мПа*с	T, K	η, мПа*с	T, K	η, мПа*с
371,0	6,96	550	3,69	750	2,48
400	6,08	600	3,28	800	2,30
450	4,99	650	2,95	850	2,15
500	4,24	700	2,69	900	2,02

Кинематическая вязкость натрия v в зависимости от температуры:

T, K	v*108, м2/с	T, K	v*108, м2/с	T, K	v*108, м2/с
371,0	96,85	550	41,71	750	29,56
400	66,03	600	37,52	800	27,83
450	54,93	650	34,26	850	26,40
500	47,28	700	31,37	900	25,17

Оптические свойства.

Отражательная способность натрия (коэффициент отражения) в зависимости от длины волны:

λ, мкм	nD, %	λ, мкм	nD, %	λ, мкм	nD, %
0,33 0,42 0,56	91 93  96	0,66 1,18	98 99	1,53 2,28	99 99

Показатель преломления n в зависимости от длины волны λ:

λ, мкм	n	λ, мкм	n	λ, мкм	n
0,042 0,080 0,950 0,105	1,020 0,942 0,910 0,884	0,1277 0,1436 0,1635	0,817 0,764 0,679	0,1739 0,1900 0,2000	0,616 0,485 0,390

Механические свойства

Твердость натрия по Бринеллю HB = 0,7 МПа. Модуль нормальной упругости при растяжении при комнатной температуре E=5,3 ГПа. Сжимаемость натрия х = 15,99*10^-11 Па^-1

Химические свойства

В химических соединениях, включая гидриды, проявляет степень окисления + 1. Натрий относится к числу наиболее реакционноспособных металлов, поэтому в чистом виде в природе не встречается. НатрийДодин из наиболее электроположительных металлов; интенсивно взаимодействует с кислородом воздуха, поэтому его обычно хранят под слоем керосина. Нормальный электродный потенциал реакции NaДе =Na⁺, ф₀ = Д2,714 В. В ряду напряжений натрий стоит далеко впереди водорода и вытесняет его из воды, образуя при этом гидроксид NaOH.

При пропускании сухого водорода над слегка нагретым натрием образуется гидрид натрия NaH, представляющий собой ионное соединение, в которое натрий входит в виде катиона, а водородДв виде аниона. Теплота образования NaH = 50,19 кДж/моль. Важнейшее соединение натрия с кислородом Д оксид натрия Na₂О и пероксид натрия Na₂O₂.

Оксид натрия образуется при горении натрия в недостаточном количестве кислорода, бурно реагирует с водой с образованием гидроксида, имеет кристаллическую решетку типа плавикового шпата. Пероксид натрия образуется при сжигании натрия на воздухе или в кислороде, представляет собой бледно-желтый порошок, который плавится без разложения; очень сильный окислитель. Многие органические вещества при соприкосновении с ним воспламеняются. При взаимодействии Na₂O₂ с углекислым газом выделяется кислород. Эту реакцию используют в дыхательных аппаратах, применяемых пожарными и водолазами, а также для регенерации воздуха в закрытых помещениях, например на подводных лодках. Гидроксид натрия NaOH образуется в виде белых очень гигроскопических кристаллов, плавящихся при 318,3 °С; плотность 2,13 Мг/м³. Известно соединение натрия с углеродом Na₂С₂, которое можно рассматривать как соль ацетилена. Поэтому оно получило название ацетилида натрия. Теплота его образования = 17,14 кДж/моль. С азотом, возбужденным электрическим тлеющим разрядом, натрий реагирует с образованием нитрида Na₃N или азида NaN₃.

Нитрид натрия устойчив в сухом воздухе, но моментально разлагается водой или спиртом с образованием аммиака.

Сульфид натрия Na₂S получают путем восстановления сульфата натрия углеродом. В чистом виде Na₂S бесцветен, обладает кристаллической решеткой типа CaF₂. Очень распространенное соединение натрия с серой и кислородом Д так называемая глауберова соль Na₂SO₄*10Н₂О. Натрий наряду с обычным химическими соединениями, подчиняющимися правилу валентности, образует также металлические соединения. В сплавах системы Na Д К образуется фаза Лавеса состава KNa₂, имеющая сложную о. ц. к. кристаллическую решетку типа MgCu₂(C15). Аналогичное металлическое соединение наблюдается при взаимодействии натрия с цезием. Ряд металлических соединений образуется при взаимодействии натрия с металлами I и VII В групп Д серебром, золотом, цинком, кадмием, ртутью, галлием, оловом, свинцом и другими элементами. Имеются, конечно, и исключения. Так, алюминий, элемент ШВ подгруппы, не взаимодействует с натрием ни в жидком, ни в твердом состояниях. Элементы IIIДVIIIA подгрупп Периодической системы практически с натрием не взаимодействуют из-за большого различия как размерного фактора, так и температур плавления.

Технологические свойства

Натрий очень мягок и пластичен, легко деформируется на холоду. Давление истечения натрия, по данным Н. С. Курнакова и С. Ф. Жемчужного, находится в пределах 2,74Д3,72 МПа в зависимости от диаметра выходного отверстия.

Области применения   

Натрий достаточно широко применяется в различных областях техники. Высокая реакционная способность этого элемента предопределила его использование в металлургии в качестве восстановителя для получения натрийтермическим способом таких металлов, как титан, цирконий, гафний, ниобий и др. При производстве некоторых сортов литейных алюминиевых сплавов натрий и его соли используют в качестве модификаторов. В химической промышленности натрий применяют при производстве цианистых солей, синтетического каучука и синтетических моющих средств (детергенидов), фармацевтических препаратов, а также тетраэтила свинца Д антидетонатора при получении высокооктанового топлива для двигателей. В последние годы расширяется использование чистого натрия и его сплавов с калием в атомной энергетике в качестве теплоносителей. Широко применяются в народном хозяйстве его химические соединения. Это прежде всего гидроксид натрия NaOH (каустическая сода), который используют в мыловаренной промышленности, при производстве красок, в целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности, при производстве искусственного волокна и др. Сода Д карбонат натрня Na₂CO₃ Д применяется в стекольной, целлюлозно-бумажной, пищевой, текстильной, нефтяной и других отраслях промышленности. В сельском хозяйстве в качестве удобрения широко используется натриевая соль азотной кислоты NaNO₃, известная под названием чилийской селитры.