Na · Элемент 11 · Щелочной металл
Мягкий, серебристый и яростно активный: натрий реагирует с водой настолько быстро, что поджигает выделяющийся водород.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение натрий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 186 pm — это 0,186 нм, поэтому около 2,69 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Натрий находится в жидком состоянии в диапазоне 785 K — от 371 K до 1156 K.
История
Натрий — взрывоопасный металл, который поддерживает вашу жизнь. Чистый натрий настолько реакционноспособен, что при контакте с водой вспыхивает, однако вашему организму он необходим для передачи каждого нервного импульса и поддержания правильного баланса жидкости. Этот мягкий серебристый металл можно разрезать ножом для масла, но не позволяйте его мягкости вводить вас в заблуждение: бросьте его в воду — и увидите бурное шипение, пламя и возможные взрывы. Поваренная соль (хлорид натрия) сыграла важную роль в истории человечества: римским солдатам иногда платили солью (отсюда произошло слово «зарплата»), а для этой «белой золота» прокладывали целые торговые пути. Ваши нейроны используют ионы натрия подобно электричеству, закачивая их внутрь и наружу, чтобы передавать сигналы от мозга к мышцам. При недостатке натрия возникают судороги и спутанность сознания, а при избытке резко повышается артериальное давление.
Выделение металлического натрия в 1807 году стало одним из самых впечатляющих моментов в истории химии. Его осуществил блестящий и эксцентричный Sir Humphry Davy в Королевском институте в Лондоне. Родившись в бедной семье из Корнуолла в 1778 году, Davy благодаря новаторским исследованиям электричества и химического разложения стал самым известным химиком Европы.
Davy вдохновили недавнее изобретение электрической батареи Alessandro Volta и исследования Luigi Galvani в области биоэлектричества. Он предположил, что если электричество может разлагать воду на водород и кислород, то оно также способно разделять другие «сложные вещества», устойчивые к традиционным химическим методам. Это открытие превратило химию из искусства в систематическую науку.
6 октября 1807 года Davy начал свой самый амбициозный эксперимент: электролиз едкого натра (гидроксида натрия) с помощью мощной батареи, состоявшей из 250 металлических пластин. Предыдущие попытки других химиков завершались неудачей, поскольку вода в образцах разлагалась раньше, чем соединение натрия. Гениальность Davy заключалась в использовании едкого натра, лишь слегка увлажнённого, но достаточно влажного для проведения электричества.
Когда Davy пропустил электрический ток, у отрицательного электрода начали образовываться маленькие металлические шарики. Эти загадочные сферы сразу же вспыхивали при контакте с воздухом и бурно реагировали с водой, выделяя газообразный водород и тепло. Позже Davy написал: «Я не мог сдержать своей радости — я действительно танцевал по лаборатории!» Позднее его помощник вспоминал, что Davy был настолько взволнован, что в течение нескольких часов едва мог связно говорить.
Davy несколько недель подтверждал, что эти реакционноспособные металлические шарики представляли собой чистый элемент, а не соединение. Он показал, что металл можно сохранять под минеральным маслом, предотвращая окисление. При разрезании ножом свежий натрий открывал блестящую серебристую поверхность, которая тускнела на воздухе за считанные секунды, — явное свидетельство высокой реакционной способности металла.
Выбор названия оказался непростой задачей. Сначала Davy назвал его «sodagen», образовав это слово от арабского «suda» (что означает «головная боль» и связано с лечебным применением соды). Позже он сократил название до «sodium», хотя многие европейцы предпочитают «natrium», происходящее от латинского «natron». Этим объясняется химический символ натрия «Na».
Открытие натрия принесло Davy международную известность. Napoleon Bonaparte, несмотря на войну с Великобританией, наградил Davy медалью за вклад в развитие человеческих знаний. Открытие доказало, что вещества, долго считавшиеся простыми (например, сода и поташ), на самом деле являются соединениями, что произвело революцию в химической классификации.
Через несколько дней после открытия натрия Davy выделил калий, используя тот же метод. В последующие месяцы он открыл кальций, магний, стронций и барий — шесть новых элементов за два года с помощью электролиза. Этот беспрецедентный успех утвердил электрохимию как мощный аналитический инструмент и принёс Davy рыцарское звание в возрасте 34 лет.
Промышленное производство натрия оставалось непрактичным до 1886 года, когда Hamilton Castner разработал процесс Кастнера для крупномасштабного электролиза расплавленного гидроксида натрия. Этот прорыв сделал возможным использование натрия в химическом производстве, особенно для получения таких соединений, как цианид натрия для добычи золота и пероксид натрия для отбеливания.
Разработка процесса Даунса в 1924 году ещё больше изменила производство натрия: вместо гидроксида стали подвергать электролизу расплавленный хлорид натрия, что снизило затраты и повысило чистоту продукта. Этот процесс, используемый и сегодня, сделал металлический натрий коммерчески доступным для специализированных применений, таких как теплоносители ядерных реакторов и химический синтез.
Биологическое значение натрия постепенно выяснялось благодаря физиологическим исследованиям XIX века. Работы Claude Bernard по поддержанию стабильности внутренней среды помогли понять роль натрия в регуляции кровяного давления и водного баланса. Открытие натрий-калиевого насоса в 1950-х годах Jens Skou принесло ему Нобелевскую премию 1997 года и показало, как живые организмы используют градиенты натрия для получения клеточной энергии.
Применение
Натрий служит важным восстановителем в химической промышленности, особенно при производстве металлов. Наиболее значимое применение связано с восстановлением тетрахлорида титана (TiCl₄) для получения чистого металлического титана по процессу Кролла. При температуре 900°C расплавленный натрий бурно реагирует с TiCl₄, образуя металлический титан и хлорид натрия. Этот процесс позволяет получать титан, используемый в аэрокосмической промышленности, медицинских имплантатах и высокотехнологичном спортивном оборудовании.
Натрий также восстанавливает хлориды других металлов, позволяя получать чистые металлы, включая цирконий, тантал и ниобий. Эти металлы необходимы для ядерных реакторов, сверхпроводящих магнитов и электронных компонентов. В процессе Кастнера натрий используется для получения чистого металлического калия из хлорида калия, что делает возможным применение калия в специализированных областях, например в качестве теплоносителя NaK в ядерных реакторах.
Жидкий натрий служит превосходным теплоносителем в быстрых реакторах-размножителях благодаря его отличным свойствам теплопередачи и малому сечению поглощения нейтронов. В отличие от воды, натрий не замедляет (не снижает скорость) нейтроны, что позволяет проводить ядерные реакции на быстрых нейтронах и получать плутоний-239 из урана-238.
Система натриевого охлаждения работает при атмосферном давлении даже при температуре 550°C, устраняя опасность высокого давления, характерную для реакторов с водяным охлаждением. Крупные установки, такие как реактор Monju в Японии и реактор BN-800 в России, используют контуры с жидким натрием для передачи тепла от активной зоны реактора к парогенераторам, достигая теплового КПД свыше 40%.
Натриевые лампы высокого давления (HPS) произвели революцию в уличном освещении, обеспечив исключительно высокую световую эффективность — до 140 люменов на ватт по сравнению с 60 люменами на ватт у ламп накаливания. Эти лампы содержат пары натрия под высоким давлением (100-200 торр) в полупрозрачной дуговой трубке из оксида алюминия, создавая характерный золотисто-жёлтый свет, доминирующий в ночных городских пейзажах.
Натриевые лампы низкого давления обеспечивают ещё более высокую эффективность (183 люмена на ватт), но дают монохроматический жёлтый свет, поэтому их применение ограничено автомагистралями и охранным освещением, где точность цветопередачи менее важна. D-линии натрия на 589.0 и 589.6 нанометра обеспечивают это характерное жёлтое излучение благодаря электронным переходам в возбуждённых атомах натрия.
Металлический натрий позволяет проводить важные реакции органического синтеза благодаря механизмам, невозможным с другими восстановителями. Восстановление по Берчу использует натрий в жидком аммиаке для восстановления ароматических колец, создавая соединения, необходимые для фармацевтического производства. Эта реакция протекает при температуре -78°C, когда натрий растворяется в аммиаке с образованием сольватированных электронов, атакующих ароматические системы.
Амид натрия (NaNH₂), образующийся при реакции натрия с аммиаком, служит чрезвычайно сильным основанием в органическом синтезе. Он необходим для образования углерод-углеродных связей при синтезе фармацевтических промежуточных продуктов и создания таких соединений, как краситель индиго, барбитураты и противосудорожные препараты.
Клапаны двигателей, заполненные натрием, в высокопроизводительных автомобильных двигателях обеспечивают превосходное охлаждение благодаря исключительной теплопроводности металла. Полый стержень клапана содержит жидкий натрий, который колеблется во время работы двигателя, передавая тепло от головки клапана к более прохладной части стержня. Эта технология, впервые разработанная для авиационных двигателей, позволяет двигателям работать при более высоких температурах и развивать большую мощность.
Натрий-серные батареи представляют собой перспективную технологию хранения энергии для электромобилей и работают при температуре 300-350°C, когда и натрий, и сера находятся в расплавленном состоянии. Эти батареи обеспечивают высокую плотность энергии (300-400 Wh/kg) и отличный ресурс циклов, однако высокая рабочая температура пока ограничивает их широкое распространение.
Откуда он происходит
23600 мг/кг земной коры · более распространён, чем 96% элементов
Натрий занимает шестое место по распространённости среди элементов земной коры (2.8% по массе) и является самым распространённым металлом в морской воде: 10,800 частей на миллион. В мировом океане содержится приблизительно 1.4 × 10¹⁶ тонн натрия, главным образом в виде хлорида натрия. Этот огромный резервуар сформировался за миллиарды лет выветривания горных пород: минералы, содержащие натрий, растворялись и накапливались в замкнутых бассейнах.
Концентрация натрия в морской воде остаётся remarkably стабильной благодаря сложным биогеохимическим циклам, включающим испарение, выпадение осадков и биологическое поглощение. Древние высохшие морские бассейны, например расположенные под регионом Великих озёр, содержат огромные залежи хлорида натрия, обеспечивающие значительную часть производства соли в Северной Америке.
Натрий входит в состав многочисленных породообразующих минералов, особенно минералов группы полевых шпатов, составляющих 60% земной коры. Альбит (NaAlSi₃O₈) — натриевый крайний член ряда плагиоклазов, встречающийся в магматических породах, таких как гранит, и вулканических породах, таких как риолит. Эти минералы медленно выветриваются, высвобождая ионы натрия, которые в конечном итоге достигают океанов.
Эвапоритовые залежи образуются, когда водоёмы, богатые натрием, испаряются, оставляя после себя кристаллические минералы натрия. Солончаки Бонневилл в штате Юта сформировались на месте древнего озера Бонневилл, создав пространство площадью 30,000 акров, состоящее почти из чистого хлорида натрия. Аналогичные залежи в пустыне Атакама в Чили и Деште-Кевире в Иране обеспечивают промышленную добычу натрия.
Натрий образуется в результате горения углерода в массивных звёздах (массой более 4 масс Солнца) на поздних стадиях их эволюции. При температурах ядра выше 600 миллионов K ядра углерода-12 сливаются с образованием неона-20, магния-24 и в конечном итоге натрия-23 в ходе сложных процессов захвата альфа-частиц и испускания протонов.
Сверхновые типа Ia также вносят значительный вклад в распространённость натрия в галактиках благодаря процессам взрывного горения кремния. Во время этих звёздных взрывов кремний-28 подвергается быстрому захвату нейтронов и цепочкам бета-распада, образуя изотопы натрия, которые обогащают межзвёздную среду. Этот космический натрий со временем входит в состав новых звёздных систем и планетных тел.
Живым организмам натрий необходим для основных физиологических процессов, особенно для передачи нервных импульсов и регуляции клеточного осмотического давления. Плазма крови человека поддерживает концентрацию натрия около 140 миллимолей благодаря сложным механизмам почечной регуляции. Натрий-калиевый насос в клеточных мембранах расходует 20-25% клеточной энергии на поддержание правильных градиентов натрия.
Галофитные растения, такие как мангровые деревья и травы солончаков, выработали специализированные механизмы для накопления и выведения избытка натрия, что позволяет им выживать в средах с высокой солёностью. Некоторые организмы, включая отдельные бактерии и археи, используют для синтеза АТФ градиенты натрия вместо протонных градиентов, что представляет собой альтернативные биохимические стратегии.
К основным регионам производства натрия относятся подземные соляные купола Пермского бассейна в Техасе и Нью-Мексико, образовавшиеся 250 миллионов лет назад, когда этот регион был покрыт мелководными морями. Салар-де-Уюни в Боливии содержит 9 миллиардов тонн соли на площади 4,000 квадратных миль и является крупнейшим в мире солончаком.
Озеро Цинхай в Китае и озеро Самбхар в Индии обеспечивают получение натрия за счёт солнечного испарения солёной озёрной воды. Эти природные системы концентрирования позволяют получать хлорид натрия чистотой более 99% благодаря контролируемым процессам кристаллизации, отделяющим соли натрия от других растворённых минералов.
Обращение
Чрезвычайная пожароопасность: металлический натрий самопроизвольно воспламеняется на воздухе при температуре выше 115°C и бурно реагирует с водой с образованием водорода и гидроксида натрия. Реакция выделяет достаточно тепла, чтобы воспламенить водород и создать взрывоопасные условия. Храните натрий под минеральным маслом или в инертной атмосфере (аргон/азот) в герметичных контейнерах.
Едкие ожоги: Гидроксид натрия, образующийся при контакте с водой, вызывает тяжёлые щелочные ожоги, глубоко проникающие в ткани. В отличие от кислотных ожогов, щелочные ожоги продолжают повреждать ткани в течение нескольких часов, если их должным образом не нейтрализовать.
Риск гипертонии: Американская кардиологическая ассоциация рекомендует ограничить ежедневное потребление натрия до 2,300mg (1 чайная ложка соли); идеальным считается ограничение до 1,500mg для большинства взрослых. Избыток натрия повышает кровяное давление, вызывая задержку жидкости и заставляя сердце работать интенсивнее.
Сердечно-сосудистые заболевания: Диеты с высоким содержанием натрия способствуют развитию инсульта, сердечной недостаточности и заболеваний почек. Диета DASH предусматривает снижение потребления натрия наряду с увеличением потребления калия для улучшения здоровья сердечно-сосудистой системы.
Скрытые источники: Обработанные продукты, блюда из ресторанов и консервированные продукты часто содержат в 2-3 раза больше натрия, чем аналогичные продукты домашнего приготовления. Внимательно читайте сведения о пищевой ценности.
Средства индивидуальной защиты: При работе с соединениями натрия или металлическим натрием используйте полные лицевые щитки, химически стойкие перчатки (нитриловые или неопреновые), лабораторные халаты с длинными рукавами и обувь с закрытым носком.
Требования к вентиляции: Для процессов, при которых образуются пары оксида натрия или водород, необходима местная вытяжная вентиляция. Поддерживайте скорость воздушного потока в вытяжных шкафах на уровне 100+ футов в минуту.
Тушение пожара: Для пожаров металлического натрия используйте огнетушители класса D (с хлоридом натрия, графитом или порошком меди). НИКОГДА не используйте воду, CO₂ или стандартные химические огнетушители для тушения пожаров металлического натрия.
Попадание на кожу: Немедленно снимите загрязнённую одежду. Промывайте поражённый участок большим количеством воды в течение 15+ минут. При попадании металлического натрия сначала стряхните твёрдые частицы, а затем промывайте участок водой. При любых щелочных ожогах немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Попадание в глаза: Промывайте глаза водой или физиологическим раствором в течение 15+ минут, удерживая веки открытыми. Снимите контактные линзы, если это легко сделать. При любом воздействии гидроксида натрия немедленно обратитесь к офтальмологу.
Вдыхание: Немедленно вынесите пострадавшего на свежий воздух. Пары оксида или гидроксида натрия могут вызвать отёк лёгких. Следите за признаками дыхательной недостаточности и при необходимости обеспечьте подачу дополнительного кислорода.
Требования к хранению: Храните металлический натрий в герметичных контейнерах под минеральным маслом, в прохладных сухих местах, вдали от окислителей и влаги. Для предотвращения утечек рекомендуется использовать вторичную защитную ёмкость.
Правила утилизации: Небольшие количества металлического натрия можно уничтожить, осторожно добавляя его в этанол или изопропанол в хорошо проветриваемом помещении. Для больших количеств необходимы услуги специализированной утилизации опасных отходов.
Действия при разливе: Эвакуируйте людей из зоны и устраните источники воспламенения. Засыпьте разлив металлического натрия сухим песком или хлоридом натрия. Не используйте воду или стандартные абсорбенты для ликвидации разливов.
Краткие ответы
Натрий (символ Na) — элемент 11 в периодической таблице, представитель семейства Щелочной металл в 3 периоде, 1 группе. Мягкий, серебристый и яростно активный: натрий реагирует с водой настолько быстро, что поджигает выделяющийся водород. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ne] 3s¹; она включает 3 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 1.Натрий плавится при 370.9 K (97.7 °C) и кипит при 1156 K (882.9 °C).
Стандартная атомная масса Натрий составляет 22.99 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Натрий составляет 0.968 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Натрий плавает.
Электроотрицательность Натрий по шкале Полинга составляет 0.93. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Такое низкое значение означает, что он легко отдаёт свои внешние электроны, образуя положительные ионы.
Натрий был открыт в 1807 году Humphry Davy. Назван в честь английское soda; символ происходит от латинского natrium.
На долю Натрий приходится около 2.36% земной коры — это один из самых распространённых элементов.