Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место натрий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 186 pm — that is 0.186 nm, so about 2688 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Натрий is liquid over a 785 K window, from 371 K to 1156 K.
История
Натрий — взрывоопасный металл, который поддерживает вашу жизнь. Чистый натрий настолько реакционноспособен, что вспыхивает при контакте с водой, однако он нужен вашему организму для передачи каждого нервного сигнала и поддержания правильного баланса жидкостей. Этот мягкий серебристый металл можно разрезать ножом для масла, но не дайте его мягкости ввести себя в заблуждение: бросьте его в воду — и увидите бурное шипение, пламя и возможные взрывы. Поваренная соль (хлорид натрия) повлияла на ход истории человечества: римским солдатам иногда платили солью (отсюда произошло слово «зарплата»), а для этой «белой золы» прокладывали целые торговые пути. Ваши нейроны используют ионы натрия подобно электричеству, закачивая их внутрь и выкачивая наружу, чтобы передавать сигналы от мозга к мышцам. При недостатке натрия возникают судороги и спутанность сознания, а при избытке резко повышается кровяное давление.
Выделение металлического натрия в 1807 году стало одним из самых впечатляющих моментов в истории химии. Его осуществил блестящий и эксцентричный сэр Humphry Davy в Королевском институте в Лондоне. Родившись в бедной корнуоллской семье 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 работы Luigi Galvani по биоэлектричеству. Он предположил, что если электричество может разлагать воду на водород и кислород, то оно, возможно, способно также разделять другие «сложные вещества», не поддающиеся 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 использованием мощной батареи из 250 металлических пластин. Предыдущие попытки других химиков потерпели неудачу, поскольку вода в образцах разлагалась раньше соединения натрия. Гениальность Davy заключалась в использовании едва влажного едкого натра — достаточно влажного, чтобы проводить электричество.
Когда Davy пропустил электрический ток, на отрицательном электроде начали образовываться маленькие металлические шарики. Эти загадочные сферы немедленно загорались при контакте с воздухом и бурно реагировали с водой, образуя газообразный водород и выделяя тепло. Позже Davy написал: «Я не мог сдержать своей радости — я действительно танцевал по лаборатории!» Его ассистент позднее вспоминал, что Davy был настолько взволнован, что часами едва мог связно говорить.
Davy несколько недель подтверждал, что эти реакционноспособные металлические шарики представляют собой чистый элемент, а не соединение. Он показал, что металл можно сохранять под минеральным маслом, предотвращая окисление. При разрезании ножом свежий натрий обнаруживал блестящую серебристую поверхность, которая тускнела на воздухе за несколько секунд, — явное свидетельство высокой реакционной способности металла.
Выбор названия оказался сложной задачей. Сначала Davy назвал его «sodagen», от арабского слова «suda» (означающего головную боль и отсылающего к лечебному применению соды). Позже он сократил название до «sodium», хотя многие европейцы предпочитают «natrium», происходящее от латинского «natron», что объясняет 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 элементарными (например, сода и поташ), на самом деле являются соединениями, что произвело революцию в химической классификации.
Через несколько дней после открытия натрия Davy выделил калий с помощью той же методики. В последующие месяцы он открыл кальций, магний, стронций и барий — шесть новых элементов за два года с использованием 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 Дауна в 1924 году ещё больше изменила производство натрия: вместо гидроксида электролизовали 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 раскрывалось благодаря физиологическим исследованиям XIX века. Работы Claude Bernard по поддержанию стабильности внутренней среды помогли понять роль натрия в регулировании 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 отрасли, 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. Процесс Кастнера использует натрий для получения чистого металлического калия из хлорида калия, обеспечивая применение калия в специализированных областях, например в качестве теплоносителя NaK в ядерных реакторах.
Жидкий натрий служит превосходным теплоносителем в быстрых реакторах-размножителях благодаря 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 опасности, связанные с высоким давлением в реакторах 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 более 40%.
Натриевые лампы высокого давления (HPS) произвели революцию в уличном освещении, обеспечив исключительно высокую световую отдачу — 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 светопроницаемой дуговой трубке из оксида алюминия, создавая характерный золотисто-жёлтый свет, преобладающий в ночных городских пейзажах.
Натриевые лампы низкого давления обеспечивают ещё более высокую эффективность (183 люмена на ватт), но дают монохроматический жёлтый свет, что ограничивает их применение автомагистралями и охранным освещением, где цветопередача менее важна. D-линии натрия при 589.0 и 589.6 нанометра обеспечивают это характерное жёлтое излучение благодаря электронным переходам в возбуждённых атомах натрия.
Металлический натрий обеспечивает важные реакции органического синтеза благодаря механизмам, невозможным с другими восстановителями. Восстановление по Бёрчу 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), получаемый реакцией натрия с аммиаком, служит чрезвычайно сильным основанием в органическом синтезе. Он необходим для образования углерод-углеродных связей при синтезе фармацевтических промежуточных соединений и создания таких веществ, 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 перемещается во время работы двигателя, передавая тепло от головки клапана к более холодной 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 превосходный ресурс циклов, однако высокая рабочая температура пока ограничивает их широкое применение.
Откуда он берётся
23600 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 96% of elements
Натрий занимает шестое место среди наиболее распространённых элементов земной коры (2,8 % по массе) и является наиболее 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 соледобычи Северной Америки.
Натрий входит в состав многочисленных породообразующих минералов, особенно минералов группы полевых шпатов, составляющих 60 % земной коры. Альбит (NaAlSi₃O₈) представляет собой натрийсодержащий конечный член плагиоклазовых полевых шпатов; он встречается 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 месторождения образуются при испарении водоёмов, богатых натрием, после чего остаются кристаллические минералы натрия. Солончаки Бонневилл в штате Юта образовались на месте древнего озера Бонневилл, создав пространство площадью 30 000 акров, состоящее почти из чистого хлорида натрия. Аналогичные месторождения в пустыне Атакама в Чили и Дешт-е-Кевир в Иране обеспечивают промышленную добычу натрия.
Натрий образуется в результате горения углерода в массивных звёздах (массой более 4 солнечных масс) на поздних стадиях их эволюции. При температурах в ядре выше 600 миллионов K ядра углерода-12 сливаются с образованием неона-20, магния-24 и, в конечном итоге, натрия-23 посредством сложных процессов захвата альфа-частиц и испускания протонов.
Сверхновые типа Ia также вносят значительный вклад в распространённость натрия в галактике благодаря процессам взрывного горения кремния. Во время этих звёздных взрывов кремний-28 подвергается быстрому захвату нейтронов и цепочкам бета-распада, в результате чего образуются изотопы натрия, обогащающие 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 осмотической регуляции клеток. Плазма крови человека поддерживает концентрацию натрия около 140 миллимолей благодаря сложным механизмам регуляции в почках. Натрий-калиевый насос в клеточных мембранах расходует 20–25 % клеточной энергии на поддержание правильных градиентов натрия.
Галофитные растения, такие как мангровые деревья и солончаковые травы, выработали специализированные механизмы концентрации и выведения избыточного 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 добычи 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 солончаком в мире.
Озеро Цинхай в Китае и озеро Самбхар в Индии обеспечивают получение натрия благодаря солнечному испарению воды солёных озёр. Эти природные системы концентрирования достигают чистоты хлорида натрия более 99 % благодаря контролируемым процессам кристаллизации, отделяющим соли натрия от других растворённых минералов.
Обращение
Крайне высокая пожароопасность: металлический натрий самовоспламеняется 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 (аргона/азота) в герметичных контейнерах.
Едкие ожоги: Образующийся при контакте с водой гидроксид натрия 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: American Heart Association рекомендует ограничить ежедневное потребление натрия до 2,300mg (1 чайная ложка соли); идеальный предел для большинства взрослых составляет 1,500mg. Избыток натрия повышает кровяное давление, вызывая задержку жидкости и заставляя сердце работать интенсивнее.
Сердечно-сосудистые заболевания: Рацион с высоким содержанием натрия способствует 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 в ресторанах и консервированные продукты часто содержат в 2-3 раза больше натрия, чем аналогичные продукты домашнего приготовления. Внимательно изучайте этикетки с пищевой ценностью.
Средства индивидуальной защиты: При обращении с соединениями натрия или металлическим натрием используйте полные лицевые щитки, химически стойкие перчатки (из нитрила или неопрена), лабораторные халаты с длинными рукавами и закрытую обувь.
Требования к вентиляции: Местная вытяжная вентиляция для процессов, сопровождающихся образованием паров оксида натрия или водорода. Поддерживайте скорость воздушного потока в вытяжных шкафах на уровне 100+ футов в минуту.
Тушение пожара: Для пожаров металлического натрия используйте огнетушители класса D (хлорид натрия, графит или медный порошок). 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 контакте с металлическим натрием счистите твёрдые частицы перед промыванием. 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 их можно легко удалить. При любом попадании 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 подавайте дополнительный кислород.
Требования к хранению: Храните металлический натрий в герметичных контейнерах под минеральным маслом, в прохладных сухих местах, вдали от окислителей и влаги. Для предотвращения разливов рекомендуется использовать вторичную защитную ёмкость.
Протоколы утилизации: Небольшие количества металлического натрия можно уничтожить осторожным добавлением в этанол или изопропанол в хорошо проветриваемом помещении. Для больших количеств требуются услуги профессиональной утилизации опасных отходов.
Действия при разливе: Эвакуируйте помещение и устраните источники воспламенения. Засыпьте разливы металлического натрия сухим песком или хлоридом натрия. Не используйте воду или стандартные абсорбенты для ликвидации разливов.
Краткие ответы
Натрий (symbol Na) is element 11 on the periodic table, a щелочной металл in period 3, group 1. Soft, silver and violently eager: sodium reacts with water fast enough to ignite the hydrogen it releases. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s¹, giving 3 occupied shells holding 2, 8, 1 electrons respectively.Натрий melts at 370.9 K (97.7 °C) and boils at 1156 K (882.9 °C).
The standard atomic weight of Натрий is 22.99 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Натрий has a density of 0.968 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of натрий floats.
Натрий has a Pauling electronegativity of 0.93. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.
Натрий was discovered in 1807 by Humphry Davy. It is named after english soda; symbol from Latin natrium.
Натрий makes up about 2.36% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.