Атомная масса натрия. Химические свойства натрия: взаимодействие с неметаллами, водой
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Натрий - одиннадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Na от латинского «natrium». Расположен в третьем периоде, IА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 11.
Натрий - один из наиболее распространенных элементов на Земле. Он обнаружен в атмосфере Солнца и в межзвездном пространстве. Важнейшие минералы натрия: NaCl (галит), Na 2 SO 4 ×10H 2) (мирабелит), Na 3 AlF 6 (криолит), Na 2 B 4 O 7 ×10H 2) (бура) и др. Огромно содержание солей натрия в гидросфере (около 1,5×10 16 т).
Соединения натрия входят в растительные и животные организмы в последнем случае главным образов в виде NaCl. В крови человека ионы Na + составляют 0,32%, в костях - 0,6%, в мышечной ткани - 0,6-1,5%.
В виде простого вещества натрий представляет собой серебристо-белый металл (рис.1). Он настолько мягок, что легко режется ножом. Вследствие легкой окисляемости на воздухе натрий хранят под слоем керосина.
Рис. 1. Натрий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса натрия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии натрия существует в виде одноатомных молекул Na, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 22,9898.
Изотопы натрия
Известно двадцать изотопов натрия с массовыми числами от 18-ти до 37-ми, из которых наиболее стабильным является 23 Na с периодом полураспада меньше минуты.
Ионы натрия
На внешнем энергетическом уровне атома натрия имеется один электрон, который является валентным:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 .
В результате химического взаимодействия натрий отдает свой единственный валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Na 0 -1e → Na + .
Молекула и атом натрия
В свободном состоянии натрий существует в виде одноатомных молекул Na. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу натрия:
Сплавы натрия
Важнейшие области применения натрия - это атомная энергетика, металлургия, промышленность органического синтеза. В атомной энергетике натрий и его сплав с калием применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей. Сплав натрия с калием, содержащий 77,2% (масс.) кадия, находится в жидком состоянии в широком интервале температур, имеет высокий коэффициент теплоотдачи и не взаимодействует с большинством конструкционных материалов ни при обычных, ни при повышенных температурах.
Натрий используется как добавка, упрочняющая свинцовые сплавы.
Со ртутью натрий образует твердый сплав - амальгаму натрия, которая иногда используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
Na 2 O → NaCl → NaOH → Na. |
| Ответ | Чтобы получить из оксида натрия хлорид этого же металла необходимо растворить его в кислоте:
Na 2 O+ 2HCl→ 2NaCl + H 2 O. Для получения гидроксида натрия из хлорида этого же металла необходимо растворить его в воде, однако, следует помнить, что гидролиз в этом случае не протекает: NaCl+ H 2 O→ NaOH + HCl. Получение натрия из соответствующего гидроксида возможно, если щелочь подвергнуть электролизу: NaOH ↔ Na + + Cl — ; K(-): Na + + e → Na 0: A(+): 4OH — — 4e → 2H 2 O + O 2 . — неорганическое вещество, простой элемент таблицы Менделеева, входит в группу щелочных металлов. Занимает шестое место по распространенности в земной коре; его больше всего среди металлов, растворенных в водах морей и океанов. В виде соединений встречается в таких минералах, как галит, мирабилит, тенардит, натриевая селитра , трона, бура и пр. В чистом виде не встречается. Промышленный способ получения: электролиз расплава хлористого натрия (поваренной соли). Одновременно получают натрий и хлор. СвойстваПластичный металл серебристого цвета. На воздухе быстро окисляется и тускнеет. Мягкий настолько, что его можно резать скальпелем, прокатывать, прессовать. Легче воды. Хорошо проводит ток и тепло. Цвет пламени окрашивает в ярко-желтый цвет. Эта реакция является характерной для обнаружения многих соединений натрия. Относится к химически очень активным металлам, обладает осно́вными свойствами. Вступает в реакцию с кислородом, углекислым газом, разбавленными и концентрированными кислотами, спиртами, газообразным и жидким аммиаком , оксидами. Самовоспламеняется при взаимодействии с хлором и фтором, бурно реагирует с водой (иногда — со взрывом), бромом, серой. Вступает в реакции практически со всеми неметаллами (иногда для этого требуются особые условия, электроразряд или высокая температура). С водой образует сильную щелочь — гидроокись натрия (едкий натр). Образует соединения со ртутью и некоторыми другими металлами, с органическими веществами. У натрия весьма существенная разница между температурами плавления и кипения — почти 800 градусов. Плавитcя он при t около +98 °С, кипит при t +883 °С. Благодаря этому свойству из натрия получается хороший теплоноситель для мощных атомных реакторов, не закипающий до высоких температур.
Меры предосторожностиНатрий нельзя брать руками, так как он тут же вступает в реакцию с влагой кожи и образует щелочь, вызывая сильные химические и термические ожоги. Хранят натрий под слоем керосина или минерального масла в герметичных железных контейнерах (жидкость должна полностью покрывать реактив). Если хранят в стеклянной емкости, то ее, в свою очередь, нужно поместить в несгораемый металлический шкаф. После работы с металлическим натрием остатки следует нейтрализовать спиртом, ни в коем случае не допуская попадания частиц натрия в мусорное ведро или канализацию, поскольку это может вызвать пожар и быстрое разрушение канализационных труб. ПрименениеВосстановительные свойства используются при получении Натрий – простое вещество, расположившееся в первой группе третьего периода периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева. Представляет собой очень мягкий, серебристый щелочной металл, имеющий фиолетовый оттенок, будучи разделённым на тонкие слои. Температура плавления натрия чуть ниже необходимой для закипания воды, а температура кипения – 883 градуса по Цельсию. При комнатной температуре его плотность составляет 0.968 г/см3. Из-за своей низкой плотности при необходимости, натрий возможно разрезать обычным ножом. Натрий очень распространен на нашей планете: различные его соединения здесь можно найти как в море или земной коре, где он содержится в относительно больших количествах, так и в составе многих живых организмов, но не встречается в живой природе в чистом виде в связи со своей поразительно высокой активностью. Натрий является одним из обязательных микроэлементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека – поэтому для восполнения его естественной убыли из организма необходимо употреблять около 4-5 грамм его соединения с хлором – т.е. обычной поваренной соли. Натрий в историиРазличные соединения натрия были известны человеку ещё со времён древнего Египта. Египтяне первыми начали активно использовали натрии содержащую соду из солёного озера Натрон для различных житейских нужд. Соединения натрия упоминались даже в библии в качестве компонента моющего средства, однако впервые в чистом виде натрий был получен английским химиком Хемфри Деви в 1807 году,в ходе экспериментов с его производными веществами. Изначально, натрий именовался sodium – производным от арабского слова, обозначающего головную боль. Слово «натрий» было позаимствовано из египетского языка и впервые, в современной истории, было использовано шведским обществом врачей как обозначение содосодержащих минеральных солей. Химические свойства натрияНатрий является активным щелочным металлом – т.е. он очень быстро окисляется при контакте с воздухом и его приходить хранить в керосине, при этом натрий имеет очень низкую плотность и часто всплывает на его поверхность. Являясь очень сильным восстановителем, натрий и вступает в реакции с большинством неметаллов, а будучи металлом активным, реакции с его применением зачастую проходят очень быстро и бурно. Например, если поместить в воду кусочек натрия, то он начинает активно самовоспламеняться, что в итоге приводит к взрыву. Воспламенение и выделение кислорода происходят при реакции натрия и его производных с множеством других веществ, однако с разбавленными кислотами он взаимодействует как обычный металл. С благородными газами, йодом и углеродом натрий в реакцию не вступает, и так же очень плохо реагирует с азотом , образуя при этом довольно неустойчивое вещество в виде тёмно-серых кристаллов – нитрид натрия. Применение натрияОсновное применение натрий находит в химической промышленности и металлургии, где, чаще всего, он используется в качестве восстановителя, благодаря своим химическим свойствам. Так же его используют в качестве осушителя для таких органических растворителей как эфир и ему подобных; для производства проводов, способных выдерживать огромные напряжения. В этой же сфере натрий применяют как основной компонент в производстве натриево-серных аккумуляторов, имеющих высокую удельную энергию, т.е. меньший расход топлива. Главный недостаток этого типа аккумуляторов – это высокая рабочая температура, а, следовательно – риск воспламенения и взрыва натрия при аварии. Ещё одна сфера применения натрия – это фармакология, где множество производных натрия используются в качестве реактивов, полупродуктов и вспомогательных веществ при создании различных сложных лекарств, а так же антисептиков. Раствор хлорида натрия относительно сходен плазме крови человека и быстро выводится из организма, поэтому его используют при необходимости поддержания и нормализации давления крови. На сегодняшний день некоторые соединения натрия – это обязательный компонент при производстве бетона и других строительных материалов. Благодаря использованию материалов, содержащих производные от натрия компоненты их можно использовать при строительных работах во время низких температур. Из-за своей распространенности и простоты промышленного производства, натрий имеет довольно малую стоимость. Сегодня его производят так же как и при его первом получении — подвергая различные натриесодержащие породы воздействию сильного электрического тока. Благодаря этому, а так же своей необходимости во многих видах промышленности, объемы его производства только растут. План лекции: 1. Распространение натрия в природе. 2. Историческая справка. 3. Физические свойства натрия 4. 4.Химические свойства натрия 5. Получение натрия. 6. 6.Получение натрия. Натрий (Natrium), Na, химический элемент I группы периодической системы Менделеева: атомный номер 11, атомная масса 22,9898; серебристо-белый мягкий металл, на воздухе быстро окисляющийся с поверхности. Природный элемент состоит из одного стабильного изотопа 23 Na. Историческая справка . Природные соединения Натрия – поваренная соль NaCl, сода Na 2 CO 3 – известны с глубокой древности. Название "Натрий", происходящее от арабского натрун, греч. nitron, первоначально относилось к природной соде. Уже в 18 веке химики знали много других соединений Натрия. Однако сам металл был получен лишь в 1807 году Г. Дэви электролизом едкого натра NaOH. В Великобритании, США, Франции элемент называется Sodium (от испанского слова soda – сода), в Италии – sodio. Распространение н атрия в природе . Натрий – типичный элемент верхней части земной коры. Среднее содержание его в литосфере 2,5% по массе, в кислых изверженных породах (граниты и другие) 2,77, в основных (базальты и другие) 1,94, в ультраосновных (породы мантии) 0,57. Благодаря изоморфизму Na + и Ca 2+ , обусловленному близостью их ионных радиусов, в магматических породах образуются натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы). В биосфере происходит резкая дифференциация Натрия: осадочные породы в среднем обеднены Натрием (в глинах и сланцах 0,66%), мало его в большинстве почв (среднее 0,63%). Общее число минералов Натрия 222. Na слабо задерживается на континентах и приносится реками в моря и океаны, где его среднее содержание 1,035% (Na – главный металлический элемент морской воды). При испарении в прибрежно-морских лагунах, а также в континентальных озерах степей и пустынь осаждаются соли Натрия, формирующие толщи соленосных пород. Главные минералы, являющиеся источником Натрия и его соединений, – галит (каменная соль) NaCl, чилийская селитра NaNO 3 , тенардит Na 2 SO 4 , мирабилит Na 2 SO 4 ·10H 2 O, трона NaH(CO 3) 2 ·2H 2 O. Na – важный биоэлемент, в живом веществе в среднем содержится 0,02% Na; в животных его больше, чем в растениях. Физические свойства н атрия При обычной температуре Натрий кристаллизуется в кубической решетке, а = 4,28Å. Атомный радиус 1,86Å, ионный радиус Na + 0,92Å. Плотность 0,968 г/см 3 (19,7 °C), t пл 97,83 °C, t кип 882,9 °C; удельная теплоемкость (20 °C) 1,23·10 3 дж/(кг·К) или 0,295 кал/(г·град); коэффициент теплопроводности 1,32·10 2 вт/(м·К) или 0,317 кал/(см·сек·град); температурный коэффициент линейного расширения (20 °C) 7,1·10 -5 ; удельное электрическое сопротивление (0 °C) 4,3·10 -8 ом·м (4,3·10 -6 ом·см). Натрий парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость +9,2·10 -6 ; весьма пластичен и мягок (легко режется ножом). Химические свойства н атрия Нормальный электродный потенциал Натрия -2,74 в; электродный потенциал в расплаве -2,4 в. Пары Натрия окрашивают пламя в характерный ярко-желтый цвет. Конфигурация внешних электронов атома 3s 1 ; во всех известных соединениях Натрий одновалентен. Его химическая активность очень высока. При непосредственном взаимодействии с кислородом в зависимости от условий образуется оксид Na 2 O или пероксид Na 2 O 2 – бесцветные кристаллические вещества. С водой Натрий образует гидрооксид NaOH и H 2 ; реакция может сопровождаться взрывом. Минеральные кислоты образуют с Натрием соответствующие растворимые в воде соли, однако по отношению к 98-100%-ной серной кислоте Натрий сравнительно инертен. Реакция Натрия с водородом начинается при 200 °C и приводит к получению гидрида NaH – бесцветного гигроскопического кристаллического вещества. С фтором и хлором Натрий взаимодействует непосредственно уже при обычной температуре, с бромом – только при нагревании; с иодом прямого взаимодействия не наблюдается. С серой реагирует бурно, образуя сульфид натрия, взаимодействие паров Натрия с азотом в поле тихого электрического разряда приводит к образованию нитрида Na 3 N, а с углеродом при 800-900 °C – к получению карбида Na 2 C 2 . Натрий растворяется в жидком аммиаке (34,6 г на 100 г NH 3 при 0°C) с образованием аммиачных комплексов. При пропускании газообразного аммиака через расплавленный Натрий при 300-350 °C образуется натрийамин NaNH 2 – бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагаемое водой. Известно большое число натрийорганических соединений, которые по химические свойствам весьма сходны с литийорганическими соединениями, но превосходят их по реакционной способности. Применяют натрийорганические соединения в органическом синтезе как алкилирующие агенты. Натрий входит в состав многих практически важных сплавов. Сплавы Na – К, содержащие 40-90% K (по массе) при температуре около 25°C, – серебристо-белые жидкости, отличающиеся высокой химической активностью, воспламеняющиеся на воздухе. Электропроводность и теплопроводность жидких сплавов Na – K ниже соответствующих величин для Na и K. Амальгамы Натрия легко получаются при введении металлического Натрия в ртуть; при содержании свыше 2,5% Na (по массе) при обычной температуре являются уже твердыми веществами. Получение н атрия . Основной промышленный метод получения Натрия – электролиз расплава поваренной соли NaCl, содержащей добавки KCl, NaF, CaCl 2 и другие, которые снижают температуру плавления соли до 575-585 °C. Электролиз чистого NaCl привел бы к большим потерям Натрия от испарения, так как температуры плавления NaCl (801 °C) и кипения Na (882,9 °C) очень близки. Электролиз проводят в электролизерах с диафрагмой, катоды изготовляют из железа или меди, аноды – из графита. Одновременно с Натрием получают хлор. Старый способ получения Натрия – электролиз расплавленного едкого натра NaOH, который значительно дороже NaCl, однако электролитически разлагается при более низкой температуре (320-330 °C). Применение н атрия . Натрий и его сплавы широко применяются как теплоносители для процессов, требующих равномерного обогрева в интервале 450-650 °C – в клапанах авиационных двигателей и особенно в ядерных энергетических установках. В последнем случае жидкометаллическими теплоносителями служат сплавы Na – K (оба элемента имеют малые сечения поглощения тепловых нейтронов, для Na 0,49 барн), эти сплавы отличаются высокими температурами кипения и коэффициентами теплопередачи и не взаимодействуют с конструкционными материалами при высоких температурах, развиваемых в энергетических ядерных реакторах. Соединение NaPb (10% Na по массе) применяется в производстве тетраэтилсвинца – наиболее эффективного антидетонатора. В сплаве на основе свинца (0,73% Ca, 0,58% Na и 0,04% Li), применяемом для изготовления осевых подшипников железнодорожных вагонов, Натрий является упрочняющей добавкой. В металлургии Натрий служит активным восстановителем при получении некоторых редких металлов (Ti, Zr, Та) методами металлотермии; в органических синтезе – в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации и других. Вследствие большой химической активности Натрия обращение с ним требует осторожности. Особенно опасно попадание на Натрий воды, которое может привести к пожару и взрыву. Глаза должны быть защищены очками, руки – толстыми резиновыми перчатками; соприкосновение Натрия с влажной кожей или одеждой может вызвать тяжелые ожоги. Натрий в чистом виде получил в 1807 году Хемфри Дэви - английский химик, который незадолго до натрия открыл . Дэви проводил процесс электролиза одного из соединений натрия - гидроксида, расплавив который и получил натрий. Соединениями натрия человечество пользовалось со времён глубокой древности, содой природного происхождения пользовались ещё в Древнем Египте (calorizator). Называли элемент содий (sodium ) , иногда именно это название можно встретить даже сейчас. Привычное название натрий (от латинского natrium - сода) было предложено шведом Йенсом Берцелиусом. Натрий является элементом I группы III третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, имеет атомный номер 11 и атомную массу 22,99. Принятое обозначение - Na (от латинского natrium ). Нахождение в природеСоединения натрия содержатся в земной коре, морской воде, в виде примеси, имеющей свойство окрашивать каменную соль в синий цвет из-за действия радиации. Натрий является мягким пластичным щелочным металлом, имеет серебристо-белый цвет и блеск на свежем срезе (натрий вполне возможно разрезать ножом). При применении давления превращается в прозрачное вещество красного цвета, при обычной температуре кристаллизуется. При взаимодействии с воздухом быстро окисляется, поэтому хранить натрий необходимо под слоем керосина.
Суточная потребность в натрииНатрий - важный для организма человека микроэлемент, суточная потребность в нём для взрослых составляет 550 мг, для детей и подростков - 500-1300 мг. В период беременности норма натрия в сутки составляет 500 мг, а в некоторых случаях (обильное потоотделение, обезвоживание, приём мочегонных препаратов) должна быть увеличена. Натрий содержится практически во всех морепродуктах (раках, крабах, осьминогах, кальмарах, мидиях, морской капусте), рыбе (анчоусах, сардинах, камбале, корюшке и т.д.), куриных яйцах, крупах (гречневой, рисе, перловой, овсяной, пшённой), бобовых (горохе, фасоли), овощах (томатах, сельдерее, моркови, капусте, свёкле), молочных продуктах и мясных субпродуктах.
Полезные свойства натрия и его влияние на организмПолезными для организма свойствами натрия являются:
Усвояемость натрияНатрий содержится практически во всех продуктах, хотя большую его часть (около 80%) организм получает из . Усвоение в основном происходит в желудке и тонком кишечнике. улучшает усвоение натрия, однако, чрезмерно соленая пища и пища богатая белками препятствуют нормальному всасыванию. Взаимодействие с другимиПрименение металлического натрия - химическая и металлургическая промышленность, где он выступает в роли сильнейшего восстановителя. Хлоридом натрия (поваренной солью) пользуются все без исключения жители нашей планеты, это самое известное вкусовое средство и древнейший консервант.
Признаки нехватки натрияНехватка натрия обычно случается при чрезмерном потоотделении - в жарком климате или при физических нагрузках. Недостаток натрия в организме характеризуется ухудшением памяти и потерей аппетита, головокружением, быстрой утомляемостью, обезвоживанием, мышечной слабостью, а иногда - судорогами, кожными высыпаниями, желудочными спазмами, тошнотой, рвотой. Признаки избытка натрияИзлишнее количество натрия в организме даёт о себе знать постоянной жаждой, отёками и аллергическими реакциями. Популярное Последние статьи |
Натрий играет большую роль в жизни живых организмов. Он необходим для нормального обмена веществ, работы нервной и сердечно-сосудистой систем. Недостаток натрия приводит к нарушениям работы ЖКТ, судорогам, невралгиям. Переизбыток — к отекам, повышению давления, проблемам в работе почек.
чистых металлов: калия, циркония, тантала и др.
