Химия натрий. Натрий (Na) – главный регулятор водного баланса в организме

Натрий - это химический элемент, относящийся к первой группе периодической системы элементов, созданной Д. И. Менделеевым.

Натрий имеет порядковый номер 11, его атомный вес составляет 22,99. Натрий настолько мягок, что режется ножом. Его плотность (при 20° С) составляет 0,968 г/см3. Имеет температуру плавления около 98° С; а температура кипения натрия составляет 883° С.

Натрий - реакционно-способный и очень активный элемент; при хранении на открытом воздухе он очень легко окисляется с образованием карбонат натрия и гидрата окиси натрия.

Натрий со многими металлами может образовывать сплавы, которые имеют важное техническое значение в науке и производстве. Натрий и его сплавы имеют широкое применение во многих отраслях промышленной сферы. В химической промышленности натрий используется для получения перекиси натрия, тетраэтилсвинца (через сплав Na - Pb), цианистого натрия, гидрида натрия, моющих средств и др.

В металлургической промышленности натрий применяют в качестве восстановителя при получении тория, урана, титана, циркония и других металлов из их фтористых соединений или хлоридов. Натрий в жидком виде, а также его сплавы с калием используются в атомной энергетике в качестве теплоносителя.

Неудивительно, что натрий является одним из наиболее распространенных в природе химических элементов. По разным оценкам, в земной коре его содержание достигает 2,27%. Даже а в живых организмах он содержится в количестве до 0,02%. Хоть натрий и относится к группе металлов, но в чистом виде он не встречается в природе из-за своей высокой химической активности. Чаще всего он встречается в виде хлорида NaCl (каменная соль, галит), а также нитрата NaNO3 (селитра), карбоната Na2CO3 NaHCO3 2H2O (трона), сульфата Na2SO4 10H2O (мирабилит), Na2B4O7 4H2O (кернит), тетрабората Na2B4O7 10 H2O (бура) и других солей. Естественно, что океанические воды содержат огромные запасы хлорида натрия.

В пищевой отрасли это весьма необходимая для приготовления пищи поваренная соль, в химической отрасли он используется для производства минеральных удобрений и антисептиков, а в легкой промышленности натрий применяют для обработки кожи. Также он широко применяется в металлургическом производстве, при изготовлении газоразрядных светильников, а в виде сплава с калием его используют в качестве хладагента.

Без использования его соединений (формиат натрия и кремнефтористый натрий) невозможно на сегодняшний день развитие современной строительной индустрии; поскольку они являются одновременно противоморозным средством и прекрасным пластификатором при производстве высококачественного бетона и различных изделий из него, то работы в строительстве могут проводиться при очень низких температурах.

Натрий часто используется как теплоноситель, сплав натрия с калием находит применение в атомной энергетике для работы ядерных установок. Как восстановитель, он применяется для получения тугоплавких металлов (циркония, титана и др.), в качестве катализатора он используется при получении синтетического каучука и в органическом синтезе. Очень широко применяются и другие соединения натрия:

• • гидроксид натрия NаОН - это один из наиболее важных производственных компонентов химической промышленности, который используется при очистке продуктов переработки нефти, при производстве искусственного волокна, в бумажной, текстильной, мыловаренной и других отраслях промышленности;
  • пероксид натрия Na2O2 - применяется для отбеливания тканей, шелка, шерсти и др.

Со всеми кислотами Натрий образует соли, которые часто используются в жизни человека и практически во всех отраслях промышленности:

• • бромид натрия NаВг - в фотографии и в медицине;
  • фторид натрия NаF - для обработки древесины, в сельском хозяйстве, в производстве эмалей и др.;
  • сода кальцинированная (Nа2СО3 карбонат натрия) и питьевая (NаНСОз бикарбонат натрия) являются основными продуктами химической промышленности;
  • дихромат натрия Na2Cr2O7 - используется в качестве дубильного вещества и сильного окислителя (хромовая смесь - раствор концентрированной серной кислоты и дихромата натрия - используются для мытья лабораторной посуды);

• • хлорид натрия NаСl (соль поваренная) - в пищевой промышленности, в технике, медицине, для производства едкого натра, соды и др.;
  • нитрат натрия NaNO3 (селитра натриевая) - азотное удобрение;
  • сульфат натрия Na2SO4 - незаменим в кожевенной, мыловаренной, стекольной, целлюлозно-бумажной, текстильной промышленности;
  • сульфит натрия Na2SO4 с тиосульфатом натрия Na2SO3 - применяются в медицине и фотографии и т.д.
  • силикат натрия NaSiO3 - это растворимое стекло;

На мировом рынке цена на натрий не высока. Такая ситуация имеет место благодаря весьма широкому распространению в природе натрия и его соединений, а также сравнительно недорогим способам его промышленного производства. Натрий в виде чистого металла промышленным способом получают из расплава гидроксида или хлорида натрия при пропускании через него большого электрического тока. На сегодня объемы мирового потребления натрия и его соединений составляют более 100 млн.тонн, и спрос на него с каждым годом возрастает. Трудно назвать отрасль промышленности, где не применяется натрий.

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 природе

Соединения 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 натрии

Натрий - 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 организм

Полезными для организма свойствами натрия являются:

• Нормализация водно-солевого обмена;
• Активизация ферментов слюнной и поджелудочной желез;
• Участие в выработке желудочного сока;
• Поддержание нормального кислотно-щелочного баланса;
• Генерирование функций нервной и мышечной системы;
• Сосудорасширяющее действие;
• Поддержание осмотической концентрации крови.

Усвояемость натрия

Натрий 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 другими

Применение 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 натрия

Нехватка 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 натрия

Излишнее количество натрия в организме даёт о себе знать постоянной жаждой, отёками и аллергическими реакциями.

Самые важные функции натрия в организме

Наиболее важная жизнеобеспечивающая функция натрия в организме – это поддержание в норме осмотического давления. Речь идет о том, что для проникновения различных молекул сквозь клеточную мембрану необходимо регулировать давление в межклеточной жидкости и внутри самой клетки. Под действием этого давления молекулы питательных веществ проникают внутрь, а при смене давления продукты жизнедеятельности клетки выходят наружу. Регулируют колебания жидкостного давления ионы натрия. Из всего имеющегося в организме натрия около половины этого вещества содержится в межклеточной жидкости. Примерно 10% приходится на внутриклеточное содержимое, а остальное – включено в состав костной ткани и хрящевой.

Натрий способен не только регулировать движение воды в организме, но и удерживать ее для предотвращения обезвоживания клеток и тканей. Вот почему при избытке этого элемента появляется отечность. Натрий принимает участие в синтезе гормонов вазопрессина – увеличивающего объем жидкости в клетках и суживающего сосуды. А также натрийуретических пептидов – выводящих избыток жидкости из организма, расслабляя при этом сосудистые стенки. Синтез гормона адреналина тоже контролируется натрием.

Еще одна важная функция натрия – он принимает участие в формировании канальцев в клеточных мембранах, сквозь которые внутрь клетки поступают необходимые ей вещества. Он же отвечает за проникновение глюкозы в клетки, чтобы снабжать их энергией. От него зависит тонус сосудистых стенок и возбудимость нервно-мышечных волокон.

Без натрия нарушится выработка в желудке соляной кислоты, а значит – все процессы пищеварения. Этот элемент активизирует выработку пищеварительных ферментов, многих энзимов – особых белков, которые отвечают за важные химические реакции в организме (например, выработку ферментов поджелудочной железы, жирных кислот в печени). Щелочной характер натрия важен для поддержания рН-баланса в организме. Натрий – важнейший элемент для бесперебойной работы почек по выполнению их выводящей функции.

Полезные и приятные свойства натрия

С уровнем содержания натрия в организме напрямую связаны заболевания, развивающиеся из-за колебаний артериального давления. Поскольку этот элемент отвечает за спазмы и расслабление сосудов, то его недостаток может вызвать гипотонию, а избыток – провоцирует артериальную гипертензию. Следствием дисбаланса натрия в организме может стать стенокардия, нарушение работы почек, сбой в обмене веществ, проблемы с пищеварением. Избыток натрия может активизировать склеивание эритроцитов крови, повышая склонность к образованию тромбов. Продолжительный избыток натрия в крови значительно повышает риск неврозов, остеопороза, мочекаменной болезни и сахарного диабета.

Польза натрия для организма напрямую связана с его свойствами и выполняемыми функциями:

• предотвращает мышечные спазмы;
• регулирует работу сосудов;
• не допускает перегревания организма за счет стимуляции повышенного потоотделения;
• помогает связывать и выводить углекислый газ из тканей;
• отвечает за переваривание пищи за счет активизации ферментов и участия в выработке желудочного сока;
• влияет на передачу нервных импульсов и функционирование мозга;
• помогает сохранить в растворимом виде в крови кальций .

Хлорид натрия нашел широкое применение как антибактериальное средство. Его включают в состав зубных паст и ополаскивателей для полости рта. Лаурилсульфат и лауретсульфат натрия – важные компоненты шампуней, гелей для душа и других гигиенических средств, которые обладают как поверхностно-активными свойствами, так и антимикробным действием. В состав мыла обычно включаются соединения солей натрия и жирных кислот – стеариновой, лауриновой и пальмитиновой.

Говоря о пользе натрия, нельзя не вспомнить о его участии в поддержании молодости кожи за счет сохранения ее увлажненности. Натриевая соль гиалуроновой кислоты – один из наиболее популярных компонентов увлажняющей и антивозрастной косметики. Ее молекулы имеют маленький размер и способны проникать в дерму, не только увлажняя кожу за счет притягивания молекул воды, но и за счет стимулирования ферментов, отвечающих за выработку собственной гиалуроновой кислоты. Аскорбил фосфат натрия – вещество, обладающее свойствами антиоксиданта, способное стимулировать ферменты, отвечающие за синтез белков (например, коллагена) и препятствующие выработке меланина (а значит – появлению гиперпигментации).

«Вкусно» и «невредно»: правильный баланс натрия из продуктов

Наш организм не вырабатывает натрий самостоятельно. Все количество этого элемента, без которого невозможна жизнь, поступает извне с продуктами питания. Натрий настолько широко распространен в природе, что при регулярном сбалансированном питании его вполне достаточно для работы всех органов и систем.

Самый простой способ снабдить свой организм натрием – съесть чайную ложку соли или выпить минеральной воды с хлоридом натрия (к примеру, «Боржоми» - уровень натрия указывается на этикетке). Но традиционно мы получаем натрий из твердой пищи – хлеба, сыра, соленой рыбы, мясных продуктов, соленых овощей и квашеных

Чемпионами по содержанию натрия считаются обитатели океанских и морских вод – мидии, креветки, лобстеры, крабы, морские раки. Много натрия в морской капусте и в соевом соусе.

Примерный уровень содержания натрия в распространенных продуктах питания (мг на 100 г)

Совет! В жаркую погоду при интенсивной потере натрия с потоотделением быстро восстановят его недостаток рыбные консервы – например, тунец, скумбрия в масле. Сбалансировать избыток натрия помогут кисломолочные продукты

Некоторые исследования показали, что в этнических группах с культурой ежедневного потребления молочных продуктов (не менее 600 г в день) существенно реже развивается артериальная гипертензия, связанная с избытком натрия в организме.

Натрий можно получить из любых продуктов и напитков с пищевыми добавками – глутаматом натрия, нитритом натрия, бензоатом натрия и т.п. В любых консервах содержатся и поваренная соль и пищевые добавки с натрием.

Попадая с продуктами в организм, натрий начинает частично всасываться уже в желудке, но основная его часть усваивается в тонком кишечнике. Избыток элемента выводится в основном с мочой (95% натрия экскретируется почками) и калом, хотя при обильном потоотделении выведение через кожу может стать значимым фактором потери натрия.

Усвоение натрия может ухудшиться при рационе, состоящем преимущественно из белковой пищи или из соленых блюд. Улучшают усвоение элемента витамин К и витамин Д. Сохранить баланс калия и натрия в крови поможет достаточное количество в меню животных продуктов. Чем больше продуктов с натрием, тем быстрее выводится из организма магний и кальций.

Хорошая сочетаемость натрия с другими питательными веществами основывается на щелочной природе этого элемента. По мнению диетологов, продукты с высоким содержанием натрия (например, овощи, фрукты) желательно сочетать в рационе с продуктами, создающими кислую среду – с высоким содержанием фосфора, хлора, серы (к примеру, рыба, яйца).

Для того чтобы сохранить натрий в продуктах, не следует их замачивать или долго размораживать перед приготовлением, поскольку натрий легко вступает в реакции с водой и теряется. Лучше всего натрий сохраняется при непродолжительном запекании или тушении, поскольку не реагирует на высокие температуры, а при варке продуктов переходит в бульон. При хранении на свету в открытом состоянии продукты утрачивают натрий, который окисляется на воздухе.

Лучше много или мало – определение нормы натрия

Учитывая легкость получения натрия из продуктов и возможность коррекции его содержания в организме при помощи изменений в диете, существуют разные трактовки ежесуточной нормы потребления элемента. Так, к примеру, Американская ассоциация сердечных заболеваний считает минимально необходимой дозой для взрослых 500 мг/день, а максимальной – 1500 мг. Российское исследование, посвященное профилактике артериальной гипертензии, однозначно показало, что гарантией от развития этого заболевания является ежедневное потребление натрия не более 52 ммоль/сут (около 2,5 г). Потребление свыше 100-120 ммоль/сут (примерно 5,5 г) значительно повышает риск эссенциальной артериальной гипертензии (средний уровень потребления натрия, например, у москвичей составляет 161 ммоль/сут).

По нормам всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), для снижения риска инсультов и предупреждения заболеваний сердца, связанных с повышенным артериальным давлением, рекомендуется употреблять с пищей не больше 2 г натрия в день (5 г соли).

Ориентировочные нормы потребления натрия (мг/сут)

Нормы употребления натрия повышаются для людей, выполняющих тяжелую физическую работу, для спортсменов во время тренировок, для тех, кто сильно потеет из-за жаркой погоды или принимает мочегонные средства. Дополнительный натрий нужен при пищевых отравлениях, сопровождающихся сильной рвотой и поносом.

Есть и неофициальные расчеты – на 1 л выпитой в сутки воды можно съесть 1 г соли (половина чайной ложки). При этом нужно помнить о содержании натрия в продуктах питания, о добавлении соли в супы и другие готовые блюда, и учитывать это количество.

Сложность такого учета и становится причиной того, что переизбыток натрия у современных людей встречается значительно чаще, чем дефицит.

Избыток натрия в организме развивается, чаще всего, из-за злоупотребления солью в рационе, а также может быть вызван:

• нарушением питьевого режима (когда человек много двигается и работает, но мало пьет воды);
• неумеренным потреблением соленых продуктов;
• частым употреблением чипсов, сухариков и орешков: прочих снэков, в которых много соли;
• сильной рвотой и поносом без компенсации потерянной жидкости;
• длительным приемом Кортизона и других гормональных препаратов для лечения коры надпочечников;
• хроническими болезнями почек, когда нарушено функционирование почечных фильтров и натрий задерживается в организме.

Причиной передозировки натрия бывает сахарный диабет и избыточная выработка надпочечниковых гормонов (синдром Кушинга), нарушение водно-солевого обмена.

Опасность передозировки натрия в том, что он ускоряет выведение калия из организма, а калий отвечает за снабжение мозга кислородом, за нормализацию ритма сердца и выделительные функции почек. Гипернатриемия проявляется судорогами, повышенной возбудимостью, сильным сердцебиением, повышенной температурой тела, сильными отеками, поскольку почки не справляются с выведением избытка натрия. Резко увеличивается масса тела, повышается артериальное давление, значительно возрастает риск развития инсульта.

Опасности дисбаланса содержания натрия

Дисбаланс натрия может привести к довольно серьезным последствиям для здоровья – вызвать отклонения в работе нервной и сердечно-сосудистой систем, нарушить пищеварение, стать причиной дисфункции почек, расстройства кровообращения, скопления жидкости в легких. Некоторые исследования показали, что повышенное содержание натрия в рационе ведет к риску развитию катаракты (в связи с повышением глазного давления), отказ от соли становится причиной снижения выработки инсулина и повышает синтез гормона ренина, влияющего на возникновение внезапных инсультов и инфарктов.

Проявления дисбаланса натрия в организме

Симптомы недостаточности натрия объясняются уменьшением его количества во внеклеточной жидкости. Главная опасность продолжительного дефицита натрия в том, что в организме начинают усиленно накапливаться соединения азота, что грозит серьезными последствиями вплоть до смертельного исхода.

Факторы, которые могут способствовать развитию дефицита натрия:

• диета с ограничением соли или отказом от нее;
• злоупотребление кофе (кофеин является слабым диуретиком);
• злоупотребление мочегонными средствами, клизмами (в том числе с водой);
• избыточное употребление воды (она способна сильно «разбавить» натрий);
• сильное потоотделение, в том числе при высокой температуре;
• сильная рвота и понос;
• заболевания печени (цирроз), надпочечников, нарушение синтеза антидиуретического гормона, эндокринные нарушения;
• травмы, ожоги и хирургические операции (натрий концентрируется в области поврежденных клеток).

Употребление продуктов с высоким содержанием калия тоже ускоряет выведение натрия, поэтому требует коррекции диеты.

Совет! В жаркую погоду при сильном потоотделении, особенно на пляже при горячем солнце, избежать дефицита натрия и предотвратить тепловой удар поможет 0,5 л слегка подсоленной воды (можно минеральной хлоридной без газа – например, «Миргородской)

Недостаток натрия может долго компенсироваться самим организмом за счет извлечения его из костной ткани. Однако часто повторяющиеся инфекционные заболевания, апатия и повышенная утомляемость, нарушение равновесия при передвижении, утрата аппетита и ощущения вкуса еды, необъяснимое снижение веса – все эти признаки могут свидетельствовать о развивающемся дефиците натрия. Если не принять меры, может начаться интенсивный распад белков, нарушение осмотического давления, повышение остаточного азота. В такой ситуации даже выпитая чистая вода в большом количестве может стать причиной смерти.

При резком снижении уровня натрия в организме могут развиться судороги, а избыток – спровоцировать потерю ориентации в пространстве.

Дисбаланс натрия корректируется изменением рациона и питьевого режима. Если недостаточность натрия невелика – надо пить меньше воды и пересмотреть рацион в пользу продуктов с высоким содержанием натрия (например, морепродуктов, морской капусты), чтобы восполнить дефицит элемента в организме. Если натрия многовато – нужно, прежде всего, ограничить соль в рационе. В более серьезных случаях врач может рекомендовать при дефиците натрия - лекарства, способствующие выделению жидкости или, наоборот, при избытке элемента - отменить препараты, удерживающие в крови натрий. В тяжелых случаях переизбытка натрия может понадобиться внутривенное введение бессолевого раствора, а затем – чтобы предотвратить риск гипонатриемии – раствора хлорида натрия.

Лекарственные препараты с содержанием натрия

Влияние натрия на множество процессов в организме обусловило широкий перечень препаратов, которые применяются при различных патологиях. Рассмотрим некоторые из них, особенно часто применяемые.

Хлорид натрия (хлористый натрий). Применяют при сильной рвоте, тяжелом поносе, обильном диурезе или повышенном потоотделении, при значительных ожогах. Выпускается в порошках, таблетках и ампулах, но чаще всего применяется для внутривенного введения.

Гидрокарбонат натрия (двууглекислый натрий). Применяют при интоксикациях организма, инфекционных заболеваниях, а также в качестве нейтрализатора кислоты (в том числе при повышенной кислотности желудка). При ацидозе или инфекциях назначается в таблетках, при интоксикации – внутривенно. При стоматитах или при попадании кислот на слизистые оболочки – в виде раствора для промываний.

Борат натрия (бура). Антисептик наружного применения, выпускается в виде мазей, растворов для полосканий.

Сульфат натрия (глауберова соль). Применяют как слабительное средство: 15 г для взрослого растворить в стакане воды, действовать начнет через 4 часа.

Тиосульфат натрия (серноватистокислый натрий). Используется как десенсибилизатор и противовоспалительное средство: при аллергиях, невралгиях, артрите - внутривенно, при чесотке – наружно в виде раствора для примочек.

Нитрит натрия (натрий азотистокислый). Применяют как сосудорасширяющее средство при стенокардии, спазмах мозговых сосудов. Выпускается в виде раствора, который можно использовать для инъекций или внутрь – 0,1 г 2-3 раза в день.

Метамизол натрия. Обладает обезболивающим действием, применяется при острых респираторных инфекциях и в качестве жаропонижающего средства. Выпускается в таблетках и ампулах.

Фторид натрия. Широко применяется в стоматологии, поскольку обладает способностью влиять на регенерацию тканей зубов и созревание зубной эмали, обладает противомикробным действием. Используется как в инъекционной, так и в топической форме – в растворах, ополаскивателях и даже в составе лечебной зубной пасты.

Оксибутират натрия. Обладает седативным и миорелаксантным действием, в большой дозе может вызвать состояние сна, активирует обменные процессы в тканях мозга и сердца. Выпускается в виде порошков.

Практически все препараты с содержанием натрия обладают разными побочными эффектами, поэтому их применение обязательно должно быть согласовано с врачом.

Сколько соли мы должны употреблять в день, чтобы не навредить здоровью? Как разобраться в том, где содержится соль в магазинных продуктах и как она скрыта в виде пищевых натриевых добавок? В чем скрытая угроза натрия для организма, поступающего в виде соли? Ответы на эти и другие вопрос смотрите в видео ниже.

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 (латинское Natrium, обозначается символом Na) - элемент с атомным номером 11 и атомным весом 22,98977. Является элементом главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Простое вещество натрий - мягкий, легкоплавкий (tпл 97,86 °С), пластичный, легкий (плотность 0,968 г/см3), щелочной металл серебристо-белого цвета.

Природный натрий состоит всего из одного изотопа с массовым числом 23. Всего в настоящее время известно 15 изотопов и 2 ядерных изомера. У большинства искусственно полученных радиоактивных изотопов период полураспада меньше минуты. Только два изотопа имеют относительно долгий период полураспада: излучающий позитроны 22Na с периодом полураспада 2,6 года, который используют в качестве источника позитронов и в научных исследованиях и 24Na с периодом полураспада 15 часов используемый в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии.

Натрий в виде различных соединений известен с древних времен. Хлорид натрия (NaCl) или поваренная соль - одно из важнейших жизненно необходимых соединений, считается, что оно стало известно человеку еще в неолите, то есть, получается, что человечество употребляет хлорид натрия более шести тысяч лет! В ветхом завете существует упоминание вещества под названием «нетер», оно использовалось в качестве моющего средства. Скорее всего - это сода, карбонат натрия, который содержится в водах солевых озер в Египте.

В XVIII веке химикам уже было известно большое количество соединений натрия, соли этого металла широко применялись в медицине и текстильной промышленности (при окраске тканей и дублении кож). Однако металлический натрий был получен лишь в 1807 году английским химиком Хэмфри Дэви.

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. В металлургии натрийметаллическим методом получают ряд тугоплавких металлов, восстанавливая натрием KOH, выделяют калий. Кроме того, натрий используют как добавку, которая упрочняет свинцовые сплавы. В промышленности органического синтеза натрий используется при получении многих веществ. Натрий выступает в роли катализатора при получении некоторых органических полимеров. Важнейшие соединения натрия - оксид натрия Na2O, пероксид натрия Na2O2 и гидроксид натрия NaOH. Пероксид натрия применяется при отбеливании тканей, для регенерации воздуха в изолированных помещениях. Гидроксид натрия – один из важнейших продуктов основной химической промышленности. В колоссальных количествах он потребляется для очистки продуктов переработки нефти. Кроме того, гидроксид натрия широко применяется в мыловаренной, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности, а также при производстве искусственного волокна.

Натрий - один из важнейших элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. В человеческом организме натрий в виде растворимых солей (хлорида, фосфата, бикарбоната) содержится в основном во внеклеточных жидкостях - плазме крови, лимфе, пищеварительных соках. Осмотическое давление плазмы крови поддерживается на необходимом уровне, прежде всего за счет хлорида натрия.

Симптомами нехватки натрия являются потеря веса, рвота, образование газов в желудочно-кишечном тракте, и нарушение усвоения аминокислот и моносахаридов. Продолжительный дефицит вызывает мышечные судороги и невралгию. Переизбыток натрия вызывает отек ног и лица, а также повышенное выделение калия с мочой.

Биологические свойства

Натрий относится к группе макроэлементов, которые совместно с микроэлементами играют важную роль в минеральном обмене животных и человека. Макроэлементы содержатся в организме в значительных количествах, составляя в среднем от 0,1 до 0,9 % массы тела. Содержание натрия в теле взрослого человека составляет 55-60 г на 70 кг веса. Главным образом элемент номер одиннадцать содержится во внеклеточных жидкостях: в крови - 160-240 мг, в плазме - 300-350 мг, в эритроцитах - 50-130 мг. Костная ткань содержит до 180 мг натрия, эмаль зубов гораздо богаче этим макроэлементом - 250 мг. В легких концентрируется до 250 мг, в сердце 185 мг натрия. Мышечная ткань содержит натрия около 75 мг.

Основная функция натрия в организме людей, животных и даже растений - поддержание вводно-солевого баланса в клетках, регулирование осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия. По этой причине содержание натрия в клетках растений довольно высокое (около 0,01 % на сырую массу), натрий создает высокое осмотическое давление в клеточном соке и тем самым способствует извлечению воды из почвы. В организме человека и животных натрий отвечает за нормализацию нервно-мышечной деятельности (участвует в нормальном проведении нервных импульсов) и сохраняет необходимые минеральные вещества в крови в растворенном состоянии. Вообще роль натрия в регулировании обмена веществ гораздо шире, ведь этот элемент необходим для нормального роста и состояния организма. Натрий играет роль «курьера», доставляя различные вещества к каждой клетке, например, сахара в крови. Он препятствует возникновению теплового либо солнечного удара, обладает также ярко выраженным сосудорасширяющим действием.

Натрий активно взаимодействует с другими элементами, так совместно с хлором они предотвращают утечку жидкости из кровеносных сосудов в прилежащие ткани. Однако главным «напарником» натрия является калий, в сотрудничестве с которым, они выполняют большинство выше перечисленных функций. Оптимальная суточная доза натрия для детей составляет от 600 до 1 700 миллиграммов, для взрослых от 1 200 до 2 300 миллиграммов. В эквиваленте поваренной соли (самый популярный и доступный источник натрия) это соответствует 3-6 граммам в день (в 100 граммах пищевой соли содержится 40 грамм натрия). Суточная потребность в натрии главным образом зависит от количества солей, теряемых с потом, и может доходить до 10 грамм NaCl. Натрий содержится практически во всех продуктах (в значительном количестве в ржаном хлебе, куриных яйцах, твердом сыре, говядине и молоке), однако большую часть организм получает за счет поваренной соли. Усвоение одиннадцатого элемента происходит главным образом в желудке и тонкой кишке, витамин D способствует лучшему усвоению натрия. В тоже время, пища богатая белком и особо соленая может привести к затруднению всасывания. Концентрация ионов натрия в организме регулируется в основном гормоном коры надпочечников - альдостероном, почки либо удерживают, либо выделяют натрий, в зависимости от того злоупотребляет человек или недополучает натрий. По этой причине при нормальных внешних условиях и правильной работе почек не может наступить ни дефицит, ни профицит натрия. Недостаток этого элемента может возникнуть при ряде вегетарианских диет. Кроме того, обильные потери натрия с потом несут люди тяжелых физических профессий и спортсмены. Недостаток натрия возможен и при различных отравлениях, сопровождающихся обильным потоотделением, рвотой, диареей. Однако такой дисбаланс легко восполнить минеральной водой, с которой организм получает не только натрий, но и определенное количество других минеральных солей (калия, хлора и лития).

При недостатке натрия (гипонатриемия) возникают такие проявления, как потеря аппетита, снижение вкусовых ощущений, желудочные спазмы, тошнота, рвота, газообразование, как следствие всего этого - сильная потеря в весе. Продолжительный дефицит вызывает мышечные судороги и невралгию: пациент может испытывать трудность балансировки при ходьбе, головокружение и быструю утомляемость, возможно наступление шокового состояния. К симптомам дефицита натрия также причисляют проблемы с памятью, внезапные перемены настроения, депрессию.

Переизбыток натрия вызывает задержку воды в организме, как следствие - повышение плотности крови, следовательно, повышение артериального давления (гипертония), отеки и болезни сосудов. Кроме того, избыток натрия приводит к повышенному выделению калия с мочой. Максимальное количество соли, которое может быть переработано почками составляет примерно 20-30 граммов, большее количество уже опасно для жизни!

В медицине используется большое количество препаратов натрия, наиболее часто применяемые - сульфат натрия, хлорид (при кровопотерях, потерях жидкости, рвоте); тиосульфат Na2S2O3∙5H2O (противовоспалительное и противотоксическое средство); борат Na2B4О7∙10H2O (антисептическое средство); гидрокарбонат NaHCO3 (как отхаркивающее средство, а также для промываний и полосканий при ринитах, ларингитах).

Поваренная соль - незаменимая и ценная приправа к пище была известна еще в древнейшие времена. В наши дни хлорид натрия дешевый продукт совместно с углем, известняком и серой он входит в так называемую «большую четверку» минерального сырья, наиболее существенного для химической промышленности. А ведь были времена, когда соль приравнивалась по цене к золоту. Так, например, в древнем Риме легионерам часто платили жалование не деньгами, а солью, отсюда и произошло слово солдат. В Киевскую Русь соль доставляли из Прикарпатья, а также из соляных озер и лиманов Черного и Азовских морей. Добыча и доставка ее обходилась настолько дорого, что на торжественных пирах ее подавали на столы только знатных гостей, прочие же расходились «несолоно хлебавши». Даже после присоединения Астраханского царства с его соленосными озерами Прикаспия к Руси цена на соль ниже не стала, что вызвало недовольство самых бедных слоев населения, которое переросло в восстание, известное под названием Соляного Бунта (1648). Петр I в 1711 году ввел монополию на торговлю солью, как на стратегически важное сырье, исключительное право на торговлю солью для государства просуществовало до 1862 года. До сих пор сохранилась древняя традиция встречать гостей «хлебом да солью», что означало делиться самым дорогим, что есть в доме.

Всем хорошо известно выражение: «Чтобы узнать человека, нужно с ним пуд соли съесть», однако мало кто задумывался над смыслом данной фразы. Подсчитано, что в год человек потребляет до 8 килограмм хлорида натрия. Получается, что крылатое выражение, подразумевает всего лишь один год - ведь пуд соли (16 кг) вдвоем можно съесть именно за этот период.

Электропроводность натрия в три раза ниже, чем электропроводность меди. Однако натрий в девять раз легче, получается, что натриевые провода, если бы они существовали, стоили бы дешевле медных. Правда, существуют стальные шины, заполненные натрием, предназначенные для больших токов.

Подсчитано, что каменная соль в количестве, эквивалентном содержанию хлорида натрия в Мировом океане, занимала бы объем 19 млн куб. км (на 50 % больше, чем общий объем Североамериканского континента выше уровня моря). Призма такого объема с площадью основания 1 км2 может достичь Луны 47 раз! Солью, извлеченной из морских вод, можно было бы засыпать всю сушу земного шара слоем в 130 м! Сейчас суммарное производство хлорида натрия из морской воды достигло 6-7 млн т. в год, что составляет около трети общей мировой добычи.

При взаимодействии перекиси натрия с углекислым газом протекает процесс, обратный дыханию:

2Na2О2 + 2СО2 → 2Na2CО3 + О2

В ходе реакции углекислый газ связывается, а кислород выделяется. Данная реакция нашла применение на подводных лодках для регенерации воздуха.

Интересный факт установили канадские ученые. Они обнаружили, что у вспыльчивых и раздражительных людей натрий быстро выводится из организма. У спокойных и доброжелательных людей, а также у тех, кто испытывает положительные эмоции, например, у влюбленных, это вещество усваивается хорошо.

C помощью натрия на расстоянии 113 тыс. км от Земли 3 января 1959 года была создана искусственная комета вбрасыванием в мировое пространство натриевых паров с борта советского космического аппарата, летящего к Луне. Яркое свечение натриевой кометы позволило уточнить траекторию первого летательного аппарата, прошедшего по маршруту Земля - Луна.

Источниками, содержащими большое количество натрия, являются: очищенная морская соль, качественные соевые соусы, различные рассолы, квашеная капуста, мясные бульоны. В небольшом количестве одиннадцатый элемент присутствует в морской капусте, устрицах, крабах, свежей моркови и свекле, цикории, сельдереи и одуванчике.

История

Природные соединения натрия - поваренная соль NaCl и сода Na2CO3 - известны человеку с глубокой древности. Древние египтяне использовали природную соду, добываемую из вод содовых озер, для бальзамирования, отбеливания холста, при варке пищи, изготовлении красок и глазурей. Данное соединение египтяне называли neter, впрочем, этот термин относился не только к природной соде, но и к щелочи вообще, в том числе получаемой из золы растений. Об этом веществе, но уже под названием «nitron» упоминают и более поздние греческие (Аристотель, Диоскорид) и римские (Плутарх) источники. Древнеримский историк Плиний Старший писал, что в дельте Нила соду (он называет ее «nitrum») выделяли из речной воды, в виде крупных кусков она поступала в продажу. Имея большое количество примесей, в первую очередь угля, такая сода имела серый, а порой даже черный цвет. В арабской средневековой литературе фигурирует термин «natron», от которого постепенно в XVII-XVIII вв. образуется термин «натра», то есть основание, из которого можно получить поваренную соль. От «натра» произошло современное название элемента.

Современная аббревиатура «Na» и латинское слово «natrium» были впервые использованы в 1811 году академиком, основателем шведского общества врачей Йенсом Якобом Берцелиусом для обозначения природных минеральных солей, в состав которых входила сода. Этот новый термин сменил первоначальное название «sodium», которое дал металлу английский химик Хэмфри Дэви первый получивший металлический натрий. Считается, что Дэви руководствовался латинским наименованием соды - «soda», хотя есть и другое предположение: в арабском языке есть слово «suda», обозначающее головную боль, в древние времена этот недуг врачевали именно содой. Стоит отметить, что в ряде стран Западной Европы (Великобритания, Франция, Италия), а также в Соединенных Штатах Америки натрий носит название sodium.

Несмотря на то, что соединения натрия были известны очень давно, получить металл в чистом виде удалось лишь в 1807 году, совершил это английский химик Хэмфри Дэви в результате электролиза слегка увлажненного твердого едкого натра NaOH. Дело в том, что традиционными химическими методами получить натрий не могли - из-за высокой активности металла, способ же Дэви опережал научную мысль и технические разработки того времени. В начале XIX века единственным реально применимым и подходящим источником тока был вольтов столб. Тот, которым воспользовался Дэви, имел 250 пар медных и цинковых пластин. Процесс, описанный Д.И. Менделеевым в одной из своих работ, был крайне сложен и энергоемок: «Соединяя с положительным (от меди или угля) полюсом кусок влажного (чтобы достичь гальванопроводности) едкого натра и выдолбив в нем углубление, в которое налита была ртуть, соединенная с отрицательным полюсом (катодом) сильного вольтова столба, Дэви заметил, что в ртути растворяется, при пропускании тока, особый металл, менее летучий, чем ртуть, и способный разлагать воду, вновь образуя едкий натр». Из-за большой энергоемкости щелочной способ получил промышленное распространение лишь в конце XIX века - с появлением более совершенных источников энергии, а в 1924 году американский инженер Г. Даунс принципиально изменил процесс электролитического получения натрия, заменив щелочь гораздо более дешевой поваренной солью.

Год спустя после открытия Дэви Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар получили натрий не электролизом, а при помощи реакции едкого натра с железом, нагретым до красного каления. Еще позднее Сент-Клер Девиль разработал метод, по которому натрий получали, восстанавливая соду углем в присутствии известняка.

Нахождение в природе

Натрий один из самых распространенных элементов - шестой по количественному содержанию в природе (из неметаллов больше только кислорода - 49,5 % и кремния - 25,3 %) и четвертый среди металлов (более распространены лишь железо - 5,08 %, алюминий - 7,5 % и кальций - 3,39 %). Его кларк (среднее содержание в земной коре) по разным оценкам составляет от 2,27 % по массе до 2,64 %. Большая часть этого элемента находится в составе различных алюмосиликатов. Натрий - типичный элемент верхней части земной коры, это легко прослеживается по степени содержания металла в различных породах. Так наибольшая концентрация натрия - 2,77 % по массе - в кислых изверженных породах (граниты и ряд других), в основных породах (базальты и подобные) среднее содержание одиннадцатого элемента составляет уже 1,94 % по массе. В ультраосновных породах мантии самое низкое содержание натрия - всего 0,57 %. Бедны одиннадцатым элементом и осадочные породы (глины и сланцы) - 0,66 % по массе, небогато натрием и большинство почв - среднее содержание порядка 0,63 %.

Вследствие своей высокой химической активности в природе натрий встречается исключительно в виде солей. Общее число известных минералов натрия более двухсот. Однако важнейшими, являющимися основными источниками получения этого щелочного металла и его соединений, считаются далеко не все. Стоит упомянуть галит (каменная соль) NaCl, мирабилит (глауберова соль) Na2SO4 10H2O, чилийская селитра NaNO3, криолит Na3, тинкал (бура) Na2B4O7∙10Н2О, трона NaHCO3∙Na2CO3∙2Н2О, тенардит Na2SO4, а также природные силикаты, например альбит Na, нефелин Na, содержащие помимо натрия и другие элементы. В результате изоморфизма Na+ и Ca2+, который обусловлен близостью их ионных радиусов, в магматических породах образуются натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы).

Натрий - главный металлический элемент в морской воде, подсчитано, что в водах Мирового океана содержится 1,5 1016 тонн солей натрия (средняя концентрация растворимых солей в водах Мирового океана примерно 35 промилле, что составляет 3,5 % по массе, на долю натрия из них приходится 1,07 %). Столь высокая концентрация обусловлена так называемым круговоротом натрия в природе. Дело в том, что этот щелочной металл довольно слабо задерживается на континентах и активно переносится водами рек в моря и океаны. При испарении в прибрежно-морских лагунах, а также в континентальных озерах степей и пустынь осаждаются соли натрия, формирующие толщи соленосных пород. Подобного рода отложения солей натрия в сравнительно чистом виде существуют на всех континентах, как результат испарения древних морей. Эти процессы происходят и в наше время, примером могут служить озера Солт-Лейк, расположенное в штате Юта (США), Баскунчак (Россия, Ахтубинский район), соленые озера Алтайского края (Россия), а также Мертвое море и прочие подобные места.

Каменная соль образует обширные подземные месторождения (нередко в сотни метров толщиной), которые содержат более 90 % NaCl. Типичное Чеширское соляное месторождение (главный источник хлорида натрия в Великобритании) занимает площадь 60 на 24 км и имеет толщину соляного пласта около 400 м. Одно это месторождение оценивается более чем в 1011 т.

Кроме того, натрий - важный биоэлемент, он содержится в относительно больших количествах в живых организмах (в среднем 0,02 %, главным образом в виде NaCl), причем в животных его больше, чем в растениях. Наличие натрия установлено в атмосфере Солнца и межзвездном пространстве. В верхних слоях атмосферы (на высоте около 80 километров) обнаружен слой атомарного натрия. Дело в том, что на такой высоте практически полностью отсутствуют кислород, водяные пары и прочие вещества, с которыми мог бы взаимодействовать натрий.

Применение

Металлический натрий и его соединения довольно широко используются в различных отраслях промышленности. Благодаря своей высокой реакционной способности этот щелочной металл используется в металлургии в качестве восстановителя для получения методом металлотермии таких металлов, как ниобий, титан, гафний, цирконий. Еще в первой половине XIX века натрий применяли для выделения алюминия (из хлористого алюминия), в наши дни одиннадцатый элемент и его соли по-прежнему используется в качестве модификатора при производстве некоторых сортов литейных алюминиевых сплавов. Также натрий используется в сплаве на основе свинца (0,58 % Na), который применяется при изготовлении осевых подшипников железнодорожных вагонов, щелочной металл в этом сплаве является упрочняющим элементом. Натрий и его сплавы с калием - жидкие теплоносители в ядерных реакторах - ведь оба элемента имеют малые сечения поглощения тепловых нейтронов (для Na 0,49 барн). Кроме того, эти сплавы отличаются высокими температурами кипения и коэффициентами теплопередачи и не взаимодействуют с конструкционными материалами при высоких температурах, развиваемых в энергетических ядерных реакторах, таким образом, не влияя на ход цепной реакции.

Однако не только атомная энергетика использует натрий в качестве переносчика тепла - элемент №11 широко применяется как теплоноситель для процессов, требующих равномерного обогрева в интервале температур от 450 до 650 °C - в клапанах авиационных двигателей, в выпускных клапанах грузовиков, в машинах для литья под давлением. Сплав натрия, калия и цезия (Na 12 %, K 47 %, Cs 41 %) имеет рекордно низкую температуру плавления (всего 78 °C), по этой причине он был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей. В химической промышленности натрий применяют при производстве цианистых солей, синтетических моющих средств (детергенидов), фармацевтических препаратов. В производстве искусственного каучука натрий играет роль катализатора, соединяющего молекулы бутадиена в продукт, не уступающий по свойствам лучшим сортам естественного каучука. Соединение NaPb (10 % Na по массе) применяется в производстве тетраэтилсвинца - наиболее эффективного антидетонатора. Пары натрия используют для наполнения газоразрядных ламп высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Натриевая лампа наполнена неоном и содержит небольшое количество металлического натрия, при включении такой лампы разряд начинается в неоне. Тепло, выделяющееся при разряде, испаряет натрий, и, спустя некоторое время, красный свет неона сменяется желтым свечением натрия. Натриевые лампы являются мощными источниками света с высоким КПД (в лабораторных условиях до 70 %). Высокая экономичность натриевых ламп дала возможность использовать их для освещения автострад, вокзалов, пристаней и других масштабных объектов. Так, лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая), дающие ярко-желтый свет очень широко применяются в уличном освещении, срок службы таких ламп составляет 12-24 тысяч часов. Кроме того, существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути). Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. В органическом синтезе натрий используется в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации и других. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

Не менее широко используются и многочисленные соединения натрия: поваренная соль NaCl используется в пищевой промышленности; гидроксид натрия NaOH (каустическая сода) используется в мыловаренной промышленности, при производстве красок, в целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности, при производстве искусственного волокна, а также в качестве электролита. Сода - карбонат натрия Na2CO3 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. Хлорат натрия NaClO3 применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне. Фосфат натрия Na3PO4 - компонент моющих средств, применяют в производстве стекол и красок, в пищевой промышленности, в фотографии. Азид натрия NaN3 применяется в качестве азотирующего средства в металлургии и при получении азида свинца. Цианид натрия NaCN применяется при гидрометаллургическом способе выщелачивания золота из горных пород, а также при нитроцементации стали и в гальванотехнике (серебрение, золочение). Силикаты mNa2O nSiO2 - компоненты шихты в производстве стекла, для получения алюмосиликатных катализаторов, жаростойких, кислотоупорных бетонов.

Производство

Как известно впервые металлический натрий был получен в 1807 году английским химиком Дэви путем электролиза едкого натра NaOH. С научной точки зрения выделение щелочных металлов - грандиозное открытие в области химии. Однако промышленность тех лет не могла оценить значимость данного события - во-первых, для производства натрия в промышленных масштабах в начале XIX века просто еще не существовало необходимых мощностей, во-вторых, никто не знал, где бы мог пригодиться мягкий металл, вспыхивающий при взаимодействии с водой. И если первую трудность в 1808 году решили Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар, получив натрий, не прибегая к энергоемкому электролизу, при помощи реакции едкого натра с железом, нагретым до красного каления, то вторую задачу - область применения - удалось решить лишь в 1824 году, когда с помощью натрия был выделен алюминий. Во второй половине XIX века Сент-Клер Девиль разработал новый метод получения металлического натрия – путем восстановления соды углем в присутствии известняка:

Na2CO3 + 2C → 2Na + 3CO

В 1886 году этот метод был усовершенствован. Однако уже в 1890 году в промышленность был внедрен электролитический способ получения натрия. Таким образом, идея Хэмфри Дэви в промышленных масштабах была реализована лишь спустя 80 лет! Все поиски и изыскания закончились возвращением к первоначальному способу. В 1924 году американский инженер Даунс удешевил процесс электролитического получения натрия, заменив щелочь гораздо более дешевой поваренной солью. Данная модернизация повлияла на производство металлического натрия, которое выросло с 6 тысяч тонн (1913 год) до 180 тысяч тонн (1966 год). Метод Даунса лег в основу современного способа получения металлического натрия.

Сейчас основной промышленный метод получения металлического натрия - электролиз расплава поваренной соли NaCl (побочным продуктом процесса является хлор) с добавками КСl, NaF или СаСl2, которые понижают температуру плавления соли до 575-585 °C. В противном случае электролиз чистого хлорида натрия привел бы к большим потерям металла от испарения, так как температуры плавления NaCl (801 °C) и кипения металлического натрия (882,9 °C) очень близки. Процесс происходит в стальном электролизере с диафрагмой. Современный электролизер для получения натрия - внушительное сооружение, напоминающее печь. Агрегат сложен из огнеупорного кирпича, который снаружи окружен стальным кожухом. Сквозь днище электролизера введен графитовый анод, окруженный кольцеобразной сеткой - диафрагмой, которая препятствует проникновению натрия в анодное пространство, где осаждается хлор. В противном случае натрий просто сгорел бы в хлоре.

Кольцеобразный катод изготовляется из железа или меди. Над катодом и анодом устанавливаются колпаки для отвода натрия и хлора. В электролизер загружают смесь тщательно высушенных хлористого натрия и хлористого кальция, мы уже знаем, что подобная смесь плавится при более низкой температуре, чем чистый хлористый натрий. Обычно процесс идет при температуре около 600 °C. На электроды подают постоянный ток напряжением около 6 B, при этом на катоде происходит разряд ионов Na+ и выделение металлического натрия, который всплывает и отводится в специальный сборник. Естественно процесс идет без доступа воздуха. На аноде разряжаются ионы хлора Сl– и выделяется газообразный хлор - ценный побочный продукт натриевого производства. За сутки работы электролизера производится 400-500 кг натрия и 600-700 кг хлора. Получаемый таким образом металл очищают от примесей (хлоридов, оксидов и прочих) добавлением в расплавленный натрий смеси NaOH + Na2CO3 + NaCl или Na2O2; обработкой расплава металлическим литием, титаном или сплавом титан-цирконий, низшими хлоридами TiCl3, TiCl2; вакуумной дистилляцией.

Физические свойства

Хэмфри Дэви не только первым получил металлический натрий, но и первым исследовал его свойства. Докладывая в Лондоне об открытии новых элементов (калия и натрия), химик впервые продемонстрировал ученой аудитории образцы новых металлов. Кусочек металлического натрия английский химик хранил под слоем керосина, с которым натрий не взаимодействовал и не окислялся в его среде, сохраняя свой блестящий серебристый цвет. Кроме того, натрий (плотность при 20 °C равна 0,968 г/см3) тяжелее керосина (плотность при 20 °C при различной степени очистки составляет 0,78-0,85 г/см3) и не всплывает на его поверхности, следовательно, не подвергается окислению кислородом и углекислым газом. Обычной демонстрацией сосуда с образцом нового металла Дэви не ограничился, достав натрий из керосина, химик бросил образец в бадью с водой. К всеобщему удивлению, металл не утонул, а начал активно двигаться по поверхности воды, плавясь на небольшие блестящие капельки, часть которых воспламенялась. Дело в том, что плотность воды (при 20 °C равна 0,998 г/см3) больше плотности этого щелочного металла, по этой причине натрий не тонет в воде, а плавает в ней, активно с ней взаимодействуя. Публика была поражена подобной «презентацией» нового элемента.

Что же мы сейчас можем рассказать о физических свойствах натрия? Одиннадцатый элемент периодической системы - мягкий (легко режется ножом, поддается прессованию и прокатке), легкий блестящий серебристо-белый металл, быстро тускнеющий на воздухе. Тонкие слои натрия имеют фиолетовый оттенок, под давлением металл становится прозрачным и красным, как рубин. При обычной температуре натрий кристаллизуется в кубической решетке со следующими параметрами: а = 4,28 A, атомный радиус 1,86 A, ионный радиус Na+ 0,92 A. Потенциалы ионизации атома натрия (эВ) 5,138; 47,20; 71,8; электроотрицательность металла 0,9. Работа выхода электронов 2,35 эВ. Данная модификация устойчива при температуре выше -222 °C. Ниже этой температуры устойчива гексагональная модификация со следующими параметрами: а = 0,3767 нм, с = 0,6154 нм, z = 2.

Натрий - легкоплавкий металл, его температура плавления всего 97,86 °C. Получается, что этот металл мог бы плавиться в кипящей воде, если бы активно не взаимодействовал с ней. Причем при плавлении плотность натрия снижается на 2,5 %, однако происходит увеличение объема на ΔV = 27,82∙10-6 м3/кг. При повышении давления возрастает температура плавления металла, достигая 242° C при 3 ГПа и 335 °C при 8 ГПа. Температура кипения расплавленного натрия 883,15° С. Теплота испарения натрия при нормальном давлении = 3869 кДж/кг. Удельная теплоемкость одиннадцатого элемента (при комнатной температуре) 1,23 103 дж/(кг К) или 0,295 кал/(г град); коэффициент теплопроводности натрия равен 1,32 102 вт/(м К) или 0,317 кал/(см сек град). Температурный коэффициент линейного расширения для этого щелочного металла (при температуре 20 °C) составляет 7,1 10-5. Удельное электрическое сопротивление натрия (при 0 °C) равно 4,3 10-8 ом м (4,3 10-6 ом см). При плавлении удельное электрическое сопротивление натрия возрастает в 1,451 раза. Натрий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость +9,2 10-6. 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. Натрий весьма пластичный металл, легко деформируется на холоду. Давление истечения натрия, по данным Н. С. Курнакова и С. Ф. Жемчужного, находится в пределах 2,74-3,72 МПа в зависимости от диаметра выходного отверстия.

Химические свойства

В химических соединениях, включая гидриды, натрий проявляет степень окисления + 1. Одиннадцатый элемент относится к числу наиболее реакционноспособных металлов, поэтому в чистом виде в природе не встречается. Даже при комнатной температуре он активно реагирует с кислородом воздуха, водяными парами и углекислым газом, образуя на поверхности рыхлую корку из смеси пероксида, гидроксида и карбоната. По этой причине металлический натрий хранится под слоем обезвоженной жидкости (керосин, минеральное масло). Благородные газы незначительно растворяются в твердом и жидком натрии, при 200 °С натрий начинает поглощать водород, образуя весьма гигроскопичный гидрид NaH. С азотом этот щелочной металл реагирует крайне слабо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество - нитрид натрия:

6Na + N2 → 2Na3N

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

При непосредственном взаимодействии натрия с кислородом в зависимости от условий образуется оксид Na2O (при горении натрия в недостаточном количестве кислорода) или пероксид Na2O2 (при сжигании натрия на воздухе или в избытке кислорода). Оксид натрия проявляет ярко выраженные основные свойства, бурно реагирует с водой с образованием гидроксида NaОН - сильного основания:

Na2O + H2O → 2NaOH

Гидроксид натрия - хорошо растворимая в воде щелочь (в 100 г воды при 20 °C растворяется 108 г NaOH) в виде твердых белых гигроскопичных кристаллов, разъедает кожу, ткани, бумагу и другие органические вещества. При растворении в воде выделяет большое количество тепла. На воздухе гидроксид натрия активно поглащает углекислый газ и превращается в карбонат натрия:

2NаОН + СO2 → Na2СО3 + Н2О

По этой причине гидроксид натрия необходимо хранить в герметичных сосудах. В промышленности NaOH получается путем электролиза водных растворов NaCl или Na2CO3 c применением ионообменных мембран и диафрагм:

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2

Пероксид натрия представляет собой бледно-желтый порошок, который плавится без разложения, Na2O2 является очень сильным окислителем. Большинство органических веществ при соприкосновении с ним воспламеняются. При взаимодействии Na2O2 с углекислым газом выделяется кислород:

2Na2О2 + 2СО2 → 2Na2CО3 + О2

Металлический натрий, как и его окислы, активно взаимодействует с водой с образованием гидроксида NaOH и выделением водорода, при большой поверхности контакта, реакция протекает с взрывом. Со спиртами натрий взаимодействует намного спокойнее, чем с водой, в результате получается алкоголят натрия. Так, реагируя с этанолом, натрий дает этанолят натрия С2Н5ОNa:

2Na + 2C2H5OH → 2C2H5ONa + H2

Натрий растворяется почти во всех кислотах с образованием большого количества солей:

2Nа + 2НСl → 2NаСl + Н2

2Na + 2Н2SO4 → SO2 + Na2SO4 + 2H2O

В атмосфере фтора и хлора натрий самовоспламеняется, с бромом реагирует при нагревании, с йодом прямого взаимодействия не возникает. С серой реагирует бурно, при растирании в ступке, образуя сульфиды переменного состава. Сульфид натрия Na2S получают путем восстановления сульфата натрия углеродом. Очень распространенное соединение натрия с серой и кислородом - так называемая глауберова соль Na2SO4∙10Н2О. Кроме серы активно реагирует с селеном и теллуром с образованием халькогенидов составов Na2X, NaX, NaX2, Na2X5.

Натрий растворяется в жидком аммиаке (34,6 г на 100 г NH3 при 0 °C) с образованием аммиачных комплексов (раствор синего цвета, обладающий металлической проводимостью). При испарении аммиака остается исходный металл, при длительном хранении раствора он постепенно обесцвечивается за счет реакции металла с аммиаком с образованием амида NaNH2 или имида Na2NH и выделением водорода. При пропускании газообразного аммиака через расплавленный натрий при 300-350 °C образуется натрийамин NaNH2 - бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагаемое водой.

При 800-900 °С газообразный натрий с углеродом образует карбид (ацетиленид) Na2C2. С графитом натрий образует соединения включения.

Натрий образует ряд интерметаллидов - с серебром, золотом, оловом, свинцом, висмутом, цезием, калием и другими металлами. Не образует соединений с барием, стронцием, магнием, литием, цинком и алюминием. С ртутью натрий образует амальгамы - интерметаллиды состава NaHg2, NaHg4, NaHg8, NaHg, Na3Hg2, Na5Hg2, Na3Hg. Значимы жидкие амальгамы (содержат менее 2,5 % по массе натрия), получаемые постепенным введением натрия в ртуть, находящуюся под слоем керосина или минерального масла.

Известно огромное количество натрийорганических соединений, схожих по химическим свойствам с литийорганическими соединениями, но превосходящих их по реакционной способности.