Натрий Na в виде металла впервые получен в 1807 году (Деви, Англия) при электролизе расплава гидроксида натрия с помощью вольтова столба.

Распространение натрия в природе. Натрий – шестой элемент по распространению в земной коре, где он находится только в виде соединений. Входит в состав минералов, соляных пластов, живых организмов, содержится в природных водах (10,6 грамм ионов Na⁺ в 1 дм³ морской воды).

Минералы натрия: Галит (каменная соль) NaCl; Нитронатрит (натронная или чилийская селитра) NaNO₃; Криолит Na₃[AlF₆]; Альбит (натриевый полевой шпат) Na(AlSiO₃O₈).

Происхождение и состав соляных пластов. Нерастворимые силикатные минералы, содержащие щелочные элементы, например группа полевых шпатов, которые находятся на поверхности Земли, постоянно подвергаются выветриванию – поглощают воду и образуют глины и растворимые соли щелочных элементов. Эти соли с водой рек и ручьев переносятся в озера, моря и океаны. Испарение воды приводит к выпадению кристаллов различных солей из прибрежных вод и образованию пластов.

Порядок расположения солей в пластах определяется растворимостью: наименее растворимые соли расположены снизу (обычно это ангидрит CaSO₄); над мощными пластами галита NaCl могут находиться некоторые соли калия и магния. Между пластами отдельных солей обычно имеются слои глин и песчаников.

Добыча природных солей. Разработку соляных пластов, в частности каменной соли проводят либо методом взрывного разрушения и извлечения твердой соли, либо методом растворения соли под землей, откачиванием рассола – концентрированного раствора соли и его выпаривания.

Обнаружение натрия. По интенсивно-желтому окрашиванию пламени, которое исчезает при рассмотрении его через кобальтовое (синее) стекло.

Физиологическое действие натрия. Натрий – жизненно важный элемент для всех животных и некоторых растений; ионы Na⁺ содержатся в плазме крови и в лимфе, в отличие от ионов K⁺ всегда находятся вне клеток.

Получение натрия. Электролиз расплава NaOH или смеси NaCl + CaCl₂; в качестве материала катода используют либо твердое железо, либо жидкий свинец (в последнем случае натрий отделяют от свинца дистилляцией).

Свойства натрия. Натрий – металл с серебристым глянцем. Мягкий, режется ножом. Пар натрия окрашен в темно-красный цвет. На воздухе поверхность металла быстро покрывается слоем NaOH и Na₂CO₃.

Натрий бурно реагирует с водой

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Кусочки натрия под действием выделяющейся теплоты реакции (для реакции с твердым натрием ΔH⁰ = -368 кДж) расплавляются в шарики, которые начинают беспорядочно двигаться по поверхности воды вследствие выделения водорода. Над отдельными участками поверхности происходит самовоспламенение водорода или местные взрывы гремучего газа (характерные щелчки), особенно если шарик жидкого натрия прилипает к стенке сосуда и сильно разогревается. При этом возможно разбрызгивание раствора образующейся щелочи (при работе с натрием необходимо соблюдать осторожность, глаза следует защищать предохранительными очками!).

Взаимодействие натрия с низшими предельными спиртами протекает менее интенсивно, чем с водой (что используется для удаления остатков натрия):

2Na + 2C₂H₅OH = 2Na(C₂H₅O) + H₂

При нагревании на воздухе и в атмосфере хлора натрий образует соответственно пероксид Na₂O₂ (Na₂O в реакции с кислородом образуется как примесь, для получения Na₂O, Na₂O₂ сплавляют с Na) и хлорид натрия NaCl:

2Na + O₂ = Na₂O₂; 2Na + Cl₂ = 2NaCl

Со ртутью натрий образует амальгаму. Натрий растворим в жидком аммиаке.

Применение натрия. Натрий используется в качестве наполнителя натриевых газоразрядных ламп, жидкого теплоносителя в ядерных реакторах, осушителя обычного эфира и других (только безалкогольных) органических растворителей, для получения Na₂O₂, NaCl, в некоторых органических синтезах.

Соединения натрия

Хлорид натрия NaCl

Распространение в природе хлорида натрия. Хлорид натрия содержится в соляных пластах (галит), природных рассолах, морской воде (ср. 2,7%) и соленом угле (более 12%), в живых организмах.

Добыча хлорида натрия

1. Хлорид натрия получают из соляных рассолов выпариванием (выварочная соль). Чаще всего до выпаривания проводят градирование – концентрирование раствора, для чего в специальных башнях – градирнях – соляной рассол разбрызгивают, при этом часть воды испаряется, а малорастворимые соли типа гипса осаждаются. Повторяя эту операцию несколько раз, рассол концентрируют до 20% и затем выпаривают всю воду вакуумных выпарных аппаратах.
2. Методом взрывного разрушения из соляных пластов, или растворения под землей с последующим откачиванием рассола и его выпариванием.
3. Из морской воды путем упаривания или охлаждения (получение самосадочной соли).

Очистка хлорида натрия. Обычно проводят очистку хлорида натрия от катионов Mg²⁺ и Ca²⁺, для чего соль обрабатывают раствором Na₂CO₃ и осаждают CaCO₃ и MgCO₃. От анионов SO₄^2- раствор очищают обработкой Ca(OH)₂ до осаждения CaSO₄.

Физиологическое действие хлорида натрия. В организме человека (в крови и тканях) содержится 150-300 грамм NaCl, ежедневное восполнение составляет 10-15 грамм. Избыточное потребление поваренной соли вредно для здоровья (при болезнях почек пища должна быть бессолевой); острая токсическая доза поваренной соли равна 5 г./кг веса.

В крови содержится 0,9% NaCl, такую же концентрацию NaCl создают в физиологическом растворе, который используется как временная замена плазмы крови.

Свойства хлорида натрия. Белые кристаллы, температура плавления 801*С, температура кипения 1440*С. Примерно одинаково хорошо растворяются в горячей и холодной воде (поэтому очистка перекристаллизацией невозможна): при 20*С 35,8 г. NaCl растворяется в 100 г. H₂O, это насыщенный 26,4% раствор. Насыщенный раствор хлорида натрия закипает при 109*С. При сильном нагревании кристаллы NaCl (кристаллизационная вода отсутствует) с хрустом рассыпаются в результате испарения остаточного маточного раствора.

Кристаллы NaCl негигроскопичны, но продажная поваренная соль (пищевая) обычно легко слеживается из-за наличия примеси гигроскопичного хлорида магния. Для обеспечения хорошей сохраняемости поваренной соли ее очищают от ионов Mg²⁺ путем обработки ортофосфатом натрия Na₃PO₄ и отделения практически нерастворимого ортофосфата магния.

В особых, почти безводных условиях, например под действием концентрированной серной кислоты, из NaCl можно получить хлороводород:

NaCl + H₂SO₄ = NaHSO₄ + HCl

Применение хлорида натрия. В химической промышленности хлорид натрия используется как исходное вещество для получения многих других соединений натрия и хлора. Некоторые из них, а также пути их получения представлены на схеме

Кроме того, NaCl используется как консервирующее средство и охлаждающий рассол, средство для отсолки при производстве мыла и органических красителей, компонент глазурей, в керамической промышленности и предохранительных взрывчатых смесей, присадка при травлении алюминия и электролитическом никелировании. Охлаждающая смесь NaCl со льдом в отношении 3,5 : 1 обеспечивает температуру до -21*С.

Гидроксид натрия NaOH

Тривиальные названия: едкий натр, каустическая сода, каустик; водный раствор NaOH – натровый щелок.

Получение гидроксида натрия.

1. Важнейший промышленный способ получения гидроксида натрия – электролиз хлорида натрия. Основными продуктами электролиза являются NaOH и газообразные Cl₂ и H₂. Процесс проводят двумя методами: амальгамным и диафрагменным.

По амальгамному (ртутному) методу получается очень чистый и свободный от хлора концентрированный раствор гидроксида натрия.

Через закрытый, периодически наклоняемый электролизер (с размерами, например: длина 12 метров, ширина 1,20 метра) со скоростью 15 см/с проходит ртуть. Ее слой на дне служит катодом. Титановые аноды, покрытые слоем оксидов платиновых металлов, погружены в горячий (60-80*С) раствор NaCl. На аноде выделяется газообразный хлор (2Cl^– – 2e^– = Cl₂), который далее используют в разных химических производствах. На ртутном катоде вместо катионов водорода (перенапряжение водорода на ртути высокое) разряжаются катионы натрия (Na⁺ + e^– = Na), чему способствует также образование амальгамы NaHg_x (до 0,2% Na). Амальгамированная ртуть при очередном наклоне электролизера перетекает в разлагатель, где амальгама в присутствии графита как катализатора реагирует с горячей водой:

2NaHg_x + 2H₂O = 2NaOH + H₂ + 2xHg

Освобождающуюся ртуть возвращают в электролизер.

По диафрагментному методу получают относительно дешевый, но содержащий хлор, гидроксид натрия.

В электролизере, работающем по диафрагментному методу, анодное и катодное пространства отделены друг от друга пористой перегородкой – диафрагмой (например, ионообменной мембраной на основе фторопластов). Такая конструкция позволяет предотвратить взаимодействие щелочи с газообразным хлором, которое может привести к получению гипохлорита натрия вместо щелочи:

2NaOH + Cl₂ = NaClO + NaCl + H₂O

На железном катоде разряжаются катионы H⁺ (2H₂O + 2e^– = H₂ + 2OH^–), а ионы OH^– остаются в растворе. Получают 12% раствор гидроксида натрия, при упаривании которого выкристаллизовывается избыточный хлорид натрия (все же достичь чистоты NaOH выше технической не удается).

2. Из карбоната натрия Na₂CO₃ путем обработки его в водном растворе гашеной известью Ca(OH)₂ (процесс каустификации; это старый, но действенный способ):

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ = 2NaOH + CaCO₃

Осадок карбоната кальция отфильтровывают, а фильтрат выпаривают в железных чанах, затем сухую щелочь переплавляют.

Свойства гидроксида натрия. Белые гигроскопичные сильно агрессивные кристаллы; выпускаются в виде гранул, палочек, пластинок или чешуек. Температура плавления 322*С, температура кипения 1390*С. Гидроксид натрия поглощает диоксид углерода из воздуха (поэтому продукт следует хранить в герметично закрытой таре).

Гидроксид натрия хорошо растворяется в воде с выделением большого количества теплоты и сильным разогреванием раствора (необходимо соблюдать осторожность и предохранять глаза!). Раствор имеет сильнощелочную среду. Хранят раствор NaOH в полиэтиленовой посуде, поскольку он реагирует со стеклом.

Гидроксид натрия вытесняет при нагревании аммиак из солей аммония:

NaOH + NH₄Cl = NaCl + H₂O + NH₃

Гидроксид натрия легко разрушает поверхность алюминия и цинка, с трудом – поверхность свинца и олова, на большинство металлов NaOH не действует.

Применение гидроксида натрия. NaOH является важнейшим сырьем в химической промышленности для получения различных натриевых солей: нитрата, нитрита, сульфита, фосфатов, гипохлорита или белильного щелока, силикатов, растворимого стекла (канцелярский клей, силикатный клей), фторида, хромата, органический солей и др. Гидроксид натрия применяется в производстве целлюлозы из древесины при сульфатной варке, искусственных волокон, мыла, моющих средств, смачивателей и эмульгаторов, красителей, оксида алюминия и боксита, фенолов из минеральных масел. Гидроксид натрия входит в состав электролитов, предназначенных для воронения (чернения), обезжиривания, проведения некоторых электролитических процессов (в технологии олова и цинка), травления алюминия, например в процессе анодирования алюминия.

Карбонат натрия Na₂CO₃

Тривиальные названия: кальцинированная сода Na₂CO₃; кристаллическая сода Na₂CO₃*10H₂O – декагидрат карбоната натрия, содержит 63% кристаллизационной воды.

Распространение карбоната натрия в природе. Карбонат натрия содержится в воде содовых озер (соль кристаллизуется в результате испарения воды) и минеральных источников, в золе некоторых морских водорослей (200 – 250 лет тому назад соду получали преимущественно из золы растений).

Получение карбоната натрия.

1. Промышленный аммиачный способ (способ Сольве, Франция, 1863 год). В насыщенный раствор хлорида натрия пропускают эквимолярные количества газообразных аммиака и диоксида углерода, т.е. как бы вводят гидрокарбонат аммония NH₄HCO₃:

NH₃ + H₂O + CO₂ + NaCl = NaHCO₃ + NH₄Cl

Выпавший осадок малорастворимого гидрокарбоната натрия отфильтровывают и кальцинируют (обезвоживают) нагреванием, при этом он переходит в карбонат натрия:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

Образовавшийся диоксид углерода, а также аммиак, выделенный из маточного раствора (на первой стадии процесса) по реакции

NH₄Cl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O

возвращают в производственный цикл.

Схема аммиачного способа получения соды по Сольве

2. Способ получения соды по Леблану (Франция, 1791 год) из хлорида натрия, серной кислоты и угля (не применяется).

Свойства карбоната натрия. Карбонат натрия представляет собой белые кристаллы. Температура плавления 853*С. Кристаллогидрат на воздухе выветривается (теряет часть кристаллизационной воды), а при 32*С расплавляется. Растворим в воде, водный раствор имеет щелочную реакцию вследствие гидролиза соли. При действии многих сильных и слабых кислот карбонат натрия разлагается с выделением диоксида углерода:

Na₂CO₃ + 2HNO₃ = 2NaNO₃ + H₂O + CO₂

Na₂CO₃ + 2CH₃COOH = 2Na(CH₃COO) + CO₂ + H₂O

Применение карбоната натрия. Карбонат натрия является сырьем для получения других соединений натрия, для производства стекла, мыла и синтетических моющих средств, эмалей, ультрамарина. Средство для устранения жесткости воды, обезжиривания металлов и десульфуризации доменного чугуна.

Сульфат натрия Na₂SO₄

Тривиальные названия: кальцинированный сульфат Na₂SO₄; глауберова соль Na₂SO₄*10H₂O.

Распространение сульфата натрия в природе. Крупное месторождение сульфата натрия находится в заливе Кара-Богаз-Гол (Каспийское море).

Свойства сульфата натрия. Безводный сульфат натрия кристаллизуется из водного раствора при температуре выше 32,4*С, ниже этой температуры выделяется кристаллогидрат Na₂SO₄*10H₂O, который именно при 32,4*С плавится и одновременно теряет воду. Температура плавления безводного сульфата натрия 884*С.

Получение сульфата натрия.

1. Взаимодействие хлорида натрия с серной кислотой. При сильном нагревании реакционной смеси образуется сульфат натрия Na₂SO₄, при более умеренном нагревании (в лабораторных условиях) образуется гидросульфат натрия NaHSO₄.
2. Из остаточных растворов производства хлорида калия, содержащих ионы Na⁺, Mg²⁺, Cl^–, SO₄^2-; при температуре -5*С из этих растворов кристаллизуется глауберова соль Na₂SO₄*10H₂O.

Оба способа используются в промышленности.

Применение сульфата натрия. В производстве вискозного волокна, стекла, сульфида натрия, ультрамарина, фармацевтических препаратов. Используется при сульфатной варке целлюлозы и крашении хлопчатобумажных тканей.

Оксид натрия Na₂O белый гигроскопичный порошок с температурой плавления 920*С.

Пероксид натрия Na₂O₂ светло-желтый порошок. Воспламеняет вату, бумагу и порошок алюминия в присутствии небольшого количества (несколько капель) воды. В промышленности получают сжиганием натрия во вращающихся трубчатых печах. Используется для отбеливания тканей, а также для регенерации кислорода при поглощении диоксида углерода:

2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂

Эта реакция применяется в кислородных изолирующих приборах.

Сульфид натрия Na₂S*9H2O – белые кристаллы с запахом сероводорода вследствие протекающей реакции замещения с участием диоксида углерода. Растворим в воде. Получают спеканием сульфата натрия с углем:

Na₂SO₄ + 4C = Na₂S + 4CO

Применяют при удалении волосяного покрова шкур и дублении кож, в производстве сернистых красителей и в качестве флотоагента.

Сульфит натрия Na₂SO₃, гидросульфит натрия NaHSO₃, пентаоксодисульфат динатрия Na₂S₂O₅ (старое название метабисульфит натрия) – белые твердые вещества. Образуются при введении диоксида серы в раствор гидроксида или карбоната натрия. При действии сильных кислот выделяют SO₂. Сульфит натрия ниже 37*С кристаллизуется в виде гептагидрата Na₂SO₃*7H₂O.

Na₂S₂O₅ имеет необычное строение аниона – (O₂S-SO₃)^2-, он содержит связь S-S со степенями окисления серы (+III) и (+V) соответственно.

Тиосульфат натрия Na₂S₂O₃*5H₂O представляет собой белые кристаллы. При охлаждении легко образует пересыщенный раствор. Получают по реакции:

Na₂CO₃ + 2Na₂S + 4SO₂ = 3Na₂S₂O₃ + CO₂

При подкислении раствора тиосульфата натрия образуется коллоидный раствор серы:

Na₂S₂O₃ + 2HCl = 2NaCl + SO₂ + S + H₂O

Хлорид серебра AgCl и другие малорастворимые соли серебра можно перевести в раствор под действием тиосульфата натрия (образуются тиосульфатные комплексы). На этом основано применение тиосульфата натрия в качестве фотографических закрепителей. Na₂S₂O₃ используется также в производстве бумаги при отбелке ее хлором (как “антихлор”):

Na₂S₂O₃ + 4Cl₂ + 5H₂O = Na₂SO₄ + H₂SO₄ + 8HCl

В аналитической химии применяется как титрант для количественного определения иода:

2Na₂S₂O₃ + I₂ = Na₂S₄O₆ + 2NaI

Нитрат натрия NaNO₃ представляет собой белые, гигроскопичные, хорошо растворимые в воде кристаллы. Температура плавления 311*С. При 380*С нитрат натрия разлагается с образованием нитрита натрия и газообразного кислорода:

2NaNO₃ = 2NaNO₂ + O₂

При нагревании с концентрированной серной кислотой можно отогнать довольно чистую азотную кислоту:

2NaNO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + HNO₃

В природе нитрат натрия в больших количествах содержится в месторождениях чилийской селитры, которую перерабатывают на азотную кислоту и гидроксид натрия. NaNO₃ применяют как составную часть удобрений и взрывчатых веществ, а также как окислитель в производстве стекла и эмалей.

Нитрит натрия NaNO₂ – белые, очень хорошо растворимые в воде кристаллы. Температура плавления нитрита натрия 271*С. Ядовит.

В промышленности нитрит натрия получают по реакции нитрозных газов (смесь NO и NO₂) с гидроксидом натрия. Из эквимолярной смеси NO и NO₂ образуется в основном NaNO₂, а при избытке NO₂ – еще и NaNO₃. Наоборот, при действии сильных кислот на NaNO₂ происходит выделение нитрозных газов.

Применяют NaNO₃ в производстве азокрасителей, как компонент смеси для воронения (NaOH + NaNO₃ + NaNO₂) и как средство для придания естественной окраски вареным мясным изделиям при их подсаливании (NaCl + 0,4% NaNO₂ сохраняют красный цвет вареного мяса вследствие образования окрашенного аддукта NO с миоглобином).

Амид натрия NaNH₂ – белые кристаллы. Температура плавления 206*С. При попадании на вещество воды взрывается, на воздухе постепенно образует желтые взрывчатые продукты окисления. Амид натрия можно получить из смеси Na + NH₃. Применяют амид натрия для органических синтезов, например в производстве красителя индиго, а также для получения азида натрия NaN₃ по реакции:

NaNH₂ + Na₂O = NaN₃ + H₂O

Гидрокарбонат натрия NaHCO₃ – белый, негигроскопичный кристаллический порошок. Умеренно растворим в воде. При 300*С разлагается на карбонат натрия и диоксид углерода:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

При комнатной температуре газообразный CO₂ можно получить из NaHCO₃ при действии кислот-неокислителей. Получается как промежуточный продукт в производстве карбоната натрия по способу Сольве. Применяют NaHCO₃ в качестве компонента моющих и огнетушащих средств, искусственных минеральных вод лимонадов, как источник CO₂ в хлебопекарной промышленности (разрыхлитель), а так же как лекарственный препарат (для нейтрализации повышенной кислотности желудочного сока).

---