Химия элементов Натрий

1.Положение в ПСХЭ, строение атома.

Натрий (химический символ — Na, от лат. Natrium) — химический элемент 1-й группы (главная подгруппа), третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер — 11.  Относительная молекулярная масса  M_r = — 22,989 (г/моль).

В виде простого вещества натрий — лёгкий, мягкий, химически активный щелочной металл серебристо-белого цвета, твёрдое вещество. Единственным стабильным природным изотопом натрия является 23Na. Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 17–35.

Натрий относится к щелочным металлам. Для него характерны: металлическая химическая связь и металлическая кристаллическая решётка; металлический блеск, пластичность, высокая тепло- и электропроводность.

В соединениях проявляет степень окисления +1.

Электронное строение атома: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ или +11  Na )₂)₈)1.

Историческая справка

Природные соединения натрия известны с древних времён. В эпоху неолита, приблизительно 5–7 тыс. лет назад, в качестве компонента пищи людей вошла в употребление поваренная соль (хлорид натрия) NaCl. В Древнем Египте применяли природную соду (карбонат натрия) Na₂CO₃ как моющее средство, а также для варки стекла. К началу 18 в. в Западной Европе соли натрия широко применялись в медицине, при выделке кож, крашении тканей. В 1807 г. Г. Дэви электролизом расплава едкого натра NaOH впервые получил расплавленный металлический натрий и дал ему название «содиум» (sodium, от позднелат. soda – сода), которое отражает происхождение этого элемента из соды; название сохранилось в США, Великобритании и некоторых других странах. Название «натрий», происходящее от арабского «натрун» (греч. νίτρον) и первоначально относившееся к природной соде, предложено Й. Берцелиусом в 1811 г. и введено в отечественную химическую номенклатуру Г. И. Гессом в 1831 г.

2.Физические свойства: плотность: 0,971 г/см³, температура плавления: 97,81 °C,

температура кипения: 882,95 °C, пластичность: легко режется ножом, мягкий на ощупь.

Проводимость: хороший проводник тепла и электричества.

3.Химические свойства

Переходный металл, проявляет переменную валентность (наиболее устойчивые степени окисления +2, +3, +4, +5). Образует соединения различного состава и свойств. Обладает высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Типичный металл, легко отдает один электрон, образуя ион Na⁺. Обладает высокой химической активностью, взаимодействует с водой, кислородом и другими веществами.

Качественная реакция на натрий — окрашивание пламени солями натрия в желтый цвет.

Натрий — активный металл; на воздухе  реагирует с кислородом и покрывается оксидной пленкой. Воспламеняется при умеренном нагревании; окрашивает пламя газовой горелки в темно-красный цвет.

Реакции с простыми веществами

1. Натрий — сильный восстановитель. Поэтому он реагирует почти со всеми неметаллами:

Натрий легко реагирует с галогенами с образованием галогенидов:

2Na  +  I₂  =  2NaI

 Натрий реагирует с серой с образованием сульфида натрия:

2Na  +  S  =  Na₂S

Натрий активно реагирует с фосфором и водородом. При этом образуются бинарные соединения — фосфид натрия и гидрид натрия:

3Na    +    P    =   Na₃P

2Na  +  H₂  =  2NaH

С азотом натрий реагирует при температуре 100º С и электрическом разряде с образованием нитрида:

6Na   +  N₂  =  2Na₃N

Натрий реагирует с углеродом с образованием карбида:

2Na   +   2C    =    Na₂C₂

Натрий легко реагирует с кислородом воздуха, покрываясь оксидной плёнкой. Для защиты от окисления его хранят под слоем керосина или минерального масла. В жидком состоянии при температуре выше 200 °C натрий загорается.

При взаимодействии с кислородом при температуре 250–400º C натрий образует пероксид натрия:

2Na + O₂ = Na₂O₂

Натрий активно взаимодействует со сложными веществами:

Натрий реагирует с водой. Взаимодействие натрия с водой приводит к образованию щелочи и водорода:

2Na⁰ + 2H₂O = 2Na⁺OH + H₂⁰

Натрий взаимодействует с кислотами. При этом образуются соль и водород.

Например, натрий реагирует с разбавленной соляной кислотой:

2Na  +  2HCl  =  2NaCl  +  H₂ ↑

Натрий может реагировать с  аммиаком,  при этом образуются амид натрия и водород:

2Na + 2NH₃ = 2NaNH₂ + H₂ ↑

Натрий может взаимодействовать с гидроксидами:

Например, натрий взаимодействует с гидроксидом натрия при температуре 600º С:

2Na + 2NaOH = 2Na₂O + H₂

Взаимодействие с органическими веществами

1. С спиртами. Натрий реагирует со спиртами, замещая водород в гидроксильной группе органического вещества. При этом образуются алкоголяты и выделяется водород. Пример реакции:

2CH3OH + 2Na → 2CH3ONa + H2

2. С фенолами. Реакция фенола с натрием приводит к образованию фенолята натрия и водорода. 

3. С карбоновыми кислотами. Натрий взаимодействует с карбоновыми кислотами с образованием солей.

2CH3COOH + 2Na → 2CH3COONa + H2 (уксусная кислота + натрий → натриевая соль уксусной кислоты + водород).

6. В реакции Вюрца. Натрий может участвовать в реакции с галогенпроизводными углеводородов, например:

2Na + 2C2H5Cl → 2NaCl + C4H10 (реакция Вюрца). 

4.Получение

Основной промышленный метод получения натрия — электролиз расплава хлорида натрия: При этом выделяется металлический натрий и газообразный хлор.

2NaCl   2Na + Cl₂

Натрий получают в промышленности электролизом расплава гидроксида натрия, в результате образуется натрий, кислород и вода:

4NaOH  → 4Na + O₂↑ + 2H₂O

5.Применение

В химической промышленности: как сильный восстановитель в синтезах и металлургии.

В энергетике: в качестве жидкометаллического теплоносителя в ядерных реакторах на быстрых нейтронах.

В освещении: в натриевых газоразрядных лампах для уличного освещения, дающих яркий жёлтый свет.

В органической химии: для осушения растворителей и в реакциях получения натрийорганических соединений, как катализатор в производстве бутадиенового и других каучуков.

В машиностроении: сплавы натрия со свинцом – для изготовления подшипников.

В медицине: радиоизотопы ²²Na и ²⁴Na применяются в медицине (диагностика, лечение лейкемии) и в качестве радиоактивных меток.

6.Нахождение в природе

В природе натрий не встречается в свободном виде из-за высокой химической активности. Содержится в многочисленных минералах, например в хлориде натрия (галите, «каменной соли»). 

В земной коре- 2,6 %. Наличие натрия установлено в атмосфере Солнца и в межзвёздном пространстве.

Натрий и его соединения в большом количестве встречаются в местах испарения древних морей. Еще одним местом скопления натрия и его соединений являются океанические воды.

7.Биологическая роль 

Натрий относится к биогенным элементам, входит в состав живых организмов главным образом в виде NaCl. Так, например, в плазме крови человека содержание ионов натрия 0,32 % по массе, в костной ткани 0,6 %, в мышечных тканях 0,6–1,5 %. При этом содержание натрия в животных несколько выше, чем в растениях. Минимальная потребность человека в натрии около 200 мг в день, что соответствует примерно 0,5 г NaCl. Ионы натрия в живых организмах выполняют важнейшую функцию: способствуют передаче нервных импульсов.

Ионы натрия играют ключевую роль в поддержании осмотического давления и электролитного баланса в организме, сокращении мышц и регуляции водного обмена. 

Важно: при работе с натрием необходимо соблюдать меры предосторожности из-за его высокой химической активности, в том числе способность загораться при контакте с водой. Для тушения горящего натрия применяют поваренную соль, песок.