Металлы в периодической системе Д.И. Менделеева (стр. 3 из 5)

Натрий.

Натрий (от араб, натрун, греч. нитрон -природная сода, химический элемент подгруппы Iа периодической системы; атомный номер 11, атомная масса 22,98977; относится к щелочным металлам. В природе встречается в виде одного стабильного нуклида ²³Na .

Ещё в глубокой древности были известны соединения натрия - поваренная соль (хлорид натрия) NaСl, едкая щёлочь (гидроксид натрия) NaОН и сода (карбонат натрия) Na₂СОз. Последнее вещество древние греки называли «нитрон»; отсюда и происходит современное название металла - «натрий». Однако в Великобритании, США, Италии, Франции сохраняется слово sodium (от испанского слова «сода», имеющего то же значение, что и по-русски).

Впервые о получении натрия (и калия) сообщил английский химик и физик Г. Дэви на собрании Королевского общества в Лондоне в 1807 г. Ему удалось разложить действием электрического тока едкие щёлочи КОН и NaОН и выделить неизвестные ранее металлы обладающие необычайными свойствами. Эти металлы очень быстро окислялись на воздухе, а на поверхности воды плавали, выделяя из неё водород.

Распространённость в природе. Натрии - один из самых распространённых в природе элементов. Содержание его в земной коре 2,64% по массе. В гидросфере он содержится в вида растворимых солей в количестве около 2,9% (при общей концентрации солей в морской воде 3,5-3,7%). Наличие натрия установлено в атмосфере Солнца и межзвёздном пространстве. природе натрий находится только в виде солей. Важнейшие минералы - галит (каменная соль) NaCl, мирабилит (глауберова соль) Na₂SO₄ *10H₂O, тенардит Na₂SO_4, челийская селитра NaNO_3, природные силикаты, например альбит Na[AlSi₃O₈], нефелин Na[AlSiO₄]

Россия исключительно богата залежами каменной соли (например, Соликамск, Усолье-Сибирское и др.), большие залежи минерала троны в Сибири.

Свойства. Натрий - серебристо-белый легкоплавкий металл, т. пл. 97,86 °С, т. кип. 883,15 °С. Это один из самых лёгких металлов - он легче воды плотность 0,99 г/см³ при 19,7 °С). Натрий и его соединения окрашивают пламя горелки в жёлтый цвет. Эта реакция так чувствительна, что открывает присутствие малейших следов натрия повсюду (например, в комнатной или уличной пыли).

Натрий - один из самых активных элементов периодической системы. Внешний электронный слой атома натрия содержит один электрон (конфигурация 3s¹, натрий – s-элемент). Свой единственный валентный электрон натрий легко отдает и поэтому в своих соединениях всегда проявляет степень окисления +1.

На воздухе натрий активно окисляется, образуя в зависимости от условий оксид Na₂O или пероксид Na₂O₂. Поэтому хранят натрий под слоем керосина или минерального масла. Энергично реагирует с водой, вытесняя водород:

2Na + Н₂0 = 2NaОН + Н₂

Такая реакция происходит даже со льдом при температуре -80 °С, а с тёплой водой или при поверхности контакта идёт со взрывом ( недаром говорят: «Не хотите стать уродом –не бросайте натрий в воду»).

Натрий непосредственно реагирует со всеми неметаллами: при 200 °С начинает поглощать водород, образуя весьма гигроскопичный гидрид NaH; с азотом в электрическом разряде дает нитрид Na₃N или азид NaN₃; в атмосфере фтора воспламеняется; в хлоре горит при температуре; с бромом реагирует лишь при нагревании:

2Na+ Н₂ = 2NaН

6Na + N₂=2Na₃N или 2Na+ 3Na₂=2NaN₃

2Na+ С1₂ = 2NaСl

При 800-900 °С натрий соединяется с углеродом, образуя карбид Na₂C₂; при растирании с серой дает сульфид Na₂Sи смесь полисульфидов (Na₂S₃ и Na₂S₄)

Натрий легко растворяется в жидком аммиаке, получающийся раствор синего цвета обладает металлической проводимостью, с газообразным аммиаком при 300-400 "С или в присутствии катализатора при охлаждении до -30 С дает амид NaNH₂.

Натрий образует соединения с другими металлами (интерметаллиды), например с серебром, золотом, кадмием, свинцом, калием и некоторыми другими. Со ртутью даёт амальгамы NaHg_{2 ,} NaHg₄и др. Наибольшее значение имеют жидкие амальгамы, которые образуются при постепенном введении натрия в ртуть, находящуюся под слоем керосина или минерального масла.

С разбавленными кислотами натрий образует соли.

Получение и применение. Основной метод получения натрия - электролиз расплавленной поваренной соли. При этом на аноде выделяется хлор, а на катоде - натрий. Для уменьшения температуры плавления электролита к поваренной соли добавляют другие соли: КСl, NaF, СаСl₂. Электролиз проводят в электролизёрах с диафрагмой; аноды изготовлены из графита, катоды - из меди или железа.

Натрий можно получить электролизом расплава гидроксида NaОН, а небольшие количества - разложением азида NaN_3.

Металлический натрий используют для восстановления чистых металлов из их соединений - калия (из КОН), титана (из TiCl₄) и др. Сплав натрия с калием - теплоноситель для ядерных реакторов, поскольку щелочные металлы плохо поглощают нейтроны и поэтому не препятствуют делению ядер урана. Пары натрия, обладающие ярко-жёлтым свечением, используют для наполнения газоразрядных ламп, служащих для освещения автострад, пристаней, вокзалов и пр. Натрий находит применение в медицине: искусственно полученный нуклид ²⁴Na используется для радиологического лечения некоторых форм лейкемии и в диагностических целях.

Значительно более обширно применение соединений натрия.

Пероксид Na₂O₂ - бесцветные кристаллы, технический продукт жёлтого цвета. При нагревании до 311-400 °С начинает выделять кислород, а при 540 °С бурно разлагается. Сильный окислитель, благодаря чему применяется для отбеливания тканей и других материалов. На воздухе поглощает СО₂», выделяя кислород и образуя карбонат 2Na₂O₂+2CO₂=2Na₂Co₃+O₂). На этом свойстве основано применение Na₂O₂ для регенерации воздуха в закрытых помещениях и дыхательных приборах изолирующего типа (подводных лодках, изолирующих противогазах и пр.).

Гидроксид NaОН; устаревшее название -едкий натр, техническое название - каустическая сода (от лат. caustic- едкий, жгучий); одно из самых сильных оснований. Технический продукт, кроме NаОН, содержит примеси (до 3% Ка₂СОз и до 1,5% NaCl). Большое количество NаОН идёт на приготовление электролитов для щелочных аккумуляторов, производство бумаги, мыла, красок, целлюлозы, используется для очистки нефти и масел.

Из солей натрия применение находят хромат Na₂CrO₄ - в производстве красителей, как протрава при крашении тканей и дубитель в кожевенной промышленности; сульфит Na₂SO₃ -компонент фиксажей и проявителей в фотографии; гидросульфит NaHSO₃ - отбеливатель тканей, природных волокон, применяется для консервирования плодов, овощей и растительных кормов; тиосульфат Na₂S₂O₃ - для удаления хлора при отбеливании тканей, как закрепитель в фотографии, противоядие при отравлении соединениями ртути, мышьяка и др., противовоспалительное средство; хлорат NaClO₃- окислитель в различных пиротехнических составах; трифосфат Na₅P₃O₁₀ -добавка в синтетические моющие средства для умягчения воды.

Натрий, NаОН и его растворы вызывают тяжёлые ожоги кожи и слизистых оболочек.

Калий.

По внешнему виду и свойствам калий похож на натрий, но более реакционноспособный. Энергично реагирует с водой и вызывает возгорание водорода. На воздухе сгорает, образуя оранжевый надпероксид КO₂. При комнатной температуре реагирует с галогенами, при умеренном нагревании — с водородом, серой. Во влажном воздухе быстро покрывается слоем КОН. Хранят калий под слоем бензина или керосина.

Наибольшее практическое применение находят соединения калия — гидроксид КОН, нитрат КNO₃ и карбонат К₂СO₃.

Гидроксид калия КОН (техническое название — едкое кали) — белые кристаллы, расплывающиеся во влажном воздухе и поглощающие углекислый газ (образуются К₂СO₃ и КНСO₃). Очень хорошо растворяется в воде с высоким экзо-эффектом. Водный раствор — сильнощелочной.

Производят гидроксид калия электролизом раствора КСl (аналогично производству NаОН). Исходный хлорид калия КСl получают из природного сырья (минералы сильвин КСlи карналлит КМgС1₃ • 6Н₂0). Используют КОН для синтеза различных солей калия, жидкого мыла, красителей, как электролит в аккумуляторах.

Нитрат калия КNO₃ (минерал калийная селитра) — белые кристаллы, очень горькие на вкус, низкоплавкие {t_пл= 339 °С). Хорошо растворим в воде (гидролиз отсутствует). При нагревании выше температуры плавления разлагается на нитрит калия КNO₂ и кислород O₂, проявляет сильные окислительные свойства. Сера и древесный уголь загораются при контакте с расплавом КNO₃, а смесь С + Sвзрывается (сгорание «черного пороха»):

2КNO₃ + ЗС(уголь) + S=N₂ + 3CO₂ + K₂S

Нитрат калия используется в производстве стекла и минеральных удобрений.

Карбонат калия К₂СO₃ (техническое название — поташ) — белый гигроскопичный порошок. Очень хорошо растворяется в воде, сильно гидролизуется по аниону и создает щелочную среду в растворе. Используется в изготовлении стекла и мыла.

Получение К₂СO₃ основано на реакциях:

К₂SO₄ + Са(ОН)₂ + 2СO = 2К(НСОО) + СаSO₄

2К(НСОО) + O₂ = К₂С0₃ + Н₂0 + С0₂

Сульфат калия из природного сырья (минералы каинит КМg(SO₄)Сl • ЗН₂0 и шёнит К₂Мg(SO₄)₂ * 6Н₂0) нагревают с гашёной известью Са(ОН)₂ в атмосфере СО (под давлением 15 атм), получают формиат калия К(НСОО), который прокаливают в токе воздуха.

Калий жизненно важный элемент для растений и животных. Калийные удобрения — это соли калия, как природные, так и продукты их переработки (КСl, К₂SO₄, КNO₃); высокосодержание солей калия в золе растений.