Металлический натрий получают электролизом расплава хлорида натрия

Обновлено: 07.01.2025

Металлический натрий получают электролизом расплава хлорида натрия, к которому для снижения температуры плавления добавляют хлорид кальция.

В расплавленном состоянии хлориды натрия и кальция смешиваются неограниченно, а в твердом — нерастворимы друг в друге. В соответствии с этим системе отвечает простая диаграмма состояния с эвтектикой, подобная изображенной на рис. 147 (стр. 528). Эвтектическая смесь хлоридов натрия и кальция плавится при , что почти на ниже, чем температура плавления .

Натрий представляет собой серебристо-белый металл. Он настолько мягок, что легко режется ножом. Вследствие легкой окисляемости на воздухе натрий хранят под слоем керосина.

Важнейшие области применения натрия — это атомная энергетика, металлургия, промышленность органического синтеза. В атомной энергетике натрий и его сплав с калием применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей. Сплав натрия с калием, содержащий (масс.) калия, находится в жидком состоянии в широком интервале температур (темп, плавл. ), имеет высокий коэффициент теплопередачи и не взаимодействует с большинством конструкционных материалов ни при обычных, ни при повышенных температурах. В металлургии натрийтермическим методом получают ряд тугоплавких металлов, а восстанавливая натрием КОН выделяют калий. Кроме того, натрий используется как добавка, упрочняющая свинцовые сплавы. В промышленности органического синтеза натрий используется при получении многих веществ. Он служит также катализатором при получении некоторых органических полимеров.

Со ртутью натрий образует твердый сплав — амальгаму натрия, которая иногда используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла.

Важнейшие соединения натрия с кислородом — это оксид натрия и пероксид натрия .

Оксид натрия может быть получен путем пропускания над натрием, нагретым не выше , умеренного количества кислорода или нагреванием пероксида натрия с металлическим натрием:

Оксид натрия бурно реагирует с водой с образованием гидроксида натрия и выделением большого количества теплоты:

Пероксид натрия образуется при сжигании натрия на воздухе или в кислороде. В заводских условиях пероксид натрия готовят нагреванием расплавленного натрия в токе воздуха, освобожденного от . Получающийся продукт имеет слабо-желтоватую окраску, обусловленную примесью соединения , называемого надперекисью, или супероксидом, натрия.

Пероксид натрия — очень сильный окислитель. Многие органические вещества при соприкосновении с ним воспламеняются.

При осторожном растворении пероксида натрия в холодной воде получается раствор, содержащий гидроксид натрия и пероксид водорода. Взаимодействие пероксида натрия с водой представляет собой гидролиз соли, образованной слабой кислотой — пероксидом водорода — и сильным основанием — :

Если нагревать полученный раствор, то вследствие разложения пероксида водорода из него выделяется кислород.

При действии на пероксид натрия разбавленных кислот также получается пероксид водорода, например:

Пероксид натрия применяется для отбелки тканей, шерсти, шелка и т. п. Важное значение имеет реакция взаимодействия пероксида натрия с диоксидом углерода:

На этой реакции основано применение пероксида натрия для регенерации воздуха в изолированных помещениях.

Гидроксид натрия образует твердые белые, очень гигроскопичные кристаллы, плавящиеся при . Ввиду сильного разъедающего действия на ткани, кожу, бумагу и другие органические вещества он называется также едким натром («натр» — старое название оксида натрия). В технике гидроксид натрия часто называют каустической содой.

В воде гидроксид натрия растворяется с выделением большого количества теплоты вследствие образования различных гидратов.

Гидроксид натрия следует хранить в хорошо закупоренных сосудах, так как он легко поглощает из воздуха диоксид углерода, постепенно превращаясь в карбонат натрия.

Основным способом получения гидроксида натрия является электролиз водного раствора хлорида натрия. В ходе электролиза на катоде разряжаются ионы водорода и одновременно вблизи катода накапливаются ноны натрия и гидроксид-ионы, т. е. получается гидроксид натрия; на аноде выделяется хлор.

Рис. 154. Схема электролизера с вертикальной диафрагмой: 1 - диафрагма; 2 — катод; 3 — анодное пространство; 4 — катодное пространство; 5 — аноды.

Очень важно, чтобы продукты электролиза не смешивались, так как гидроксид натрия легко взаимодействует с хлором; в результате образуются хлорид и гипохлорит натрия:

Для того чтобы воспрепятствовать проникновению хлора в раствор гидроксида натрия, чаще всего применяют диафрагме способ, при котором анодное и катодное пространства отделены друг от друга перегородкой (диафрагмой) из асбеста или другого пористого материала.

В электролизерах, служащих для получения гидроксида натрия по этому способу (рис. 154), вертикально установленная диафрагма 1, плотно прилегающая к стальному дырчатому катоду 2, отделяет анодное пространство 3 от катодного 4 и препятствует смешиванию продуктов электролиза. Анодами служат графитовые стержни 5. В процессе электролиза в анодное пространство непрерывно поступает раствор хлорида натрия, а из катодного вытекает раствоо, содержащий смесь хлорида и гидоксида натрия. При его выпаривании выкристаллизовывается хлорид натрия и остается почтя чистый раствор щелочи. Последний отделяют от хлорида натрия и выпаривают до полного удаления воды. Полученный сплавляют и отливают в формы. Побочными продуктами при получении гидроксида натрия являются хлор и водород.

Несколько иначе протекает электролиз раствора хлорида натрия, если катодом служит металлическая ртуть. Перенапряжение выделения водорода на ртути очень велико. Поэтому здесь у катода разряжаются не ионы водорода, а ионы натрия. Выделяющийся натрий растворяется в ртути, образуя амальгаму натрия. Амальгаму разлагают горячей водой, причем получается гидроксид натрия, выделяется водород и освобождается ртуть. Таким образом, пользуясь в качестве катода ртутью, можно получать чистый гидроксид натрия, не содержащий в виде примеси хлорид натрия.

Кроме электролитического способа получения гидроксида , иногда еще применяют более старый способ — кипячение раствора соды с гашеной известью:

По окончании реакции раствор сливают с осадка карбоната кальция и, выпарив воду, сплавляют полученный гидроксид натрия.

Гидроксид натрия — один из важнейших продуктов основной химической промышленности, В больших количествах он потребляется для очистки продуктов переработки нефти; гидроксид натрня широко применяется в мыловаренной, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности, а также при производстве искусственного волокна.

Только в СССР в 1985 г. было произведено млн. т .

Натрий образует соли со всеми известными кислотами. Важнейшие из них были описаны при рассмотрении свойств соответствующих кислот. Многие соли натрия образуют кристаллогидраты с довольно большим содержанием кристаллизационной воды (например, ).

В организме человека натрий в виде его растворимых солей, главным образом хлорида, фосфата и 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.

1. Щелочные металлы: общая характеристика, строение; свойства и получение простых веществ

Щелочными металлами называются химические элементы-металлы \(IA\) группы Периодической системы Д. И. Менделеева: литий \(Li\), натрий \(Na\), калий \(K\), рубидий \(Rb\), цезий \(Cs\) и франций \(Fr\).

Электронное строение атомов. На внешнем энергетическом уровне атомы щелочных металлов имеют один электрон ns 1 . Поэтому для всех металлов группы \(IA\) характерна степень окисления \(+1\).

увеличение радиуса атомов;
усиление восстановительных, металлических свойств.

Нахождение в природе. Из щелочных металлов наиболее широко распространены в природе натрий и калий. Но из-за высокой химической активности они встречаются только в виде соединений.

каменная соль (хлорид натрия \(NaCl\)),
глауберова соль, или мирабилит — декагидрат сульфата натрия Na 2 SO 4 \(·\) 10 H 2 O ,
сильвин — хлорид калия \(KCl\),
сильвинит — двойной хлорид калия-натрия \(KCl\) \(·\)\(NaCl\) и др.

Соединения лития, рубидия и цезия в природе встречаются значительно реже, поэтому их относят к числу редких и рассеянных.

Физические свойства простых веществ. В твёрдом агрегатном состоянии атомы связаны металлической связью. Наличие металлической связи обусловливает общие физические свойства простых веществ-металлов: металлический блеск, ковкость, пластичность, высокую тепло- и электропроводность.

В свободном виде простые вещества, образованные элементами \(IA\) группы — это легкоплавкие металлы серебристо-белого (литий, натрий, калий, рубидий) или золотисто-жёлтого (цезий) цвета, обладающие высокой мягкостью и пластичностью.

Наиболее твёрдым является литий, остальные щелочные металлы легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу.

Только у натрия плотность немного больше единицы ρ = 1,01 г / см 3 , у всех остальных металлов плотность меньше единицы.

Химические свойства. Щелочные металлы обладают высокой химической активностью, реагируя с кислородом и другими неметаллами.

Поэтому хранят щелочные металлы под слоем керосина или в запаянных ампулах. Они являются сильными восстановителями.

Взаимодействие натрия с водой протекает с выделением большого количества теплоты (т. е. реакция является экзотермической). Кусочек натрия, попав в воду, начинает быстро двигаться по её поверхности. Под действием выделяющейся теплоты он расплавляется, превращаясь в каплю, которая, взаимодействуя с водой, быстро уменьшается в размерах. Если задержать её, прижав стеклянной палочкой к стенке сосуда, капля воспламенится и сгорит ярко-жёлтым пламенем.

Получение. Металлический натрий в промышленности получают главным образом электролизом расплава хлорида натрия с инертными (графитовыми) электродами.

Натрий

Натрий (Na, лат. natrium ) — химический элемент первой группы, третьего периода периодической системы Менделеева, с атомным номером 11. Как простое вещество представляет собой мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета. На внешнем энергетическом уровне натрий имеет один электрон, который он легко отдаёт, превращаясь в положительно заряженный катион Na + . Единственным стабильным изотопом является 23 Na. В свободном виде не встречается, но может быть получен из различных соединений. Натрий — шестой по распространённости элемент в земной коре: он находится в составе многочисленных минералов, включая полевые шпаты, содалит и «каменную соль» (галит, хлорид натрия).

Содержание

1 История и происхождение названия
2 Нахождение в природе
3 Получение
4 Физические свойства
5 Химические свойства
6 Применение
7 Изотопы натрия
8 Биологическая роль
9 Меры предосторожности

История и происхождение названия

Соединения натрия известны и использовались с давних времён. В древнегреческом переводе Библии — Септуагинте — упоминается слово νίτρον (в латинском переводе — Вульгате — ему соответствует слово nitroet ) как название вещества типа соды или поташа, которое в смеси с маслом служило моющим средством(Иер. 2:22). В Танахе слову νίτρον соответствуют др.-евр. ברית — «мыло» и נתר — «щёлок»(мыльная жидкость). Сода (натрон) встречается в природе в водах натронных озёр в Египте. Природную соду древние египтяне использовали для бальзамирования, отбеливания холста, при варке пищи, изготовлении красок и глазурей. Плиний Старший пишет, что в дельте Нила соду (в ней была достаточная доля примесей) выделяли из речной воды. Она поступала в продажу в виде крупных кусков, из-за примеси угля окрашенных в серый или даже чёрный цвет.

Название «натрий» происходит от латинского слова natrium (ср. др.-греч. νίτρον ), которое было заимствовано из среднеегипетского языка (nṯr), где оно означало среди прочего: «сода», «едкий натр».

Аббревиатура «Na» и слово natrium были впервые использованы академиком, основателем шведского общества врачей Йенсом Якобсом Берцелиусом (Jöns Jakob Berzelius, 1779—1848) для обозначения природных минеральных солей, в состав которых входила сода. Ранее (а также до сих пор в английском, французском и ряде других языков) элемент именовался содий (лат. sodium ) — это название sodium, возможно, восходит к арабскому слову suda, означающему «головная боль», так как сода применялась в то время в качестве лекарства от головной боли.

Металлический натрий впервые был получен английским химиком Хемфри Дэви электролизом расплава гидроксида натрия. Дэви сообщил об этом 19 ноября 1807 года в Бейкеровской лекции (в рукописи лекции Дэви указал, что он открыл калий 6 октября 1807 года, а натрий — через несколько дней после калия).

Нахождение в природе

Кларк натрия в земной коре 25 кг/т. Содержание в морской воде в виде соединений — 10,5 г/л . Металлический натрий встречается как примесь, окрашивающая каменную соль в синий цвет. Данную окраску соль приобретает под действием радиации.

Получение

Промышленное получение натрия по способу Девилля, распространённое в 19 веке. AC — железная трубка со смесью соды, угля и мела; B — холодильник Донни и Мареска; R — приёмник с нефтью

Первым промышленным способом получения натрия была реакция восстановления карбоната натрия углем при нагревании тесной смеси этих веществ в железной ёмкости до 1000 °C (способ Девилля):

Na₂CO₃ + 2C → 1000oC 2Na + 3CO

Вместо угля могут быть использованы карбид кальция, алюминий, кремний, ферросилиций, силикоалюминий.

С появлением электроэнергетики более практичным стал другой способ получения натрия — электролиз расплава едкого натра или хлорида натрия:

4NaOH → электрический ток 4Na + 2H₂O + O₂ , 2NaCl → электрический ток 2Na + Cl₂ .

В настоящее время электролиз — основной способ получения натрия.

Натрий также можно получить цирконийтермическим методом или термическим разложением азида натрия.

Физические свойства

Качественное определение натрия с помощью пламени — ярко-жёлтый цвет эмиссионного спектра «D-линии натрия», дублет 588,9950 и 589,5924 нм

Натрий — серебристо-белый металл, в тонких слоях с фиолетовым оттенком, пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит. Величины электропроводности и теплопроводности натрия достаточно высоки, плотность равна 0,96842 г/см³ (при 19,7 °C ), температура плавления 97,86 °C , температура кипения 883,15 °C .

Под высоким давлением становится прозрачным и красным, как рубин.

При комнатной температуре натрий образует кристаллы кубической сингонии, пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,42820 нм , Z = 2 .

При температуре −268 °С (5 К) натрий переходит в гексагональную фазу, пространственная группа P 6₃/mmc , параметры ячейки a = 0,3767 нм , c = 0,6154 нм , Z = 2 .

Химические свойства

Щелочной металл на воздухе легко окисляется до оксида натрия. Для защиты от кислорода воздуха металлический натрий хранят под слоем керосина.

При горении на воздухе или в кислороде образуется пероксид натрия:

Кроме того, существует озонид натрия NaO₃.

С водой натрий реагирует очень бурно, помещённый в воду кусочек натрия всплывает, из-за выделяющегося тепла плавится, превращаясь в белый шарик, который быстро движется в разных направлениях по поверхности воды, реакция идёт с выделением водорода, который может воспламениться. Уравнение реакции:

Как и все щелочные металлы, натрий является сильным восстановителем и энергично взаимодействуют со многими неметаллами (за исключением азота, йода, углерода, благородных газов):

2Na + Cl₂ → 2NaCl 2Na + H₂ → 250−400oC,p 2NaH

Натрий более активен, чем литий. С азотом реагирует крайне плохо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество — нитрид натрия (в противоположность легко образующемуся нитриду лития):

С разбавленными кислотами взаимодействует как обычный металл:

2Na + 2HCl → 2NaCl + H₂↑

С концентрированными окисляющими кислотами выделяются продукты восстановления:

Растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор:

С газообразным аммиаком взаимодействует при нагревании:

С ртутью образует амальгаму натрия, которая используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла. При сплавлении с калием даёт жидкий сплав.

Алкилгалогениды с избытком металла могут давать натрийорганические соединения — высокоактивные соединения, которые обычно самовоспламеняются на воздухе и взрываются с водой. При недостатке металла происходит реакция Вюрца.

Реагирует со спиртами, фенолами, карбоновыми кислотами с образованием солей.

Растворяется в краун-эфирах в присутствии органических растворителей, давая электрид или алкалид (в последнем у натрия необычная степень окисления −1).

Применение

Металлический натрий широко используется как сильный восстановитель в препаративной химии и промышленности, в том числе в металлургии. Используется для осушения органических растворителей, например, эфира. Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. Его также применяют в выпускных клапанах двигателей грузовиков как жидкий теплоотвод. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

В сплаве с калием, а также с рубидием и цезием используется в качестве высокоэффективного теплоносителя. В частности, сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % имеет рекордно низкую температуру плавления −78 °C и был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для атомных энергоустановок.

Жидкометаллический теплоноситель в ядерных реакторах на быстрых нейтронах БН-600 и БН-800.

Натрий также используется в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) очень широко применяются в уличном освещении. Они дают ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12—24 тысяч часов. Поэтому газоразрядные лампы типа ДНаТ незаменимы для городского, архитектурного и промышленного освещения. Также существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути).

Металлический натрий применяется в качественном анализе органического вещества. Сплав натрия и исследуемого вещества нейтрализуют этанолом, добавляют несколько миллилитров дистиллированной воды и делят на 3 части, проба Ж. Лассеня (1843), направлена на определение азота, серы и галогенов (проба Бейльштейна).

Хлорид натрия (NaCl) (поваренная соль) — древнейшее применяемое вкусовое и консервирующее средство.

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).

Хлорат натрия (NaClO₃) применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне.

Изотопы натрия

В настоящее время (2012 г.) известно 20 изотопов с массовыми числами от 18 до 37 и 2 ядерных изомера натрия. Единственный стабильный изотоп 23 Na. У большинства изотопов период полураспада меньше одной минуты, лишь один радиоактивный изотоп — 22 Na — имеет период полураспада больше года. 22 Na претерпевает позитронный распад с периодом полураспада 2,6027 года , его используют в качестве источника позитронов и в научных исследованиях. 24 Na, с периодом полураспада по каналу β − -распада 15 часов, используется в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии.

Биологическая роль

Натрий входит в состав всех живых организмов. В высших организмах натрий находится большей частью в межклеточной жидкости клеток (примерно в 15 раз больше, чем в цитоплазме клетки). Разность концентраций поддерживает встроенный в мембраны клетки натрий-калиевый насос, откачивающий ионы натрия из цитоплазмы в межклеточную жидкость.

Совместно с калием натрий выполняет следующие функции:

Создание условий для возникновения мембранного потенциала и мышечных сокращений.
Поддержание осмотической концентрации крови.
Поддержание кислотно-щелочного баланса.
Нормализация водного баланса.
Обеспечение мембранного транспорта.
Активация многих энзимов.

Рекомендуемая доза натрия составляет для детей от 600 до 1700 миллиграммов. Для взрослых по данным Американской Ассоциации сердечных заболеваний минимальная необходимая доза составляет меньше 500 миллиграммов, рекомендуемая до 1500 миллиграммов в день (за исключением некоторых болезней или профессий, при которых нужно повышенное количество натрия). В виде поваренной соли в 3/4 чайной ложки содержится 1725 миллиграммов натрия. По другим данным здоровым взрослым стоит ограничивать употребление натрия 2300 миллиграммами, а людям с повышенным давлением и рядом других заболеваний 1500 или меньшим количеством.

Натрий содержится практически во всех продуктах в разных количествах, хотя большую его часть организм получает из поваренной соли, в том числе в составе консервов, полуфабрикатов, соусов, колбасных изделий и т.п. В качестве источника натрия служат также такие пищевые добавки как глутамат натрия, пищевая сода (бикарбонат натрия), нитрит натрия, сахаринат натрия и бензоат натрия. Усвоение в основном происходит в желудке и тонкой кишке. Витамин Д улучшает усвоение натрия, однако чрезмерно солёная пища и пища, богатая белками, препятствуют нормальному всасыванию. Количество поступившего с едой натрия показывает содержание натрия в моче. Для богатой натрием пищи характерна ускоренная экскреция.

Дефицит натрия у питающегося сбалансированной пищей человека не встречается, однако некоторые проблемы могут возникнуть при голодании. Временный недостаток может быть вызван использованием мочегонных препаратов, поносом, обильным потением или избыточным употреблением воды.

Симптомами нехватки натрия являются потеря веса, рвота, образование газов в желудочно-кишечном тракте и нарушение усвоения аминокислот и моносахаридов. Продолжительный недостаток вызывает мышечные судороги и невралгию.

Переизбыток натрия вызывает отек ног и лица, повышенное выделение калия с мочой, у некоторых людей повышенное кровяное давление и скопление жидкости. Максимальное количество соли, которое может быть переработано почками, составляет примерно 20—30 граммов, большее количество уже опасно для жизни.

Меры предосторожности

Чистый металлический натрий огнеопасен. На воздухе склонен к самовоспламенению. Особенно опасен контакт с водой и влажными поверхностями, так как натрий очень бурно реагирует с водой, часто со взрывом, образуя едкую щёлочь (NaOH). В лабораториях небольшие количества натрия (примерно до 1 кг) хранят в закрытых стеклянных банках под слоем керосина, лигроина, бензина или вазелинового масла так, чтобы слой жидкости покрывал весь металл. Банка с натрием должна храниться в металлическом несгораемом шкафу (сейфе). Натрий берут пинцетом или щипцами, отрезают скальпелем (натрий пластичен и легко режется ножом) на сухой поверхности (не на столе, а в стеклянной чашке); необходимое количество и остаток тут же возвращают в банку под слой керосина, а отрезанный кусок либо помещают в керосин, либо тут же вводят в реакцию. Прежде чем приступить к работе с натрием, необходимо пройти инструктаж по охране труда. Лица, впервые приступающие к работе с натрием, должны производить эту работу под наблюдением сотрудников, имеющих опыт такой работы. Обычно в лабораторных условиях для реакций используют количества натрия, не превышающие нескольких десятков граммов. Для показательных опытов, например, в школе на уроках химии, следует брать не более одного грамма натрия. После работы с металлическим натрием всю посуду и остатки натрия заливают неразбавленным спиртом и полученный раствор нейтрализуют слабым раствором кислоты. Следует обратить особое внимание на то, чтобы все остатки и обрезки натрия были полностью нейтрализованы до их выбрасывания, так как натрий в мусорном ведре может вызвать пожар, а в канализационном сливе может вызвать взрыв и разрушение трубы. Все работы с натрием, как и вообще с щелочами и щелочными металлами, должны проводиться в очках или защитной маске. Хранить натрий дома и производить с ним какие-либо опыты не рекомендуется.

Воспламенение и даже взрыв металлического натрия при соприкосновении с водой и многими органическими соединениями может причинить серьёзные травмы и ожоги. Попытка взять кусочек металлического натрия голыми руками может привести к его воспламенению (иногда взрыву) из-за влажности кожи и образованию тяжелейших ожогов натрием и образующейся щёлочью. Горение натрия создает аэрозоль оксида, пероксида и гидроксида натрия, обладающий разъедающим действием. Некоторые реакции натрия протекают очень бурно (например, с серой, бромом).

Хлорид натрия

Хлорид натрия или хлористый натрий (NaCl) — натриевая соль соляной кислоты. Известен в быту под названием поваренной соли, основным компонентом которой и является. Хлорид натрия в значительном количестве содержится в морской воде. Встречается в природе в виде минерала галита (каменной соли). Чистый хлорид натрия представляет собой бесцветные кристаллы, но с различными примесями его цвет может принимать голубой, фиолетовый, розовый, жёлтый или серый оттенок.

Содержание

1 Нахождение в природе и производство
- 1.1 Галит
- 1.2 Каменная соль
- 1.3 Морская соль
- 1.4 Залежи
- 1.5 Производство
- 2.1 В пищевой промышленности и кулинарии
- 2.2 В медицине
- 2.3 В коммунальном хозяйстве. Техническая соль
- 2.4 Регенерация Nа-катионитовых фильтров
- 2.5 Химическая промышленность
  - 2.5.1 Получение хлора и гидроксида натрия
  - 2.5.2 Получение металлического натрия
  - 2.5.3 Получение соляной кислоты и сульфата натрия
  Нахождение в природе и производство
  
  В природе хлорид натрия встречается в виде минерала галита, который образует залежи каменной соли среди осадочных горных пород, прослойки и линзы на берегах солёных озёр и лиманов, соляные корки в солончаках и на стенках кратеров вулканов и в сольфатарах. Огромное количество хлорида натрия растворено в морской воде. Мировой океан содержит 4 × 10 15 тонн NaCl, то есть из каждой тонны морской воды можно получить в среднем 1,3 кг хлорида натрия. Следы NaCl постоянно содержатся в атмосфере в результате испарения брызг морской воды. В облаках на высоте полтора километра 30 % капель, больших 10 мкм по размеру, содержат NaCl. Также он найден в кристаллах снега.
  
  Наиболее вероятно, что первое знакомство человека с солью произошло в лагунах тёплых морей или на соляных озёрах, где на мелководье солёная вода интенсивно испарялась под действием высокой температуры и ветра, а в осадке накапливалась соль. По образному выражению Пифагора, «соль была рождена благородными родителями: солнцем и морем».
  
  Галит
  
  В природе хлорид натрия чаще всего встречается в виде минерала галита. Он имеет гранецентрированную кубическую решётку и содержит 39,34 % Na, 60,66 % Cl. Другими химическими элементами, входящими в состав примесей, являются: Br, N, H, Mn, Cu, Ga, As, I, Ag, Ba, Tl, Pb, K, Ca, S, O. Плотность 2,1—2,2 г/см³, а твёрдость по шкале Мооса — 2. Бесцветный прозрачный минерал со стеклянным блеском. Распространённый минерал соленосных толщ. Образуется при осаждении в замкнутых водоёмах, а также как продукт сгона на стенках кратеров вулканов. Составляет пласты в осадочных породах лагунных и морских фаций, штокоподобные тела в соляных куполах и тому подобных.
  
  Каменная соль
  
  Каменной солью называют осадочную горную породу из группы эвапоритов, состоящую более чем на 90 % из галита. Галит также часто называют каменной солью. Эта осадочная горная порода может быть бесцветной или снежно-белой, но чаще она окрашена примесями глин, талька (серый цвет), оксидами и гидроксидами железа (жёлтый, оранжевый, розовый, красный), битумами (бурая). Каменная соль содержит хлориды и сульфаты натрия, калия, магния и кальция, бромиды, йодиды, бораты, гипс, примеси карбонатно-глинистого материала, доломита, анкериту, магнезита, битумов и так далее.
  
  По условиям формирования месторождений каменную соль подразделяют на следующие виды:
  - рассолы современных соляных бассейнов
  - соляные подземные воды
  - залежи минеральных солей современных соляных бассейнов
  - ископаемые залежи (важнейшие для промышленности).
  Морская соль
  
  Морская соль является смесью солей (хлориды, карбонаты, сульфаты и т. д.), образующейся при полном испарении морской воды. Среднее содержание солей в морской воде составляет:
  
  Соединение Масс. доля, %
  NaCl 77,8
  MgCl₂ 10,9
  MgSO₄ 4,7
  KCl 2,5
  K₂SO₄ 2,5
  CaCO₃ 0,3
  Ca(HCO₃)₂ 0,3
  другие соли 0,2
  
  При испарении морской воды при температуре от +20 до +35 °C в осадке сначала кристаллизуются наименее растворимые соли — карбонаты кальция и магния и сульфат кальция. Затем выпадают более растворимые сульфаты натрия и магния, хлориды натрия, калия и магния, и после них — сульфаты калия и магния. Последовательность кристаллизации солей и состав осадка может несколько варьироваться в зависимости от температуры, скорости испарения и других условий. В промышленности морскую соль получают из морской воды, в основном методом обычного выпаривания. Она отличается от каменной соли значительно большим содержанием других химических солей, минералов и различных микроэлементов, в первую очередь йода, калия, магния и марганца. Соответственно, она отличается от хлорида натрия и по вкусу — горько-солёный привкус ей придают соли магния. Она используется в медицине: при лечении кожных заболеваний, таких как псориаз. Как лечебное вещество в аптечной и обычной торговой сети, распространённым продуктом является соль из Мёртвого моря. В очищенном виде этот вид соли также предлагается в продуктовой торговой сети — как натуральная и богатая йодом пищевая.
  
  Залежи
  
  Залежи каменной соли найдены во всех геологических системах. Важнейшие из них сосредоточены в кембрийских, девонских, пермских и третичных отложениях. Каменная соль составляет мощные пластовые залежи и ядра сводчатых структур (соляных куполов и штоков), образует прослойки, линзы, гнезда и вкрапления в других породах. Среди озёрных месторождений России крупнейшие — Эльтонское, Баскунчак в Прикаспии, Кучукское озеро, Кулундинское озеро, Эбейты и другие озёра в Западной Сибири.
  
  Производство
  
  В древности технология добычи соли заключалась в том, что соляную рапу (раствор) вытаскивали лошадиным приводом из шахт, которые назывались «колодцами» или «окнами», и были достаточно глубокими — 60—90 м. Извлечённый солевой раствор выливали в особый резервуар — творило, откуда она через отверстия стекала в нижний резервуар, и системой жёлобов подавалась в деревянные башни. Там её разливали в большие чаны, на которых соль вываривали.
  
  На Руси поморы вываривали соль на побережье Белого моря и называли её морянка. В 1137 году новгородский князь Святослав определил налог на соляные варницы.
  
  Беломорской солью, называемой «морянкой», торговали по всей Российской империи до начала XX века, пока её не вытеснила более дешёвая поволжская соль.
  
  Современная добыча хлорида натрия механизирована и автоматизирована. Соль массово добывается выпариванием морской воды (тогда её называют морской солью) или рассола с других ресурсов, таких как соляные источники и соляные озера, а также разработкой соляных шахт и добычей каменной соли.
  Для добычи хлорида натрия из морской воды необходимы условия жаркого климата с низкой влажностью воздуха, наличие значительных низменных территорий, лежащих ниже уровня моря, или затопляемых приливом, слабая водопроницаемость почвы испарительных бассейнов, малое количество осадков в течение сезона активного испарения, отсутствие влияния пресных речных вод и наличие развитой транспортной инфраструктуры.
  
  Мировое производство соли в 2009 году оценивается в 260 миллионов тонн. Крупнейшими мировыми производителями являются Китай (60,0 млн тонн), США (46,0 млн тонн), Германия (16,5 млн тонн), Индия (15,8 млн тонн) и Канада (14 млн тонн).
  
  Щелочные металлы. Химия щелочных металлов и их соединений
  
  Щелочные металлы расположены в главной подгруппе первой группы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (или просто в 1 группе в длиннопериодной форме ПСХЭ). Это литий Li, натрий Na, калий K, цезий Cs, рубидий Rb и франций Fr.
  
  Электронное строение щелочных металлов и основные свойства
  
  Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня щелочных металлов: ns 1 , на внешнем энергетическом уровне находится 1 s-электрон. Следовательно, типичная степень окисления щелочных металлов в соединениях +1.
  
  Рассмотрим некоторые закономерности изменения свойств щелочных металлов.
  
  В ряду Li-Na-K-Rb-Cs-Fr, в соответствии с Периодическим законом, увеличивается атомный радиус , усиливаются металлические свойства , ослабевают неметаллические свойства , уменьшается электроотрица-тельность .
  
  Физические свойства
  
  Все щелочные металлы — вещества мягкие, серебристого цвета. Свежесрезанная поверхность их обладает характерным блеском.
  
  Кристаллическая решетка щелочных металлов в твёрдом состоянии — металлическая. Следовательно, щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводимостью. Кипят и плавятся при низких температурах. Они имеют также небольшую плотность.
  
  Нахождение в природе
  
  Как правило, щелочные металлы в природе присутствуют в виде минеральных солей: хлоридов, бромидов, йодидов, карбонатов, нитратов и др. Основные минералы , в которых присутствуют щелочные металлы:
  
  Поваренная соль, каменная соль, галит — NaCl — хлорид натрия
  
  Сильвин KCl — хлорид калия
  
  Сильвинит NaCl · KCl
  
  Глауберова соль Na₂SO_4⋅10Н₂О – декагидрат сульфата натрия
  
  Едкое кали KOH — гидроксид калия
  
  Поташ K₂CO₃ – карбонат калия
  
  Поллуцит — алюмосиликат сложного состава с высоким содержанием цезия:
  
  Способы получения
  
  Литий получают в промышленности электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl₂ (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
  
  2LiCl = 2Li + Cl₂
  
  Натрий получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
  
  2NaCl _{(расплав)} → 2Na + Cl₂
  
  Электролитом обычно служит смесь NaCl с NaF и КСl (что позволяет проводить процесс при 610–650°С).
  
  Калий получают также электролизом расплавов солей или расплава гидроксида калия. Также распространены методы термохимического восстановления: восстановление калия из расплавов хлоридов или гидроксидов. В качестве восстановителей используют пары натрия, карбид кальция, алюминий, кремний:
  
  KCl + Na = K↑ + NaCl
  
  KOH + Na = K↑ + NaOH
  
  Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
  
  Са + 2CsCl → 2Cs + CaCl₂
  
  В промышленности используют преимущественно физико-химические методы выделения чистого цезия: многократную ректификацию в вакууме.
  
  Качественные реакции
  
  Качественная реакция на щелочные металлы — окрашивание пламени солями щелочных металлов .
  
  Цвет пламени:
  Li — карминно-красный
  Na — жѐлтый
  K — фиолетовый
  Rb — буро-красный
  Cs — фиолетово-красный
  
  Химические свойства
  
  1. Щелочные металлы — сильные восстановители . Поэтому они реагируют почти со всеми неметаллами .
  
  1.1. Щелочные металлы легко реагируют с галогенами с образованием галогенидов:
  
  2K + I₂ = 2KI
  
  1.2. Щелочные металлы реагируют с серой с образованием сульфидов:
  
  2Na + S = Na₂S
  
  1.3. Щелочные металлы активно реагируют с фосфором и водородом (очень активно). При этом образуются бинарные соединения — фосфиды и гидриды:
  
  3K + P = K₃P
  
  2Na + H₂ = 2NaH
  
  1.4. С азотом литий реагирует при комнатной температуре с образованием нитрида:
  
  Остальные щелочные металлы реагируют с азотом при нагревании.
  
  1.5. Щелочные металлы реагируют с углеродом с образованием карбидов, преимущественно ацетиленидов:
  
  1.6. При взаимодействии с кислородом каждый щелочной металл проявляет свою индивидуальность: при горении на воздухе литий образует оксид, натрий – преимущественно пероксид, калий и остальные металлы – надпероксид.
  
  Цезий самовозгорается на воздухе, поэтому его хранят в запаянных ампулах. Видеоопыт самовозгорания цезия на воздухе можно посмотреть здесь.
  
  2. Щелочные металлы активно взаимодействуют со сложными веществами:
  
  2.1. Щелочные металлы бурно (со взрывом) реагируют с водой . Взаимодействие щелочных металлов с водой приводит к образованию щелочи и водорода. Литий реагирует бурно, но без взрыва.
  
  Например , калий реагирует с водой очень бурно:
  
  2K 0 + H₂ + O = 2 K + OH + H₂ 0
  
  Видеоопыт: взаимодействие щелочных металлов с водой можно посмотреть здесь.
  
  2.2. Щелочные металлы взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой) со взрывом. При этом образуются соль и водород.
  
  Например , натрий бурно реагирует с соляной кислотой :
  
  2Na + 2HCl = 2NaCl + H₂↑
  
  2.3. При взаимодействии щелочных металлов с концентрированной серной кислотой выделяется сероводород.
  
  Например , при взаимодействии натрия с концентрированной серной кислотой образуется сульфат натрия, сероводород и вода:
  
  2.4. Щелочные металлы реагируют с азотной кислотой. При взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуется оксид азота (I):
  
  С разбавленной азотной кислотой образуется молекулярный азот:
  
  При взаимодействии щелочных металлов с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:
  
  2.5. Щелочные металлы могут реагировать даже с веществами, которые проявляют очень слабые кислотные свойства . Например, с аммиаком, ацетиленом (и прочими терминальными алкинами), спиртами , фенолом и органическими кислотами .
  
  Например , при взаимодействии лития с аммиаком образуются амиды и водород:
  
  Ацетилен с натрием образует ацетиленид натрия и также водород:
  
  Н ─ C ≡ С ─ Н + 2Na → Na ─ C≡C ─ Na + H₂
  
  Фенол с натрием реагирует с образованием фенолята натрия и водорода:
  
  Метанол с натрием образуют метилат натрия и водород:
  
  Уксусная кислота с литием образует ацетат лития и водород:
  
  2СH₃COOH + 2Li → 2CH₃COOLi + H₂↑
  
  Щелочные металлы реагируют с галогеналканами (реакция Вюрца).
  
  Например , хлорметан с натрием образует этан и хлорид натрия:
  
  2.6. В расплаве щелочные металлы могут взаимодействовать с некоторыми солями . Обратите внимание! В растворе щелочные металлы будут взаимодействовать с водой, а не с солями других металлов.
  
  Например , натрий взаимодействует в расплаве с хлоридом алюминия :
  
  3Na + AlCl₃ → 3NaCl + Al
  
  Оксиды щелочных металлов
  
  Способы получения
  
  Оксиды щелочных металлов (кроме лития) можно получить только к освенными методами : взаимодействием натрия с окислителями в расплаве:
  
  1. О ксид натрия можно получить взаимодействием натрия с нитратом натрия в расплаве:
  
  2. Взаимодействием натрия с пероксидом натрия :
  
  3. Взаимодействием натрия с расплавом щелочи :
  
  2Na + 2NaOН → 2Na₂O + Н₂↑
  
  4. Оксид лития можно получить разложением гидроксида лития :
  
  2LiOН → Li₂O + Н₂O
  
  Химические свойства
  
  Оксиды щелочных металлов — типичные основные оксиды . Вступают в реакции с кислотными и амфотерными оксидами, кислотами, водой.
  
  1. Оксиды щелочных металлов взаимодействуют с кислотными и амфотерными оксидами :
  
  Например , оксид натрия взаимодействует с оксидом фосфора (V):
  
  Оксид натрия взаимодействует с амфотерным оксидом алюминия:
  
  2. Оксиды щелочных металлов взаимодействуют с кислотами с образованием средних и кислых солей (с многоосновными кислотами).
  
  Например , оксид калия взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлорида калия и воды:
  
  K₂O + 2HCl → 2KCl + H₂O
  
  3. Оксиды щелочных металлов активно взаимодействуют с водой с образованием щелочей.
  
  Например , оксид лития взаимодействует с водой с образованием гидроксида лития:
  
  Li₂O + H₂O → 2LiOH
  
  4. Оксиды щелочных металлов окисляются кислородом (кроме оксида лития): оксид натрия — до пероксида, оксиды калия, рубидия и цезия – до надпероксида.
  
  Пероксиды щелочных металлов
  
  Химические свойства
  
  Свойства пероксидов очень похожи на свойства оксидов. Однако пероксиды щелочных металлов, в отличие от оксидов, содержат атомы кислорода со степенью окисления -1. Поэтому они могут могут проявлять как окислительные , так и восстановительные свойства.
  
  1. Пероксиды щелочных металлов взаимодействуют с водой . При этом на холоде протекает обменная реакция, образуются щелочь и пероксид водорода:
  
  При нагревании пероксиды диспропорционируют в воде, образуются щелочь и кислород:
  
  2. Пероксиды диспропорционируют при взаимодействии с кислотными оксидами .
  
  Например , пероксид натрия реагирует с углекислым газом с образованием карбоната натрия и кислорода:
  
  3. При взаимодействии с минеральными кислотами на холоде пероксиды вступают в обменную реакцию. При этом образуются соль и перекись водорода:
  
  При нагревании пероксиды, опять-таки, диспропорционируют:
  
  4. Пероксиды щелочных металлов разлагаются при нагревании, с образованием оксида и кислорода:
  
  5. При взаимодействии с восстановителями пероксиды проявляют окислительные свойства.
  
  Например , пероксид натрия с угарным газом реагирует с образованием карбоната натрия:
  
  Пероксид натрия с сернистым газом также вступает в ОВР с образованием сульфата натрия:
  
  6. При взаимодействии с сильными окислителями пероксиды проявляют свойства восстановителей и окисляются, как правило, до молекулярного кислорода.
  
  Например , при взаимодействии с подкисленным раствором перманганата калия пероксид натрия образует соль и молекулярный кислород:
  
  Гидроксиды щелочных металлов (щелочи)
  
  Способы получения
  
  1. Щелочи получают электролизом растворов хлоридов щелочных метал-лов:
  
  2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂
  
  2. При взаимодействии щелочных металлов, их оксидов, пероксидов, гидридов и некоторых других бинарных соединений с водой также образуются щелочи.
  
  Например , натрий, оксид натрия, гидрид натрия и пероксид натрия при растворении в воде образуют щелочи:
  
  2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂
  
  Na₂O + H₂O → 2NaOH
  
  2NaH + 2H₂O → 2NaOH + H₂
  
  3. Некоторые соли щелочных металлов (карбонаты, сульфаты и др.) при взаимодействии с гидроксидами кальция и бария также образуют щелочи.
  
  Например , карбонат калия с гидроксидом кальция образует карбонат кальция и гидроксид калия:
  
  Химические свойства
  
  1. Гидроксиды щелочных металлов реагируют со всеми кислотами (и сильными, и слабыми, и растворимыми, и нерастворимыми). При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов.
  
  Например , гидроксид калия с фосфорной кислотой реагирует с образованием фосфатов, гидрофосфатов или дигидрофосфатов:
  
  2. Гидроксиды щелочных металлов реагируют с кислотными оксидами . При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов.
  
  Например , гидроксид натрия с углекислым газом реагирует с образованием карбонатов или гидрокарбонатов:
  
  Необычно ведет себя оксид азота (IV) при взаимодействии с щелочами. Дело в том, что этому оксиду соответствуют две кислоты — азотная (HNO₃) и азотистая (HNO₂). «Своей» одной кислоты у него нет. Поэтому при взаимодействии оксида азота (IV) с щелочами образуются две соли- нитрит и нитрат:
  
  А вот в присутствии окислителя, например, молекулярного кислорода, образуется только одна соль — нитрат, т.к. азот +4 только повышает степень окисления:
  
  3. Гидроксиды щелочных металлов реагируют с амфотерными оксидами и гидроксидами . При этом в расплаве образуются средние соли, а в растворе комплексные соли.
  
  Например , гидроксид натрия с оксидом алюминия реагирует в расплаве с образованием алюминатов:
  
  в растворе образуется комплексная соль — тетрагидроксоалюминат:
  
  Еще пример : гидроксид натрия с гидроксидом алюминия в расплаве образут также комплексную соль:
  
  4. Щелочи также взаимодействуют с кислыми солями. При этом образуются средние соли, или менее кислые соли.
  
  Например : гидроксид калия реагирует с гидрокарбонатом калия с образованием карбоната калия:
  
  5. Щелочи взаимодействуют с простыми веществами-неметаллами (кроме инертных газов, азота, кислорода, водорода и углерода).
  
  При этом кремний окисляется щелочами до силиката и водорода:
  
  Фтор окисляет щелочи. При этом выделяется молекулярный кислород:
  
  Другие галогены, сера и фосфор — диспропорционируют в щелочах:
  
  Сера взаимодействует с щелочами только при нагревании:
  
  6. Щелочи взаимодействуют с амфотерными металлами , кроме железа и хрома . При этом в расплаве образуются соль и водород:
  
  В растворе образуются комплексная соль и водород:
  
  2NaOH + 2Al + 6Н₂О = 2Na[Al(OH)₄] + 3Н₂
  
  7. Гидроксиды щелочных металлов вступают в обменные реакции с растворимыми солями .
  
  С щелочами взаимодействуют соли тяжелых металлов.
  
  Например , хлорид меди (II) реагирует с гидроксидом натрия с образованием хлорида натрия и осадка гидроксида меди (II):
  
  2NaOH + CuCl₂ = Cu(OH)₂↓+ 2NaCl
  
  Также с щелочами взаимодействуют соли аммония.
  
  Например , при взаимодействии хлорида аммония и гидроксида натрия образуются хлорид натрия, аммиак и вода:
  
  NH₄Cl + NaOH = NH₃ + H₂O + NaCl
  
  8. Гидроксиды всех щелочных металлов плавятся без разложения , гидроксид лития разлагается при нагревании до температуры 600°С:
  
  2LiOH → Li₂O + H₂O
  
  9. Все гидроксиды щелочных металлов проявляют свойства сильных оснований . В воде практически нацело диссоциируют , образуя щелочную среду и меняя окраску индикаторов.
  
  NaOH ↔ Na + + OH —
  
  10. Гидроксиды щелочных металлов в расплаве подвергаются электролизу . При этом на катоде восстанавливаются сами металлы, а на аноде выделяется молекулярный кислород:
  
  4NaOH → 4Na + O₂ + 2H₂O
  
  Соли щелочных металлов
  
  Нитраты и нитриты щелочных металлов
  
  Нитраты щелочных металлов при нагревании разлагаются на нитриты и кислород. Исключение — нитрат лития. Он разлагается на оксид лития, оксид азота (IV) и кислород.
  
  Например , нитрат натрия разлагается при нагревании на нитрит натрия и молекулярный кислород:
  
  Нитраты щелочных металлов в реакциях могут выступать в качестве окислителей.
  
  Нитриты щелочных металлов могут быть окислителями или восстановителями.
  
  В щелочной среде нитраты и нитриты — очень мощные окислители.
  
  Например , нитрат натрия с цинком в щелочной среде восстанавливается до аммиака:
  
  Сильные окислители окисляют нитриты до нитратов.
  
  Например , перманганат калия в кислой среде окисляет нитрит натрия до нитрата натрия:
  
  Читайте также: