НАТРИЙ: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, РИСКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - ХИМИЯ

Натрия представляет собой щелочной металл группы 1 периодической таблицы. Его атомный номер 11, и он представлен химическим символом Na. Это легкий металл, менее плотный, чем вода, серебристо-белого цвета, который становится серым на воздухе; поэтому хранится в парафинах или благородных газах.

Кроме того, это мягкий металл, который можно разрезать ножом и который становится хрупким при низких температурах. Взрывоопасно реагирует с водой с образованием гидроксида натрия и газообразного водорода; Он также реагирует с влажным воздухом и влажностью голых рук.

Металлический натрий хранят в бутылке и погружают в масло, чтобы он не вступал в реакцию с воздухом. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Этот металл содержится в минералах каменной соли, таких как галит (хлорид натрия), в рассолах и в море. Хлорид натрия составляет 80% всех материалов, растворенных в море, причем содержание натрия составляет 1,05%. Это шестой элемент земной коры по распространенности.

Анализ спектров света, исходящего от звезд, позволил обнаружить их присутствие в них, в том числе и на Солнце. Аналогичным образом было определено их присутствие в метеоритах.

Натрий является хорошим проводником тепла и электричества, а также обладает большой теплоемкостью. Он испытывает фотоэлектрическое явление, то есть может испускать электроны при освещении. При горении его пламя излучает интенсивный желтый свет.

Расплавленный натрий действует как теплоноситель, поэтому его используют в качестве теплоносителя в некоторых ядерных реакторах. Он также используется в качестве раскислителя и восстановителя металлов, поэтому его использовали для очистки переходных металлов, таких как титан и цирконий.

Натрий вносит основной вклад в осмолярность внеклеточного компартмента и его объем. Точно так же он отвечает за генерацию потенциалов действия в возбудимых клетках и начало сокращения мышц.

Чрезмерное потребление натрия может вызвать сердечно-сосудистые заболевания, повышенный риск инсульта, остеопороз из-за мобилизации костного кальция и повреждение почек.

История

С древних времен человек использовал соединения натрия, особенно хлорид натрия (поваренную соль) и карбонат натрия. О важности соли свидетельствует использование латинского слова «salarium» для обозначения части соли, которую солдаты получали в качестве оплаты.

В средние века соединение натрия использовалось под латинским названием «sodanum», что означало головную боль.

В 1807 году сэр Хампри Дэви выделил натрий электролизом гидроксида натрия. Дэви также выделил калий в то время, когда гидроксид натрия и гидроксид калия считались элементарными веществами и назывались фиксированными щелочами.

Дэви в письме к другу написал: «Я разложил и перекомпоновал фиксированные щелочи и обнаружил, что их основания представляют собой два новых очень легковоспламеняющихся вещества, подобных металлам; но один из них более воспламеняемый, чем другой, и очень реактивный ».

В 1814 году Йенс Якоб в своей «Системе химических символов» использовал аббревиатуру Na вместо латинского слова «натрий», чтобы назвать натрий. Это слово происходит от египетского названия «натрон», которое использовалось для обозначения карбоната натрия.

Строение и электронная конфигурация натрия

Металлический натрий кристаллизуется в объемноцентрированную кубическую (ОЦК) структуру. Следовательно, его атомы Na расположены в виде кубов, один из которых расположен в центре, а у каждого восемь соседей.

Эта структура характеризуется наименьшей плотностью из всех, что согласуется с низкой плотностью для этого металла; настолько низкое, что вместе с литием и калием, это единственные металлы, которые могут плавать в жидкой воде (до взрыва, конечно). Его низкая атомная масса по сравнению с большим атомным радиусом также способствует этому свойству.

Однако получающаяся металлическая связь довольно слабая, и ее можно объяснить электронной конфигурацией:

3с ¹

Электроны в замкнутой оболочке не участвуют (по крайней мере, при нормальных условиях) в металлической связи; но электрон на 3s орбитали. Атомы Na перекрывают свои 3s-орбитали, создавая валентную зону; а 3p, пустой, - зона проводимости.

Эта полоса 3s, заполненная наполовину, а также из-за низкой плотности кристалла делает силу, управляемую «морем электронов», слабой. Следовательно, металлический натрий можно разрезать с помощью металла, и он плавится только при 98ºC.

Фазовые переходы

Кристалл натрия может претерпевать изменения в своей структуре при повышении давления; в то время как при нагревании он вряд ли будет претерпевать фазовые переходы из-за низкой температуры плавления.

Как только начинаются фазовые переходы, свойства металла меняются. Например, первый переход генерирует гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру. Таким образом, при сжатии металлического натрия ОЦК разреженной структуры уплотняется до ГЦК.

Это не может вызвать заметного изменения других свойств натрия, кроме его плотности. Однако при очень высоком давлении аллотропы (не полиморфные, поскольку они представляют собой чистый металл) неожиданно становятся изоляторами и электридами; то есть даже электроны фиксируются в кристалле как анионы и не циркулируют свободно.

В дополнение к вышесказанному меняются и их цвета; натрий перестает быть сероватым, становясь темным, красноватым или даже прозрачным при повышении рабочего давления.

Числа окисления

Учитывая валентную орбиталь 3s, когда натрий теряет свой единственный электрон, он быстро превращается в катион Na ⁺ , который изоэлектронен неону. То есть и Na ^+, и Ne имеют одинаковое количество электронов. Если предполагается наличие Na ⁺ в соединении, то его степень окисления считается +1.

Если же происходит обратное, то есть натрий приобретает электрон, его результирующая электронная конфигурация будет 3s ² ; сейчас это изоэлектронное с магнием, будучи Na анион ^- называется натрием. Если предполагается присутствие Na ^- в соединении, тогда степень окисления натрия будет -1.

Свойства

Горит этиловый раствор хлорида натрия, проявляющий характерный для этого металла желтый цвет пламени. Источник: Der Messer

Физическое описание

Мягкий, пластичный, ковкий легкий металл.

Атомный вес

22,989 г / моль.

цвет

Натрий - легкий серебристый металл. Блестящая в свежем виде, но теряет свой блеск при контакте с воздухом и становится непрозрачной. Мягкое при температуре, но довольно твердое при -20 ºC.

Точка кипения

880 ° С.

Температура плавления

97,82 ºC (почти 98 ºC).

плотность

При комнатной температуре: 0,968 г / см ³ .

В жидком состоянии (точка плавления): 0,927 г / см ³ .

Растворимость

Нерастворим в бензоле, керосине и нафте. Он растворяется в жидком аммиаке, давая раствор синего цвета. Он растворяется в ртути, образуя амальгаму.

Давление газа

Температура 802 К: 1 кПа; то есть его давление паров значительно ниже даже при высоких температурах.

Разложение

Он бурно разлагается в воде с образованием гидроксида натрия и водорода.

Температура самовоспламенения

120-125 ° С.

Вязкость

0,680 сП при 100 ° C

Поверхностное натяжение

192 дин / см при температуре плавления.

Показатель преломления

4.22.

Электроотрицательность

0,93 по шкале Полинга.

Энергия ионизации

Первая ионизация: 495,8 кДж / моль.

Вторая ионизация: 4562 кДж / моль.

Третья ионизация: 6910,3 кДж / моль.

Атомное радио

186 вечера.

Ковалентный радиус

166 ± 9 вечера.

Термическое расширение

71 мкм (м · К) при 26 ° C.

Теплопроводность

132,3 Вт / м · К при 293,15 К.

Удельное электрическое сопротивление

4,77 × 10 ^-8 Ом · м при температуре 293 K.

Номенклатура

Поскольку у натрия есть уникальная степень окисления +1, названия его соединений в соответствии с номенклатурой запасов упрощены, поскольку это число не указывается в скобках и римскими цифрами.

Точно так же их имена в соответствии с традиционной номенклатурой заканчиваются суффиксом -ico.

Например, NaCl - это хлорид натрия в соответствии с номенклатурой сырья, поскольку хлорид натрия (I) ошибочен. По систематической номенклатуре его еще называют монохлоридом натрия; и хлорид натрия согласно традиционной номенклатуре. Однако наиболее распространенное его название - поваренная соль.

Биологическая роль

Осмотический компонент

Натрий имеет внеклеточную концентрацию 140 ммоль / л и находится в ионной форме (Na ⁺ ). Для поддержания электронейтральности внеклеточного компартмента Na ⁺ сопровождается хлоридом (Cl ^- ) и бикарбонатом (HCO ₃^- ) анионами с концентрациями 105 ммоль / л и 25 ммоль / л соответственно.

Катион Na ⁺ является основным осмотическим компонентом и имеет наибольший вклад в осмолярность внеклеточного компартмента, так что существует равенство осмолярности между внеклеточным и внутриклеточным компартментами, что гарантирует целостность внутриклеточного компартмента.

С другой стороны, внутриклеточная концентрация Na ⁺ составляет 15 ммоль / л. Итак: почему внеклеточная и внутриклеточная концентрации Na ⁺ не уравниваются ?

Этого не происходит по двум причинам: а) плазматическая мембрана плохо проницаема для Na ⁺ . б) наличие насоса Na ⁺ -K ⁺ .

Насос - это ферментативная система в плазматической мембране, которая использует энергию, содержащуюся в АТФ, для удаления трех атомов Na ⁺ и введения двух атомов K ⁺ .

Кроме того, существует набор гормонов, в том числе альдостерон, который, способствуя реабсорбции натрия почками, гарантирует поддержание концентрации внеклеточного натрия на должном уровне. Антидиуретический гормон помогает поддерживать внеклеточный объем.

Производство потенциалов действия

Возбудимые клетки (нейроны и мышечные клетки) - это клетки, которые реагируют на соответствующий стимул с образованием потенциала действия или нервного импульса. Эти клетки поддерживают разность напряжений на плазматической мембране.

Внутренняя часть ячейки заряжена отрицательно по сравнению с внешней частью ячейки в условиях покоя. При наличии определенного стимула проницаемость мембраны для Na ⁺ увеличивается, и небольшое количество ионов Na ⁺ проникает в клетку , заставляя внутреннюю часть клетки становиться положительно заряженной.

Вышеупомянутое - это то, что известно как потенциал действия, который может распространяться по нейрону и является способом передачи информации через него.

Когда потенциал действия достигает мышечных клеток, он стимулирует их сокращаться с помощью более или менее сложных механизмов.

Таким образом, натрий отвечает за производство потенциалов действия в возбудимых клетках и за начало сокращения мышечных клеток.

Где она находится

земная кора

Натрий является седьмым по распространенности элементом земной коры, составляя 2,8% от ее содержания. Хлорид натрия входит в состав минерального галита, который составляет 80% растворенных в море материалов. Содержание натрия в море составляет 1,05%.

Натрий - очень реактивный элемент, поэтому он не встречается в его естественной или элементарной форме. Он содержится в растворимых минералах, таких как галит, или в нерастворимых минералах, таких как криолит (фторид натрия и алюминия).

Море и минерал галит

Помимо моря в целом, Мертвое море характеризуется очень высокой концентрацией различных солей и минералов, особенно хлорида натрия. Большое Соленое озеро в Соединенных Штатах также имеет высокую концентрацию натрия.

Хлорид натрия содержится почти в чистом виде в минерале галите, присутствующем в море и в структурах горных пород. Каменная или минеральная соль менее чиста, чем галит, обнаруженный в месторождениях полезных ископаемых в Великобритании, Франции, Германии, Китае и России.

Солевые отложения

Соль извлекается из каменистых отложений путем дробления горных пород с последующим процессом очистки от соли. В других случаях вода вводится в резервуары для соли, чтобы растворить ее и сформировать рассол, который затем перекачивается на поверхность.

Соль получают из моря в неглубоких бассейнах, известных как солончаки, путем солнечного испарения. Полученная таким образом соль называется лавровой или морской солью.

Даунс ячейка

Натрий был получен карботермическим восстановлением карбоната натрия, проводимым при 1100ºC. В настоящее время его производят путем электролиза расплавленного хлорида натрия с использованием ячейки Даунса.

Однако, поскольку расплавленный хлорид натрия имеет точку плавления ~ 800 ° C, добавляют хлорид кальция или карбонат натрия для понижения температуры плавления до 600 ° C.

В камере Дауна катод сделан из железа круглой формы вокруг углеродного анода. Продукты электролиза разделены стальной сеткой, чтобы предотвратить контакт продуктов электролиза: элементарного натрия и хлора.

На аноде (+) происходит следующая реакция окисления:

2 Cl ^- (l) → Cl ₂ (г) + 2 e ^-

Между тем на катоде (-) происходит следующая реакция восстановления:

2 Na ⁺ (l) + 2 e ^- → 2 Na (l)

Реакции

Образование оксидов и гидроксидов

Он очень реактивен на воздухе в зависимости от его влажности. Он реагирует с образованием пленки гидроксида натрия, которая может поглощать диоксид углерода и в конечном итоге образовывать бикарбонат натрия.

На воздухе окисляется с образованием монооксида натрия (Na ₂ O). В то время как супероксид натрия (NaO ₂ ) получают нагреванием металлического натрия до 300 ºC с кислородом при высоком давлении.

В жидком состоянии он воспламеняется при 125ºC, образуя раздражающий белый дым, вызывающий кашель. Он также бурно реагирует с водой с образованием гидроксида натрия и газообразного водорода, вызывая взрыв реакции. Эта реакция сильно экзотермична.

Na + H ₂ O → NaOH + 1/2 H ₂ (3367 килокалорий / моль)

С галогенированными кислотами

Галогенированные кислоты, такие как хлористоводородная кислота, реагируют с натрием с образованием соответствующих галогенидов. Между тем, при его реакции с азотной кислотой образуется нитрат натрия; а с серной кислотой образует сульфат натрия.

Сокращения

Na восстанавливает оксиды переходных металлов, освобождая их от кислорода, с образованием соответствующих металлов. Кроме того, натрий реагирует с галогенидами переходных металлов, вызывая смещение металлов с образованием хлорида натрия и высвобождение металлов.

Эта реакция позволила получить переходные металлы, включая титан и тантал.

С аммиаком

Натрий реагирует с жидким аммиаком при низкой температуре и медленно с образованием содамида (NaNH ₂ ) и водорода.

Na + NH ₃ → NaNH ₂ + 1/2 H ₂

Жидкий аммиак служит растворителем для реакции натрия с различными металлами, включая мышьяк, теллур, сурьму и висмут.

органический

Реагирует со спиртами с образованием алкоголятов или алкоксидов:

Na + ROH → RONa + 1/2 H ₂

Он вызывает дегалогенирование органических соединений, вызывая удвоение количества атомов углерода в соединении:

2 Na + 2 RCl → RR + 2 NaCl

Октан может быть получен дегалогенированием бромистого бутана натрием.

Металлами

Натрий может реагировать с другими щелочными металлами с образованием эвтектики: сплава, который образуется при более низких температурах, чем его компоненты; например, NaK с процентным содержанием K 78%. Также натрий образует сплавы с бериллием с небольшим процентным содержанием первого.

Драгоценные металлы, такие как золото, серебро, платина, палладий и иридий, а также белые металлы, такие как свинец, олово и сурьма, образуют сплавы с жидким натрием.

риски

Это металл, который сильно реагирует с водой. Поэтому при контакте с тканями человека, покрытыми водой, могут возникнуть серьезные повреждения. При попадании на кожу и в глаза вызывает сильные ожоги.

Точно так же при проглатывании он может вызвать перфорацию пищевода и желудка. Однако, хотя эти травмы серьезны, им подвержена лишь небольшая часть населения.

Наибольший ущерб, который может нанести натрий, связан с его чрезмерным потреблением с едой или напитками, приготовленными людьми.

Человеческому организму требуется 500 мг натрия в день для выполнения своей функции по нервной проводимости, а также по сокращению мышц.

Но обычно с пищей поступает гораздо большее количество натрия, что приводит к увеличению его концентрации в плазме и крови.

Это может вызвать высокое кровяное давление, сердечно-сосудистые заболевания и инсульты.

Гипернатриемия также связана с возникновением остеопороза, вызывая отток кальция из костной ткани. Почки не могут поддерживать нормальную концентрацию натрия в плазме, несмотря на чрезмерное потребление, что может привести к повреждению почек.

Приложения

Металлический натрий

Он используется в металлургии как раскислитель и восстановитель при получении кальция, циркония, титана и других металлов. Например, он восстанавливает тетрахлорид титана (TiCl ₄ ) с получением металлического титана.

Расплавленный натрий используется в качестве теплоносителя, поэтому он используется в качестве теплоносителя в некоторых ядерных реакторах.

Он используется в качестве сырья при производстве лаурилсульфата натрия, основного ингредиента синтетического моющего средства. Он также участвует в производстве полимеров, таких как нейлон, и таких соединений, как цианид и пероксид натрия. Также в производстве красителей и синтез парфюмерии.

Натрий используется для очистки углеводородов и полимеризации нерастворимых углеводородов. Он также используется во многих органических редукциях. Растворенный в жидком аммиаке, он используется для восстановления алкинов до трансалкена.

Натриевые лампы предназначены для уличного освещения в городах. Они имеют желтый цвет, похожий на тот, который наблюдается при сжигании натрия в зажигалках.

Натрий действует как осушитель, который дает голубой оттенок в присутствии бензофенона, указывая на то, что продукт в процессе сушки достиг желаемой степени сушки.

соединений

Хлористый

Его используют для приправы и консервирования еды. При электролизе хлорида натрия образуется гипохлорит натрия (NaOCl), который используется в бытовой химии в качестве хлора. Кроме того, он используется в качестве промышленного отбеливателя для бумаги и текстильной массы или для дезинфекции воды.

Гипохлорит натрия используется в некоторых лекарственных препаратах в качестве антисептика и фунгицида.

Карбонат и бикарбонат

Карбонат натрия используется при производстве стекол, моющих и чистящих средств. Моногидрат карбоната натрия используется в фотографии в качестве проявителя.

Пищевая сода - источник углекислого газа. По этой причине он используется в разрыхлителях, в солях и шипучих напитках, а также в сухих химических огнетушителях. Его также используют в процессе дубления и подготовки шерсти.

Бикарбонат натрия - это щелочное соединение, используемое для лечения повышенной кислотности желудка и мочи.

Сульфат

Его используют при производстве крафт-бумаги, картона, стекла и моющих средств. Тиосульфат натрия используется в фотографии для коррекции негативов и проявленных отпечатков.

Гидроксид

Обычно его называют каустической содой или щелоком, он используется для нейтрализации кислот при нефтепереработке. Реагирует с жирными кислотами при производстве мыла. Кроме того, он используется при лечении целлюлозы.

азотнокислый

Он используется в качестве удобрения, которое обеспечивает азот, являющийся компонентом динамита.

Ссылки

Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
Натрий. (2019). Натрий. Получено с: en.wikipedia.org
Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Натрий. База данных PubChem. CID = 5360545. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Ганонг, ВФ (2003). Медицинская физиология, 19-е издание. От редакции El Manual Moderno.
Wikipedia. (2019). Натрий. Получено с: en.wikipedia.org
Президент и научные сотрудники Гарвардского колледжа. (2019). Соль и натрий. Получено с: hsph.harvard.edu
Редакторы энциклопедии Британника. (07 июня 2019 г.). Натрий. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com

НАТРИЙ: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, РИСКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - ХИМИЯ - 2024