Натрий

Натрий (Natrium), Na, химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 11, атомная масса 22,9898; серебристо-белый мягкий металл, на воздухе быстро окисляющийся с поверхности. Природный элемент состоит из одного стабильного изотопа ²³Na.

Историческая справка. Природные соединения Н. - поваренная соль NaCI, сода Na₂CO₃ - известны с глубокой древности. Название "натрий", происходящее от араб. натрун, греч. nitron, первоначально относилось к природной соде. Уже в 18 в. химики знали много др. соединений Н. Однако сам металл был получен лишь в 1807 Г. Дэви электролизом едкого натра NaOH. В Великобритании, США, Франции элемент называется Sodium (от исп. слова soda - сода), в Италии - sodio.

Распространение в природе. Н. - типичный элемент верхней части земной коры. Среднее содержание его в литосфере 2,5% по массе, в кислых изверженных породах (граниты и др.) 2,77, в основных (базальты и др.) 1,94, в ультраосновных (породы мантии) 0,57. Благодаря изоморфизму Na⁺ и Ca²⁺, обусловленному близостью их ионных радиусов, в магматических породах образуются натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы). В биосфере происходит резкая дифференциация Н.: осадочные породы в среднем обеднены Н. (в глинах и сланцах 0,66%), мало его в большинстве почв (среднее 0,63%). Общее число минералов Н. 222. Na слабо задерживается на континентах и приносится реками в моря и океаны, где его среднее содержание 1,035% (Na - главный металлический элемент морской воды). При испарении в прибрежно-морских лагунах, а также в континентальных озёрах степей и пустынь осаждаются соли Н., формирующие толщи соленосных пород. Главные минералы, являющиеся источником Н. и его соединений, - галит (каменная соль) NaCI, чилийская селитра NaNO₃, тенардит Na₂SO₄, мирабилит Na₂SO₄·10H₂O, трона NaH (CO₃)₂x2H₂O. Мировая добыча Н. оценивается 1x10⁸ т. Na - важный биоэлемент, в живом веществе в среднем содержится 0,02% Na; в животных его больше, чем в растениях.

Физические и химические свойства. При обычной температуре Н. кристаллизуется в кубической решётке, а = 4,28 . Атомный радиус 1,86 , ионный радиус Na⁺ 0,92 . Плотность 0,968 г/см³ (19,7 °C), t_пл97,83 °C, t_kип 882,9 °C; удельная теплоёмкость (20 °C) 1,23x10³ дж/(кгxК)или 0,295 кал/(гxград); коэффициент теплопроводности 1,32x10² вт/(мxК) или 0,317 кал/(смxсекxград); температурный коэффициент линейного расширения (20 °C) 7,1x10^-5 удельное электрическое сопротивление (0 °C) 4,3·0^-8 омxм (4,3·0^-6 омxсм). Н. парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость + 9,2x10^-6; весьма пластичен и мягок (легко режется ножом).

Нормальный электродный потенциал Н. 2,74 в; электродный потенциал в расплаве - 2,4 в. Пары Н. окрашивают пламя в характерный ярко-жёлтый цвет. Конфигурация внешних электронов атома 3s¹; во всех известных соединениях Н. одновалентен. Его химическая активность очень высока. При непосредственном взаимодействии с кислородом в зависимости от условий образуются окись Na₂O или перекись Na₂O₂ - бесцветные кристаллические вещества. С водой Н. образует гидроокись NaOH и Н₂; реакция может сопровождаться взрывом. Минеральные кислоты образуют с Н. соответствующие растворимые в воде соли, однако по отношению к 98-100%-ной серной кислоте Н. сравнительно инертен.

Реакция Н. с водородом начинается при 200 °C и приводит к получению гидрида NaH - бесцветного гигроскопичного кристаллического вещества. С фтором и хлором Н. взаимодействует непосредственно уже при обычной температуре, с бромом - только при нагревании; с йодом прямого взаимодействия не наблюдается. С серой реагирует бурно, образуя натрия сульфид.Взаимодействие паров Н. с азотом в поле тихого электрического разряда приводит к образованию нитрида Na₃N, а с углеродом при 800-900 °C - к получению карбида Na₂C₂.

Н. растворяется в жидком аммиаке (34,6 г на 100 г NH₃ при 0 °C) с образованием аммиачных комплексов. При пропускании газообразного аммиака через расплавленный Н. при 300-350 °C образуется натрийамин NaNH₂ - бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагаемое водой. Известно большое число натрийорганических соединений, которые по химическим свойствам весьма сходны с литийорганическими соединениями, но превосходят их по реакционной способности. Применяют натрийорганические соединения в органическом синтезе как алкилирующие агенты.

Н. входит в состав многих практически важных сплавов. Сплавы Na - К, содержащие 40-90% К (по массе) при температуре около 25 °C, - серебристо-белые жидкости, отличающиеся высокой химической активностью, воспламеняющиеся на воздухе. Электропроводность и теплопроводность жидких сплавов Na - К ниже соответствующих величин для Na и К. Амальгамы Н. легко получаются при введении металлического Н. в ртуть; при содержании свыше 2,5% Na (по массе) при обычной температуре являются уже твёрдыми веществами.

Получение и применение. Основной промышленный метод получения Н. - электролиз расплава поваренной соли NaCI, содержащей добавки KCI, NaF, CaCl₂ и др., которые снижают температуру плавления соли до 575-585 °C. Электролиз чистого NaCI привёл бы к большим потерям Н. от испарения, т.к. температуры плавления NaCI (801 °C) и кипения Na (882,9 °C) очень близки. Электролиз проводят в электролизёрах с диафрагмой, катоды изготовляют из железа или меди, аноды - из графита. Одновременно с Н. получают хлор. Сохранился и старый способ получения Н. - электролиз расплавленного едкого натра NaOH, который значительно дороже NaCI, однако электролитически разлагается при более низкой температуре (320-330 °C).

Н. и его сплавы широко применяются как теплоносители для процессов, требующих равномерного обогрева в интервале 450-650 °C - в клапанах авиационных двигателей и особенно в ядерных энергетических установках. В последнем случае жидко-металлическими теплоносителями служат сплавы Na - К (оба элемента имеют малые сечения поглощения тепловых нейтронов, для Na 0,49 барн); эти сплавы отличаются высокими температурами кипения и коэффициентами теплопередачи и не взаимодействуют с конструкционными материалами при высоких температурах, развиваемых в энергетических ядерных реакторах. Соединение NaPb (10% Na по массе) применяется в производстве тетраэтилсвинца-наиболее эффективного антидетонатора. В сплаве на основе свинца (0,73% Ca, 0,58% Na и 0,04% Li), применяемом для изготовления осевых подшипников ж.-д. вагонов, Н. является упрочняющей добавкой. В металлургии Н. служит активным восстановителем при получении некоторых редких металлов (Ti, Zr, Ta) методами металлотермии; в органическом синтезе - в реакциях восстановления, конденсации, полимеризации и др. О применении соединений Н. см. Натрия бромид, Натрия гидроокись, Натрия сульфат, Натрия хлорид, Натриевая селитра, Сода и др.

Вследствие большой химической активности Н. обращение с ним требует осторожности. Особенно опасно попадание на Н. воды, которое может привести к пожару и взрыву. Глаза должны быть защищены очками, руки - толстыми резиновыми перчатками; соприкосновение Н. с влажной кожей или одеждой может вызвать тяжёлые ожоги.

? В. Е. Плющев.

Натрий в организме. Н. - один из основных элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. Содержится главным образом во внеклеточных жидкостях (в эритроцитах человека около 10 ммоль/кг, в сыворотке крови 143 ммоль/кг); участвует в поддержании осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия, в проведении нервных импульсов (см. Мембранная теория возбуждения). Суточная потребность человека в хлористом натрии колеблется от 2 до 10г и зависит от количества этой соли, теряемой с потом. Концентрация ионов Н. в организме регулируется в основном гормоном коры надпочечников - альдостероном. Несмотря на относительно высокое содержание Н. в тканях растений (около 0,01% на сырую массу), его роль в жизни растений изучена недостаточно. У галофитов (виды, произрастающие на сильно засоленных почвах) Н. создаёт высокое осмотическое давление в клеточном соке и тем самым способствует извлечению воды из почвы. См. также Водно-солевой обмен.

? И. Ф. Грибовская.

В медицине из препаратов Н. наиболее часто применяют натрия сульфат, хлорид NaCI (при кровопотерях, потерях жидкости, рвоте и т.п.), борат Na₂B₄O₇x10H₂O (как антисептическое средство), гидрокарбонат NaHCO₃ (как отхаркивающее средство, а также для промываний и полосканий при ринитах, ларингитах и др.), тиосульфат Na₂S₂O₃x5H₂O (противовоспалительное, десенсибилизирующее и противотоксическое средство) и цитрат Na₃C₆H₅O₇x5¹/₂H₂O (препарат из группы антикоагулянтов).

Искусственно полученные радиоактивные изотопы ²²Na (период полураспада T_1/2 = 2,64 г.) и ²⁴Na (T_1/2 = 15 ч) применяют для определения скорости кровотока в отдельных участках кровеносной системы при сердечно-сосудистых и лёгочных заболеваниях, облитерирующем эндартериите и др. Радиоактивные растворы солей Н. (например, ²⁴NaCI) используют также для определения сосудистой проницаемости, изучения общего содержания обменного Н. в организме, водно-солевого обмена, всасывания из кишечника, процессов нервной деятельности и в некоторых др. экспериментальных исследованиях.

? М. Д. Дорфман.

? Лит.: Ситтиг М., Натрий, его производство, свойства и применение, пер. с англ., М., 1961; Ullmanns Encykiopadie der technihen Chemie, 3 Aufl., Bd 12, Munch. - B., 1960: Реформатский И. А., Натрий, в кн.: Краткая химическая энциклопедия, т. 3, М., 1964; Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 1, пер. с рум., М., 1971; Проссер Л., Браун Ф., Сравнительная физиология животных, пер. с англ., М., 1967.