Natris

ISTORIJA

Pagal paplitimą mūsų planetoje natris užima šeštąją vietą tarp visų elementų. Todėl nė kiek nenuostabu, kad su natrio junginiais mūsų protėviai susipažino labai seniai. Pitekantropui natrio chloridas buvo būtinas lygiai tiek pat, kaip ir šiuolaikiniam žmogui.

Naujajame Testamente minima medžiaga neter, kuri buvo naudojama skalbimui. Ta pati medžiaga, kuri buvo žinoma dar senajame Egipte, minima graikų (Aristotelis, Dioskoridas) nitron pavadinimu, o senovės romėnų (Plinijus) buvo vadinama nitrum . Visais šiais atvejais, matyt, kalbama apie sodą, t.y. natrio karbonatą ir, iš ddalies, apie potašą, kurio tuo metu nesugebėta atskirti nuo sodos. Arabų alchemikai vietoje termino nitrum vartojo natron . Alchemiko Geberio (14-15 a.) rankraščiuose greta pirmą kartą pavartoto termino soda sutinkamas pavadinimas alkali. Alchemikams priimtiniausi buvo pavadinimai, atspindintys atitinkamų medžiagų kilmę. Pvz., potašas gautas iš vyno akmens, buvo vadinamas sal tartari, o gautas iš augalų pelenų – sal vegetable. Nuo 1600 m. šarminių metalų druskos vadinamos sal lixiviosium, iš kurio kilo vokiškas žodis “Laugensalz”. Skirtumus tarp natrio (valgomosios druskos) ir kalio, kkuris tuo metu karbonatų pavidalu buvo gaunamas iš augalų pelenų, pirmasis pažymėjo Štalis (Stahl, 1660-1734 m.) 1702 metais.

Dviejų elementų egzistavimą eksperimentiškai pirmasis įrodė Diumelis de Monso (Duhamel de Monceau, 1700-1781 m.) . Markgrafas 1758 m. nustatė, kad šie elementai skirtinga sspalva nudažo liepsną. Klaprotas (Klaproth, 1797 m.) pirmą kartą įrodė, kad kalis, nepaisant tuo metu paplitusio pavadinimo alkali vegitable , sutinkamas ir mineraluose.

18 amžiuje chemikai žinojo jau daug įvairių natrio druskų. Natrio druskos plačiai buvo naudojamos medicinoje, apdorojant odas, audinių dažymui. Tačiau iki 19 a. elementas vis dar nebuvo atrastas. Šis metalas buvo per daug aktyvus, todėl tradiciniais cheminiais metodais jo išskirti nepavykdavo.

1807 m. lapkričio 19 d. Karališkosios draugijos posėdžio metu seras H. Devis (Davy) Paskelbė atradęs du naujus elementus – natrį ir kalį. Tai padaryti jam pavyko elektros srovės pagalba, panaudojant vienintelį tuo metu pastovios srovės šaltinį – Voltos stulpą. D. Mendelejevas apie šį atradimą rašė: “Sujungdamas su teigiamu (vario ar anglies) poliumi gabalą drėgno (siekiant padidinti laidumą) natrio ššarmo ir išskaptavęs jame įdubimus, pripildytus jame gyvsidabrio, sujungto su stipraus Voltos stulpo neigiamu poliumi, Devis pastebėjo, kad tekant srovei, gyvsidabryje tirpsta įpatingas metalas, mažiau lakus už gyvsidabrį ir sugebantis skaldyti vandenį, vėl sudarydamas natrio šarmą”.

Devis pirmasis ištyrė natrio ir kalio savybes, pažymėdamas jų sugebėjimą lengvai oksiduotis, ir nurodė, kad natrio garai užsidega ore.

Nepaisant to, kad H. Devio atradimas buvo didžiulis atardimas chemijoje, to meto technikai jis nedavė apčiuopiamos naudos. Juolab, kad niekas ir nežinojo, kokią naudą aplamai gali dduoti minkšti ir labai aktyvūs bei užsidegantys ore, veikiant vandeniui, metalai.

PAPLITIMAS GAMTOJE

Kadangi natris lengvai oksiduojasi, laisvas apčiuopiamais kiekiais gamtoje nesutinkamas. Įvairių junginių pavidale natris sudaro 2,64% visos žemės plutos masės. Natrio pėdsakai aptikti Saulės atmosferoje ir tarpžvaigždinėje erdvėje. Tirpių druskų pavidale hidrosferoje natris sudaro _2,9%, esant bendram 3,5-3,7% jūros vandens druskingumui. Baltijos jūros vandenys turi tik 0,6-1,7% NaCl, kai tuo tarpu Viduržemio jūros vandenyse jo yra iki 3%, o Raudonojoje jūroje iki 3,5%. Uždarose jūrose šios druskos kiekis dar didesnis. Negyvosios jūros vandenyse greta kitų druskų yra _20% NaCl. Absoliutus kiekis natrio jūros vandenyse sudaro _1,5·1016 tonų.

Žemės plutoje natris sutinkamas įvairių druskų pavidale. Svarbiausios iš jų: natrio chloridas NaCl (akmens druska, galitas), natrio sulfatas Na2SO4·10H2O (mirabilitas, glauberio druska), natrio nitratas NaNO3 (Čilės salietra), natrio-aliuminio heksafluoridas 3NaF·AlF3 (kriolitas), tetraboratas Na2B4O7·10H2O (boraksas, tinkalas), silikatai – lauko špatai Na[AlSi3O8] (albitas), nefelinas Na[AlSiO4], sodalitas Na3[Al3Si3O12]·NaCl, neozanas Na3[Al3O12]·Na2SO4, gajuinas Na3[Al3Si3O12]·(Na2, Ca)[So4], lazuritas (ultramarinas) Na3[Al3Si3O12]·Na2S2, skapolinas Na3[Al3Si9O24]·NaCl ir kt.

Kartu su Ca, Si, Ba, Mg, Al ir retaisiais elementais natris įeina į gamtinių silikatų sudėtį. Nedideli natrio kiekiai yra augaluose, pvz., tūkstantlapio (Achillea milleofillium) žolėje rasta tik 0,0006% Na. Šviežioje jūros žolėje (Zostera morina) yra 0,547%, o jos pelenuose 16,78% Na. Natrio junginiai, daugiausia nnatrio chlorido pavidale, sutinkami gyvūnų organizmuose. Taip, pvz., kraujo plazmoje natrio jonai sudaro 0,32%, kauluose 0,6%, raumenų audiniuose 0,6-1,5%. Papildydamas natūralius Na nuostolius, žmogaus organizmas kasdien turi suvartoti 4-5 g natrio NaCl pavidale.

Natrio druskų žaliavų šaltiniai plačiai paplitę Žemėje. Dideli valgomosios druskos klodai slūgso buvusios SSRS teritorijoje (Brianskas-Bachmačius, Ileckas prie Orenburgo, Usolė prie Permės, Sibiras; druskinguose ežeruose – Eltono (26% NaCl), Baskunčiako, JAV (Teksaso valstija, Nju Meksikas, Oklahoma, Kanzasas ir kt.), Austrijoje. Mirabilitas, tenarditas sutinkamas Kara-Bogazgoloje, Sibire, JAV (vakarinės valstijos), Sicilijos saloje, Ispanijoje, Šiaurės Afrikoje. Salietros klodai yra Pietų Amerikoje (Peru, Čilė). Didžiulės mineralo Na2CO3·NaHCO3·2H2O atsargos yra Šiaurės Afrikoje (Šiaurės vakarai nuo Kairo, Alžyras, Sudanas, Libanas), Armėnijoje, Sibire, JAV (Nevados ir Kalifornijos valstijos) ir kitur.

GAVIMAS

Nepaisant H. Devio atradimo, labaratorijose natris iki 1824 metų buvo retenybė, kol Erstedas nustatė, kad gryną aliuminį galima gauti, redukuojant aliuminio chloridą natriu. Nuo to laiko natrio gavimo technologinių procesų vystymasis tiesiogiai priklausė nuo aliuminio gavimo pramonės vystymosi. Tačiau vėliau aliuminio redukavimui imta naudoti kalį, ir natrio gamyba vėl sumažėjo. Tik po 32 metų A. S. Devilis ir R. Bunzenas įrodė, kad aliuminio gamyboje vis dėl to geriau naudoti natrį, negu kalį. Pagal Devilio metodą natris buvo gaunamas redukuojant sodą anglimi. Kastneris (Castner) 1886 m. šį pprocesą patobulino, bet po kelių mėnesių amerikietis Holas (Holl) ir prancūzas Eru (Erout) pasiūlė elektrolitinį aliuminio gavimo būdą. Taigi, natrio poreikis rinkoje vėl krito.

Tam, kad periodinės elementų lentelės elementas N0 11 vėl grįžtų į gamybines sferas, reikėjo mažiausiai dviejų dalykų: 1) naujų panaudojimo sričių, kurioms būtinai reiklingas natris, ir 2) efektyvių pigaus natrio gavimo būdų. Kastneris 1890 m. patobulino elektrolitinį natrio gavimo iš kaustinės sodos procesą, o 1895 m. Niujorko valstijoje buvo pastatyta gamykla, gaminanti šiuo metodu natrį.

Šiuolaikinį natrio gavimo iš išlydyto natrio chlorido procesą pasiūlė Daunsas (Downs) su bendraautoriais. Vieno kilogramo natrio kaina nukrito nuo 4,5$ 1890 m. iki 0,35$ 1953 metais. Tokiu būdu, natris tapo pigiu metalu, o tuo pačiu ir nebrangia žaliava chemijos pramonėje. Jo gamyba nepaliaujamai augo. Taip pvz., pagal Devilio būdą 1885 m. buvo gaminama 5500-6000 kg per metus, Kastnerio – 1888-1900 m. apie 150 t per metus. 1913 metais Europoje jau buvo gaminama 4200 t, o JAV – 1800 t natrio per metus. Pasaulyje 1927 m. buvo gaminama 27 tūkst. tonų natrio. Antrojo pasaulinio karo metais natrio gamyba JAV žymiai išaugo dėl jo panaudojimo natrio cianido ir tetraetilšvino gamybai. Šiuo metu JAV gaminama virš 100 tūkst. tonų natrio per metus, pasaulyje _200 tūkst. tonų.

Gavimo

būdai. Yra daug metalinio natrio gavimo iš jo junginių būdų. Ankstesniuose procesuose jo gamybai buvo naudojamas natrio šarmas; tuo tarpu šiuolaikinėje gamyboje daugiausiai naudojamas natrio chloridas. Natris gali būti gaunamas veikiant jo druskas anglimi ar kitais reduktoriais prie temperatūrų, viršijančių jo lydimosi temperatūrą (termocheminės redukcijos procesai) arba elektrolizės būdu.

Terminės redukcijos procesai.

Gmelino (Gmelin) žinyne nurodoma, kad šiuo metodu natris gali būti gaunamas praktiškai iš bet kurio jo junginio. Natrio karbonatą galima redukuoti medžio anglimi arba koksu, sumaišytu su geležimi; sidabru, aliuminiu aarba magniu. Aukštesnėse temperatūrose aliuminis, magnis, kalcis, kalcio hidridas, silicidas ar kalcio karbidas redukuoja natrio chloridą iki metalo. Susmulkinta geležis, ferosilicis, kalcio karbidas ir koksas redukuoja natrį iš išlydito natrio hidroksido. Pagal Gmeliną, natrio silikatas, sulfidas, sulfatas ir cianidas aukštoje temperatūroje irgi gali būti redukuoti iki metalo.

Pramoninę reikšmę turi natrio karbonato (kalcinuotos sodos) redukcijos procesas, reduktoriumi naudojant anglį. Procesas vyksta pagal sumarinę reakciją:

Na2CO3 + 2C ® 2Na + 3CO(DH0298=231 kcal/g·mol).

Reakcija stadijinė:

Na2CO3 ® Na2O + CO2

CO2 + C = 2CO

Na2O ++ C ® 2Na + CO

Technologinio proceso aprašymą galima rasti specialioje literatūroje. Patentuose siūloma kalcinuotos sodos reakciją vykdyti su anglimi, ištirpdyta išlydytoje geležyje, naudoti medžio anglį ar vykdyti procesą esant sumažintam slėgiui, panaudojant vakuminius siurblius. Natrio karbonato redukcijos procesas 11100°C temperatūroje vykdomas, greitai šaldant gautus natrio garus iki temperatūros, žemesnės už 700°C.

Paminėtinas apie 30 metų naudotas Devilio (H. Deville) procesas, panaudojantis natrio karbonato, medžio anglies ir kalkių mišinį, ir Dou (Dow) natrio gavimo procesas, distiliuojant išlydytą natrio karbonato ir anglies mišinį.

Kastnerio procesas – vienas iš svarbiausių termocheminių kaustinės sodos (natrio hifroksido) redukcijos procesų. Tai patobulintas Devilio procesas, kuriam charakteringas geresnis reaguojančių medžiagų kontaktas, o pats procesas vyksta prie žemesnių temperatūrų pagal reakciją:

6NaOH + FeC2 ® 2Na2CO3 + Fe + 3H2 + 2Na.

Kituose technologiniuose prcesuose geležies karbidas 1000°C redukuoja natrio hidroksidą pagal lygtį:

3NaOH + FeC2 ® 3Na + Fe + 3/2H2 + CO + CO2 .

Metalinio natrio gavimui iš natrio hidroksido naudojami įvairūs reduktoriai – grynas kalcio karbidas, jo mišinys ssu natrio chloridu arba gryna anglis

4NaOH + 2C ® Na2CO3 + 2Na + 2H2 + CO .

Termocheminiuose natrio gavimo redukcijos procesuose plačiai naudojamas natrio chloridas arba kiti jo halogeniniai junginiai. Šių junginių redukcija vyksta pagal lygtis:

2NaCl + CaC2 ® CaCl2 + 2Na + 2C

6NaF + Al ® 3Na + AlNa3F6

2NaCl + CaO + C ® 2Na + CaCl2 + CO

2NaCl + Pb ® PbCl2 + 2Na.

Kituose technologiniuose procesuose įvairių junginių redukcija vyksta pagal lygtis:

Na2B4O7 + 7C ® 2Na + 77CO + 4B

Na2S + CaO + C ® 2Na + CaS + CO

Na2S + CaC2 ® 2Na + CaS + 2C

2NaCN + Fe ® 2Na + FeC2 + N2

3Na2O2 + 2C ® 2Na2CO3 + 2Na

7Na2O2 + 2CaC2 ® 2CaO + 4Na2CO3 + 6Na

2NaNO2 + 3CaC2 + 6NaF ® 2NaCN + 4CO + 3CaF2 + 6Na

2NaNO2 + 3CaCl2 + 3Na2S ® 2NaCN + 4CO + CaS + 6Na.

Natrio gavimas elektrolizės būdu. Šiuo metu tai pagrindinis pramoninis natrio gavimo būdas. Natris gaunamas, elektrolizuojant sulydytą natrio hidroksidą arba natrio chloridą. Elektrolizės metu prie geležies ar nikelio katodų išsiskiria natris, o ant grafito anodo, priklausomai nuo elektrolizuojamų medžiagų, išsiskiria deguonis arba chloras.

Katodas4Na+ + 4e ® 4Na Anodas1) 4OH– – 4e ® 2H2O + O22) 4Cl– – 4e ® 2Cl2

Pirmą kartą elektrolizės būdu natris buvo gautas iš natrio hidroksido (Kastnerio metodas). Šiuo atveju ant anodo vyksta 1) reakcija. Vandeniui difundavus per vonią, ant katodo vyksta antrinė reakcija su natriu:

2Na + 2H2O ® 2NaOH + H2 .

Sumarinė reakcija:

4NaOH ® 2Na + 2NaOH + H2 + O2 .

Kadangi vanduo reaguoja su puse susidariusio natrio, jo išeiga praktikoje neviršija 50% teorinės reikšmės, o kitos pašalinės reakcijos išeigą gali sumažinti ir dar daugiau.

Kastnerio elektrolizeris pavaizduotas piešinyje.

Aparatas sudarytas iš aapšildomo geležinio indo, kuriame yra išlydytas natrio hidroksidas. Indo apačioje yra geležinis strypas (katodas), kurį gaubia geležinis cilindras (anodas). Elektrolizeryje dar yra trumpas geležinis cilindras, pagamintas iš geležinio tinklo. Pastarasis gaubia viršutinę, pastorintąją katodo dalį ir apsaugo, kad susidaręs ant katodo metalinis natris nepatektų ant anodo. Dėl mažo savo lyginamojo svorio, susidaręs metalinis natris pašalinamas nuo išlydytos masės viršaus. Ant anodo kraunasi OH– jonai ir skiriasi deguonis bei vanduo. Didelė vandens dalis išgaruoja. Dalį vandens skaldo srovė, todėl, be natrio, ant katodo skiriasi ir vandenilis. Išeidamas pro vidinio cilindro dangtį, vandenilis užsidega. Sunkiosios išlydytos masės priemaišos kaupiasi apatinėje elektrolizerio dalyje. Žemiausiuose sluoksniuose kaupiasi atšalęs natrio hidroksidas.

Kaip pažymėjo pats Kastneris, svarbu, kad elektrolizerio temperatūra kiek galima mažiau viršytų natrio lydimosi temperatūrą. Priešingu atveju natris maišosi su išlydyta mase ir, veikiamas deguonies, oksiduojasi.

Kastnerio elektrolizeris nuo 1891 metų iki 1920 metų buvo žymiai patobulintas, nes tai buvo vienintelis procesas, turintis praktinę reikšmę. Kastnerio elektrolizeris yra paprastos konstrukcijos, elektrolizės procesas vyksta prie žemų (320-330°C) temperatūrų. Pagrindinis jo trūkumas – naudojama palyginus brangi žaliava – švarus natrio hidroksidas. Todėl pastarąjį išstūmė kiti procesai, panaudojantys natrio chloridą.

Natrio chlorido elektrolizės procesai. Dar Faradėjus 1883 m. atliko eksperimentus, siekdamas gauti natrį elektrolizės būdu iš natrio chlorido. LLiteratūroje pateikiama visa eilė patentų apie natrio chlorido elektrolizę.

Viena iš labiausiai pavykusių elektrolizerių konstrukcijų – Daunso elektrolizės kamera. Daunso technologinio proceso privalumai – naudojama pigi žaliava (NaCl), susidaro vertingas šalutinis produktas (Cl2 dujos) ir pasiekiama didelė natrio išeiga pagal srovę. Be to sėkmingai išspręsta įrenginių apsaugos nuo korozijos problema.

Kadangi metalinis natris aukštose temperatūrose tirpsta išlydytame natrio chloride, būtina kiek galima daugiau sumažinti jo lydimosi temperatūrą. Beje, dėl šios priežasties ilgą laiką nepavyko išskirti natrio iš išlydyto natrio chlorido. Pasirodė, kad pridėjus kalcio chlorido, lydymosi temperatūrą galima žymiai sumažinti – nuo 800°C iki _600°C. Elektrolizės vonios lydimosi temperatūros sumažinimui įvairūs autoriai siūlė prie natrio chlorido pridėti CaCl2; KCl ir žemės šarminių metalų; KCl ir Na2CO3; KCl ir NaF, KF; NaF ir žemės šarminių metalų chloridų, Na2CO3 .

Norint gauti gerus rezultatus, elektrolizinant išlydytą NaCl, būtina:

1) anodas turi būti pagamintas iš grafito

2) numatyti būdus chlorui pašalinti iš anodinės erdvės

3) katodas turi būti metalinis, pageidautina iš geležies

4) numatyti būdus, kaip pašalinti natrį iš katodinės erdvės ir apsaugoti jį nuo galimos sąveikos su oksidatoriais

5) visos elektrolizerio dalys privalo būti atsparios ugniai

6) tarp elektrodinių polių lydynyje neturi būti jokių metalinių dalelių.

Daunso elektrolizės kamera pavaizduota piešinyje:

Kamera sudaryta iš akmeninio indo, kuriame yra grafitinis strypas

A (anodas) ir iš šonų geležiniai katodai K. Anodą dengia geležnis gaubtas 1 ant jo tinklelis 2, skiriantis anodinę ir katodinę erdves. Chloridų mišinys išlydomas elektros pagalba. Išsiskyręs ant katodo natris kyla į viršų ir geležiniais vamzdžiais 3,4 patenka į surinkėją 5. Tokiu būdu skystas natris apsaugomas nuo oro poveikio. Išlydytas natris turi iki 1% kalcio. Lėtai aušinant metalą, kalcio kiekis sumažinamas iki šimtųjų procento dalių – gaunamas techninės kvalifikacijos švarumo elementas. Toliau filtruojant 105-110°C temperatūroje, gaunamo natrio švarumas siekia 999,9% . Gaunamas chloras yra švarus, jį galima suslėgti ir panaudoti. Elektrolizei naudojama _7V įtampa, metalo išeiga pagal srovę siekia 80-85% . Vienam kilogramui natrio gauti reikalinga apie 11kW val energijos.

Paminėtini Akerio (Acker C.), Aškrofto (Ashkroft E.), Mak-Nito (Mc Nitt R.), Danielio (Daneel H.), Siuardo (Seward C.O.), Cibo (Ciba) ir kitų autorių sukurti elektrolizeriai natriui gauti.

Elektrolizės būdu natrį galima gauti iš išlydyto natrio karbonato, natrio tetraborato, natrio nitrato, natrio cianido, natrio sulfato ir natrio sulfido arba dvigubos elektrolizės metodu iš nnevandeninių jo druskų tirpalų (gautas natrio junginys arba jo amalgama antrą kartą elektrolizinama).

FIZINĖS SAVYBĖS

Gamtoje sutinkamas tik vienas stabilus izotopas Na23. Bombarduojant natrį neutronais, susidaro b aktyvus izotopas Na24 (skilimo pusperiodis T1/2=15,06 val). Iš viso žinomi 6 radioaktyvūs izotopai. Na22 skildamas sspinduliuoja pozitronus – teigiamas daleles, kurio masė artima ellektrono masei (T1/2=2,58 metų).

Simbolis Na

Atominis numeris 11

Atominė masė 23 (tiksli 22,989768)

Masės numeris 23

Protonų skaičius 11

Elektronų skaičius 11

Neutronų skaičius 12

Išorinių e konfigūracija 3s1

Atominis radiusas, Å 1,86

Jono radiusas, Å 0,92

Jonizacijos energija, eV

Na0 ® Na+ ® Na2+ ® Na3+ ® Na4+ 5,09; 46,65; 71,3; 99,0;

Spektrinės linijos, Å

(intesyvi geltona) 5890; 5896

Elemento tipas baltas metalas

Kristalinės gardelės tipas kūbinė centruota

Būvis kambario temperatūroje kietas

Tankis, Kg/m3 971

(H2O=1000)

Kietumas 0,5

(deimantas=10)

Virimo temperatūra, K 1156,1 (883°C)

Lydimosi temperatūra, K 370,96 (97,96°C)

Šiluminė talpa 0,29

(H2O=1)

Specifinis šiluminis laidumas, W/m·K 1230

Elektrinis laidumas 21

(Hg=1)

Specifinė varža, W m 4,3·10-8

Normalusis elektrodo potencialas, V –2,71

Magnetinės savybės paramagnetikas

Dielektrinė skvarbtis 60

Temperatūrinės priklausomybės

Tankio, Kg/m3 (kieto) dt=0,9725–0,0002011t–0,00000015t2

(skysto) dt=0,9490–0,000223t–0,0000000175t2

Klampumo, puazai (skysto) lgh= –1,09127+382(t+313)

Paviršiaus įtempimo, din/cm g=202–0,1t

Šiluminio laidumo, kal/cm·s·laipsn°C (kieto) k=0,324–0,00040t (0–97,83°)

(skysto) k=0,2166–0,000116t (iki 500°)

Elektrinės varžos, mW·cm (kieto) r=4,777+0,01932+0,00004t2 (0-97,83°)

(skysto) r=6,225+0,0345t (iki 400°)

Dujiniame būvyje (purpurinė spalva) natris sudarytas, daugiausia, iš vienatomių molekulių. Dimerų Na2 skaičius didėja, didėjant temperatūrai (600°K–0,008 dalis Na2; 650°K–0,013; 700°K–0,019; 750°K–0,025). Natrio dujų slėgis labai mažas (mm Hg sstulp.)–1,199·10-7 (100°C); 3,958 (500°C); 1998 (1000°C).

CHEMINĖS SAVYBĖS

Išorinio elektroninio sluoksnio struktūra leidžia manyti, kad natris neturėtų prisijungti elektronų. Kita vertus, vienintelio elektrono atidavimas turėtų vykti gana lengvai, susidarant vienvalenčiam katijonui. Natris iš tiesų lengvai atiduoda savo valentinius elektronus (po vieną vienam atomui) ir pasižymi ryškiomis redukcinėmis savybėmis.

Natrio hidroksidas – stipri bazė. Taigi, natris turi pilną kompleksą metalams būdingų cheminių savybių. Tai patvirtina ir fizinės šio elemento savybės.

Cheminis natrio aktyvumas didelis. Kai kurios natrio reakcijos su neorganinėmis medžiagomis pateikiamos llentelėje:

Elementas Cheminė saveika su Na

Deguonis reaguoja gana greitai

Azotas nereaguoja

Vandenilis greita reakcija, temperatūra virš 300°C

Vanduo greita reakcija

Anglis reaguoja prie 800-900°C

Amoniakas lėtai reaguoja

Anglies monoksidas nesant NH3 nereaguoja

Anglies dioksidas reaguoja

Halogenai:

Fluoras užsidega

Chloras reaguoja

Bromas lėta reakcija (praktiškai nevyksta)

Jodas nereguoja

Sieros rūgštis

šalta koncentruota intensyvi reakcija

šalta praskiesta labai intensyvi reakcija

Natrio reakcijoms su specifinėmis neorganinėmis medžiagomis skirta daug apžalginių straipsnių. Ypač gausiai tyrinėtos natrio reakcijos skystame amoniajake.

Reakcija su vandeniu. Kambario temperatūroje natris energingai reaguoja su vandeniu, susidarant natrio hidroksidui ir skiriantis vandeniliui. Reakcijos metu išsiskyrusios šilumos užtenka natriui išlydyti. Esant dideliam natrio paviršiaus kontaktui su vandeniu, reakcija lydima sprogimo.

Natris taip pat reaguoja su paprastu ledu, o vandenilio skyrimąsis nustoja, tik atšaldžius ledą iki -200°C. Kai kurių autorių duomenimis, reaguoti su vandeniu natris pradeda prie -80°C.

Natrio reakcijos su vandeniu:

Na + H2O ® NaOH + 1/2H2

šiluma DH0298= –33,67 kcal; skysto natrio su vandens garais –45,7 kcal.

Natrio reakcija su vandeniu plačiai taikoma praktikoje. Taip pvz., su natriu pašalinami drėgmės pėdsakai iš transformatorinių tepalų. Geri rezultatai gauti džiovinant natriu propilo, izoamilo, fenoksibutilo ir metilo spiritus. Natris gali būti panaudojamas vandens šalinimui iš piperidino ir kitų aminų.

Drėgmės šalinimui iš reagentų naudojami ir natrio-kalio lydiniai. Paskirsčius natrį kietame nešėjuje, patogu juo sausinti dujas.

Įdomu pažymėti, kad 1920 metais Vokietijoje vietoje degtukų buvo gaminamos natrio lazdelės. Jos buvo pardavinėjamos sausai įpakuotos. Norint įdegti ugnį, reikėjo atkirsti nnedidelį gabalėlį šių lazdelių ir patalpinti ant sudrėkinto vandeniu popieriaus lapo.

Natrio reakcijos su vandeniu pagalba buvo gauti vandenilio izotopai.

Reakcija su deguonimi. Drėgname ore metalinis natris greitai praranda savo sidabrinę spalvą ir tampa blankiai pilku, padengtu oksido plėvele. Ši plėvelė sugeria drėgmę ir anglies dioksidą iš oro, susidarant natrio hidroksidui ir karbonatui. Kaitinamas sausame ore natris užsidega, kai temperatūra artima jo virimo temperatūrai.

Vykstant oro ar deguonies sąveikai su natriu, susidaro jo oksido ir peroksido mišinys. Esant žemesnei nei 160°C temperatūrai ir nepakankant deguonies, susidaro tik natrio oksidas. Ilgą laiką buvo manoma, kad susidaro tik du deguoniniai natrio junginiai – oksidas Na2O ir peroksidas Na2O2. Vėliau nustatyta, kad egzistuoja ir peroksidas NaO2. Be to, egzistuoja ir natrio ozonidas NaO3. Išlydytas natris lengvai dega paprastoje atmosferoje – susidaro tiršti oksido dūmai. Iš pradžių, matyt, susidaro natrio peroksidas, kuris reaguoja su metalinio natrio pertekliumi susidarant oksidui.

Natrio reakcijų termodinamika su deguonimi pateikiama žemiau:

2Na(k) + 1/2O2(d) ® Na2O(k)

DH0298= –100,7 kcal

2Na(sk) + 1/2O2(d) ® Na2O(k)

DH0400= –104,2 kcal

2Na(k) + O2(d) ® Na2O2(k)

DH0298= –120,6 kcal .

Natrio ozonidas gaunamas, leidžiant ozoną per natrio tirpalą skystame amoniake. Susidaro oranžinės ar tamsios spalvos nuosėdos. Kai kurių autorių nuomone, natris savaime užsidega ozono atmosferoje.

Praktinį pritaikymą turi tik natrio peroksidas (stiprus ooksidatorius). Iš pradžių jis buvo naudojimas šiaudinių skrybėlių blukinimui, dabartiniu metu naudojamas celiuliozės masės balinimui popieriaus gamyboje, kadangi jam reaguojant su vandeniu susidaro natrio peroksidas:

Na2O2 + 2H2O ® 2NaOH + H2O2 + 34 kcal .

Žinomi sekantys natrio peroksido junginiai: Na2O2; Na2O2·H2O; Na2O2·2H2O; Na2O2·8H2O .

Natrio peroksidas naudojamas izoliuojančiose dujokaukėse ir povandeniniuose laivuose kaip deguonies šaltinis:

2Na2O2 + 2CO2 ® 2Na2CO3 + O2 + 111kcal .

Labaratorijose Na2O2 naudojamas stipriu oksidatoriumi, lydant metalus.

Reakcija su vandeniliu. Natris pradeda absorbuoti vandenilį maždaug 200°C temperatūroje, o 300-400°C temperatūroje proceso greitis suintensyvėja. Jei nesiimama specialių priemonių natrio dispergavimui, aplink jį susidaro kieto natrio hidrido plėvelė ir reakcija sustoja.

Natrio hidrido gavimo reakcija yra grįžtama:

2Na + H2 = 2NaH.

Susidarymo šiluma 13,8-15,69 kcal/mol . Kadangi reakcija grįžtama, norint gauti produktą, vandenilio slėgis turi būti didesnis už natrio hidrido disociacijos slėgį.

Natrio hidridas yra stiprus reduktorius, ypač aukštesnėse temperatūrose. Jis reaguoja su daugeliu oksidatorių, halogenais ar įvairiais jų kovalentiniais junginiais. Natrio hidridas redukuoja sieros rūgštį iki sieros vandenilio ir laisvos sieros. Metalurgijoje vartojamas oksidinių plėvelių pašalinimui nuo paviršiaus. Kasmet sunaudojama virš 1000 t natrio hidrido.

Reakcijos su halogenais. Natrio sugebėjimas reaguoti su halogenais nevienodas. Susilietęs drėgnas natris ir fluoras užsidega. Fluoro atmosferoje natris pasidengia fluorido plėvele.

Su chloru natris nereaguoja –80°C temperatūroje.

Su sausu chloru kambario temperatūroje natris reaguoja silpnai, tačiau išlydytas – dega chloro atmosferoje susidarant natrio chloridui.

Natrio reakcija su bromu vyksta tik ant paviršiaus ir 300°C temperatūroje. Kai kurie autoriai nurodo, kad jungiantis šiems elementams, gali įvykti net sprogimas.

Lydimas jodas ir natris nereaguoja, bet 300-360°C temperatūroje gali vykti paviršinė reakcija.

Termodinaminės natrio reakcijos su halogenais:

Na(k) + 1/2F2(d) ® NaF(k)

DH0298= –136,0 kcal

Na(k) + 1/2Cl2(d) ® NaCl(k)

DH0298= –98,23 kcal

Na(k) + 1/2Br2(sk) ® NaBr(k)

DH0298= –86,03 kcal

Na(k) + 1/2J2(k) ® NaJ(k)

DH0298= ––68,84 kcal .

Reakcijos su amoniaku. Natrio reakcija su amoniaku, esant kokso, kurios metu susidaro natrio cianidas, yra viena iš svarbiausių pramonėje šio metalo reakcijų (žr. skyr. “natrio junginiai ir jų panaudojimas”). Tiesa, pastaruoju metu ciano vandenilio rūgštis gaunama tiesioginės sintezės metu, ir šios reakcijos reikšmingumas šiek tiek sumažėjo.

Tirpdamas skystame amoniake, natris disocijuoja į teigiamus metalo jonus ir elektronus, kurie yra sugaudomi tirpiklyje. Natrio kompleksiniai junginiai su metalais yra aprašyti daugelio autorių specialioje literatūroje.

Žemose temperatūrose labiausiai koncentruoti natrio tirpalai yra ssudaryti iš dviejų fazių: praskiestos-tamsiai mėlynos dugne ir virš jos koncentruotos-bornzos spalvos. Natrio tirpalai skystame amoniake skirstomi į dvi kategorijas – katalizinius ir nekatalizinius.

Aktyvūs metalai, tokie kaip geležis, kobaltas ir nikelis skaldo tamsiai mėlyną natrio tirpalą amoniake – susidaro nnatrio amidas. Šia reakcija pagrįstas vienas iš pramoninių natrio amido NaNH2 gamybos būdų. Didžiausi amido kiekiai pagaminami tiesioginės amoniako ir natrio sąveikos metu:

2Na + 2NH3 ® NaNH2 + H2 .

Reakcija gali būti vykdoma trimis metodais – esant aukštai 300-400°C (išlydytas natris ir dujinis amoniakas), vidutinei 140-170°C (skystas natris ir dujinis amoniakas) ir žemai -30°C (kietas natris ir kietas amoniakas) temperatūroms.

Išlydytas NaNH2 pasižymi dideliu reakcingumu. Jis reaguoja su anglies monoksidu, susidarant natrio cianidui, su anglies dioksidu – susidaro natrio ciano amidas, natrio karbonatas ir natrio cianatas. Išlydytas natrio amidas reaguoja su stiklu.

Natrio amidas naudojamas sintetinio dažo indigo, vitamino A ir kitų organinių junginių sintezėje.

Kitos reakcijos. Siera , selenas ir teliūras energingai reaguoja su natriu, susidarant sulfidams (Na2S, Na2S2, Na2S3, Na2S4 iir Na2S5), selenidams ir teliūridams.

Kambario temperatūroje natris nereaguoja su anglimi, tačiau 800-900°C temperatūroje natrio garai su anglimi sudaro karbidus Na2C2. Natrio junginiai su grafitu išreiškiami formulėmis NaC8 ir NaC16.

Natrio sąveika su azotu normaliomis salygomis nevyksta. Yra duomenų, kad iki 300°C sausas azotas natrio atžvilgiu išlieka inertiškas. Aukštesnėse temperatūrose susidaro du reakcijos produktai: natrio azidas NaN3 ir natrio nitridas Na3N.

Šildant natrį su fosforu be oro, susidaro fosfidas. Oro astmosferoje reakcija lydima liepsnos – susidaro natrio fosfatas. Reaguojant natriui su ffosforu, gali būti gaunami sekantys junginiai: NaP3, Na2P5 ir Na3P . Raudonasis fosforas reaguoja su natriu skystame amoniake; susidaro NaP3·3NH3.

Šildant su selenu, susidaro įvairūs natrio selenidai: Na2Se, Na2Se2, Na2Se3, Na2Se4 ir Na2Se6.

Natris redukuoja daugelį metalų (išskyrus Al, Mg ir šarminius žemės metalus) iš jų oksidų. Pastaruoju metu padidintas dėmesys skiriamas sunkiai besilydančių metalų (pvz., titano, cirkonio ir kt.) gavimo tyrinėjimams, panaudojant reduktoriumi natrį.

Metalinis natris energingai reaguoja su daugeliu neorganinių halogeninių junginių. Tokių reakcijų metu šiuolaikinėje miltelių metalurgijoje gaunama geležis, cirkonis, berilis ir kt. metalai. Reakcija su geležimi vyksta pagal lygtį:

FeCl3 + 3Na ® Fe + NaCl .

Kai kurios reakcijos su organiniais junginiais. Natris yra plačiai naudojamas organinėje sintezėje. Natrio panaudojimas organinėse reakcijose yra plačiai aprašytas specialiuose apžvalginiuose darbuose.

Svarbiausia dabartiniu metu pramoninę reikšmę vis dar turi natrio panaudojimas tetraetilšvino gamybai, kuris pasižymi antidetonacinėmis motorinio kuro savybėmis. Pagrindinė reakcija yra

4PbNa + 4C2H5Cl ® (C2H5)4Pb + 3Pb + NaCl .

Kitos svarbesnės natrio reakcijos ir susidarę produktai pateikiami lentelėje:

Reakcija Produktas

Esterių susidarymo iš alkoholiatų C6H5CH2OC2H5

Fitigo sintezė (alkilaromatinių angliavandeniliųgavimas) C6H5C2H5

Alkilinimo (aukštesniųjų šakotųjų spiritų ir eterių gavimas) CH3COCH(C2H5)CO2C2H5

Kondensacijos su alkoholiatais (esterių C2H5CH(CO2C2H5) 2

gavimas) CH3COCH2CO2C2H5

CH3COCH2COCO2C2H5

Perkino sintezė (cinamono rūgščių gavimo) C6H5CH=CHCO2H

Pinakolo sintezė pinakolas

Orto skruzdžių eterio sintezė HC(OC2H5)3

Ketonų gavimo iš rūgščių druskų sausos (CH3) 2CO

destiliacijos būdu (C6H5)2CO

Praktinę reikšmę turi natrio reakcijos su alkoholiais, kurių metu gaunami alkoholiatai vvėliau panaudojami įvairių esterių sintezei.

Reaguodamas natris su kai kuriais polihalogeniniais angliavandeniliais sprogsta. Pvz., natrio-kalio lydinio su anglies tetrachloridu mišinio jautrumas sprogimui yra 150-200 kartų didesnis, negu sprogstamojo gyvsidabrio. Natrio ir kalio sprogimo reakcija su chloroformu panaudojama bomboje. Literatūroje galima sutikti ir kitas sprogstamasias sistemas su natriu.

NATRIO PANAUDOJIMAS

Metalinis natris (grynas ar jo lydiniai su kitais metalais) plačiai panaudojamas pramonėje. Ilgą laiką dižiausias natrio kiekis (lydinys 10% Na ir 90% Pb) buvo sunaudojamas tetraetilšvino ir įvairių esterių gamyboje bei natrio cianido gamyboje.

Kadangi metalinis natris lydosi prie 98°C temperatūros, o verda tik 883°C, jis plačiai panaudojamas šilumos nešėju aviacijos variklių vožtuvuose, liejimo mašinų plunžerių aušinimui, o taip pat eilėje cheminių procesų, užtiktrinant tolygų šildymą 450-650°C temperatūroje. Dėka aukštos virimo temperatūros, mažo neutronų sugaudymo radiuso ir didelio šilumos atidavimo koeficiento natris panaudojamas skystu šilumos nešėju branduolinėje energetikoje. Pvz., amerikietiškose atominėse povandeninėse valtyse panaudojami energetiniai įrenginiai su natrio kontūrais. Reaktoriaus viduje išsiskyrusi šiluma įkaitina natrį, kuris cirkuliuoja tarp reaktoriaus ir garo generatoriaus ir aušdamas gamina vandens garus, panaudojamus garo turbinai sukti.

-Metalurgijjoje natris naudojamas įvairiems metalams redukuoti ir jų junginiams gauti. Pvz., švino lydinys, turintis 0,58% Na; 0,04% Li; 0,73% Ca yra labai kietas ir naudojamas vagonų ašių guoliams gaminti.

Charakteringas natrio garų ššvytėjimas naudojamas specialiuose šviestuvuose. Pažymėtina, kad paleidžiant kosminį palydovą į Mėnulį 1959 m. buvo išleistas natrio dujų debesis, pagal kurio švytėjimą buvo tikslinama pastarojo trajektorija.

Organinėje sintezėje natrio panaudojimas prasidėjo nuo kondensacijos reakcijų – 1850 m. Viljamsonas gavo eterius. Viurcas 1885 m. sintezavo 2,5-dimetilheksaną iš 2-etilbrompropano ir natrio, o Fitigas 1863 m. šį principą panaudodo alkil aromatinių angliavandenilių sintezėje. Kitas klasikinis pavyzdys – Klaizeno 1863 m. kondensacijos reakcija, kurios metu susintetintas acto rūgšties etilo esteris.

Natrio organiniai junginiai yra daugelio vaistinių preparatų sudėtyje (norsulfazolas, natrio salicilatas ir kt.), fiziologiniuose tirpaluose.

Radioaktyvus natrio izotopas Na24 naudojamas medicininėje diagnostikoje ir kai kurių leukemijos formų gydimui.

Analitinis nustatymas. Natrio jonus tirpale nustatyti sudėtinga, visų pirma, dėl didelio daugumos druskų tirpumo. Kokybiškai natris dažnai nustatomas pagal charakteringą geltonos liepsnos spalvą. Natrį nustatyti galima ir mikroskopo pagalba pagal nusodintų trietanol aminodinitrocikloheksafenoliatų kristalų formą. Kiekybinis natrio nustatymas svorio metodu grindžiamas jo nusodinimu dvigubomis uranilo druskomis.

Kiekybiškai natris nustatomas šiais metodais:

1) uranilacetatiniu (nusodinamas NaZn(UO2)3(CH3COO)9·6H2O)

2) magnio uranilacetatiniu (nusodinamas NaMg(UO2)3(CH3COO)9·6H2O )

3) modifikuotu uranilacetatiniu

4) centrifūginiu

5) poliarografiškai redukuojant uranilo joną

6) panaudojant dihidroksi vynoakmens rūgštį

7) panaudojant kalio-cezio-bismuto nitratą

8) radiometriškai

9) chromotografiškai

10) liepsnos fotometrijos

11) nefeliometriniu

12) mikroanalizės

13) kalorimetriniu

14) spektrometriniais (rentgeno struktūr. analizė, BMR ir kt.)

Saugumo technika. Dirbant su natriu, būtina laikytis tam tikrų saugumo priemonių. Natris laikomas po inertinio

skysčio sluoksniu (žibalas ir pan.) pervežamas tik uždaruose induose ir specialiai įrengtuose cisternose. Darbo su natriu metu reikia naudoti specialius rūbus, gumines pirštines, akinius ar apsaugines kaukes. Darbo vietose privalo būti priešgaisrinis inventorius, o gesintuvai užpildyti sausu natrio chloridu, natrio karbonatu, grafitu ir pan. Ugnį gesinti vandeniu, esant natrio, kategoriškai draudžiama, nes gali įvykti sprogimas.

NATRIO JUNGINIAI, JŲ GAVIMAS, SAVYBĖS IR PANAUDOJIMAS

Natrio junginiai labai paplitę gamtoje. Kaip minėta, jie randami natrio chlorido, natrio nitraro, natrio sulfato, įvairių lauko špatų ar kitokių mmineralų pavidalu. Praktikoje plačiai panaudojamos šio metalo druskos.

Junginiai. Natrio jonas yra bespalvis, teigiamas, vienvalentis. Beveik visos druskos tirpsta vandenyje. Silpnųjų rugščių druskų tirpalai dėl hidrolizės turi šarminę reakciją.

Natrio hidridas (žr. skyr. “reakcija su vandeniliu”).

Natrio oksidas, peroksidas (žr. skyr. “reakcija su deguonimi”).

Natrio hidroksidas. NaOH – balta, kristalinė, trapi ir labai higroskopinė medžiaga, kurios lyginamasis svoris 2,13 (g/cm3). Laboratorijose naudojama lazdelių, žirnelių arba žvynelių pavidale. Natrio hidroksidas lydosi, o prie aukštesnių temperatūrų išgaruoja. Tirpinant vandenyje, susidaro įvairūs hidratai (nuo vienos iiki septynių molekulių vandens) ir išsiskiria dideli šilumos kiekiai. Toks tirpalas vadinamas natrio šarmu . Jis sugeria iš oro anglies dioksidą ir virsta karbonatu:

2NaOH + CO2 ® Na2CO3 + H2O .

Natrio hidroksido tirpumas:

0 20 100 °C

42 109 342 % (g NaOH 100g H2O)

Natrio hidroksidas aardo odą, audinius, popierių ir kitas organines medžiagas.

Gavimas. NaOH gaunamas, elektrolizuojant valgomosios druskos NaCl vandeninius tirpalus. Prie geležinio katodo skiriasi vandenilis, o prie grafitinio anodo – chloras. Ant elektrodų vyksta sekančios reakcijos:

AnodasCl– – e ® 1/2Cl2 Katodas1) H+ + e ® 1/2H 2) H2O = H+ + OH– 3) H2O + e ® 1/2H2 + OH–

Iš pateiktų lygčių matyti, kad katodinės reakcijos mechanizmas sudėtingesnis, negu anodinės. Kadangi vandenilio išsiskyrimo viršvoltažis žymiai mažesnis už natrio, vandenilis skiriasi ant katodo. Dėka to, atsilaisvina atitinkamas kiekis hidroksilo jonų. Sumarinis katodinis procesas aprašomas lygtimi 3) . Pasišalinus iš tirpalo Cl– jonams, (dėl jų išsikrovimo ant anodo) tirpale susikaupia ekvivalentinis kiekis natrio jonų. Pastariesiems susijungus su OH– jonų pertekliumi katodinėje srityje, kaupiasi nnatrio hidroksidas. Svarbu, kad elektrolizės produktai negalėtų susimaišyti, nes laisvas chloras su natrio hidroksidu gali duoti natrio hipochloritą – NaOCl. Šiai reakcijai užkirsti siūlomi sekantys būdai: diafragminis, būgninis ir gyvsidabrinis. Plačiausiai naudojamas diafragminis būdas elektrolizerio sritims atskirti labiausiai paplitusiose Europoje Simenso-Biliterio kamerose. Literatūroje pateikiamas detalus įvairių konstrukcijų elektrolizerių aprašymas.

Techninis natrio šarmas taip pat gaunamas virinant sodos tirpalą su gesintomis kalkėmis:

Na2CO3 + Ca(OH)2 ® 2NaOH + CaCO3 .

Reakcijai pasibaigus, tirpalas nupilamas nuo kalcio karbonato nuosėdų ir išgarinamas. Tokiu būdu ggautas šarmas vadinamas “kaustine soda”.

Natrio hidroksidas plačiai naudojamas technikoje muilui virti, dažų pramonėje, šilkui gaminti, naftos produktams valyti, farmacinių gaminių pramonėje, laboratorijose. Virinant šiaudus ar medieną su natrio šarmu, gaunama celiuliozė popieriaus pramonėje.

Natrio chloridas – valgomoji druska, tirpi kristalinė medžiaga. Tirpumas mažai kinta nuo temperatūros. Kasamas iš žemės NaCl vadinamas akmens druska (halitas). Žinomiausios kasyklos yra Šiaurės Vokietijoje, Veličkoje (Lenkija), buvusioje SSRS (Užbaikalė, Solikamskas).

Gavimas. Natrio chloridas gaunamas, pagrindinai, trimis būdais: 1) kalnakasybos būdu gautą halitą perdirbant ar išgarinant gamtinius tirpalus, 2) tirpdant po žeme ir išgarinant akmens druską, 3) iš sūriųjų jūros ir ežerų vandenų – garinant ar išsodinant šaldant NaCl iš tirpalų. Techniniams poreikiams NaCl daugiausia gaunamas pirmuoju būdu – šiuo atveju NaCl šalutinis produktas, gaunant kalio druskas. Akmens druska yra užteršta kalcio ir magnio sulfatais. Ekenominiais sumetimais natrio chlorido gavimui naudojama tik švari, turinti 98-99% NaCl, akmens druska. Labiau užteršta druska neišgaunama, o paliekama šachtoje.

Valgomoji druska, kurios švarumui taikomi didžiausi reikalavimai, gaminama išgarinant natūralius ar dirbtinius druskingus tirpalus. Dabartiniu metu, daugeliu atveju, tirpalai persotinami akmens druska. Grynas natrio chloridas ne higroskopinis – tik priemaišos “padaro” šią druską drėgna. Natrio chloridas kristalinasi taisyklingų kūbų pavidale, specifinis svoris 2,17. Virš lydimosi temperatūros (801°C) pastebimai lakus.

Valgomoji ddruska būtina gyvam organizmui, ypač dominuojant augalinės kilmės produktams mytybos racione. Todėl jos pridedama į galvijų maistą. Daug NaCl sunaudojama maisto pramonėje sūdymui, konservavimui. Medicinoje naudojamas fiziologinis druskos tirpalas – 0,9% NaCl.

Didžiuliai NaCl kiekiai sunaudojami pramonėje beveik visų kitų natrio junginių gamybai. Tai svarbiausia žaliava chloro ir druskos rūgšties, sodos, natrio hidroksido ir kt. junginių gamybai. Pramonėje natrio chloridas naudojamas muilo ir organinių dažų išsūdymui, metalurginiuose procesuose, odų sūdymui, molinių dirbinių glazūravimui, sniego tirpimo pagreitinimui, šaldomųjų mišinių gamybai ir t.t.

Natrio karbonatas. Na2CO3 – balti milteliai, kurių lyginamasis svoris 2,4-2,5, lydimosi temperatūra _850°C. Jie gerai tirpsta vandenyje, tirpdami šyla, nes susidaro dekahidratas. Na2CO3 vadinamas kristaline ar skalbiamaja soda. Žinomi mono- ir hepta- hidratai.

Nedideli sodos kiekiai randami gamtoje kai kurių ežerų vandenyje (Kalifornija, Sibiras). Ovenso ežere (Kalifornijos valstija) sodos kiekis vandenyje siekia 100 mln. tonų. Ežerų vandenyse be sodos yra hidrokarbonato. Kai kuriose vietose sutinkami dvigubi hidrokarbonato ir karbonato junginiai Na2CO3·NaHCO3, vadinami trona. Natrio karbonato yra kai kuriuose jūros augaluose. Prieš šimtą metų soda dažnai buvo gaunama iš jūros žolių pelenų.

Gavimas. Dabartiniu metu ji gaminama vadinamuoju Solvėjaus (amoniakiniu) būdu iš NaCl. Į koncentruotą NaCl tirpalą slegiant leidžiamas amoniakas ir anglies dioksido dujos, kurios gaunamos kaitinant kalkakmenį:

NaCl + NH3 ++ CO2 + H2O ® NaHCO3 + NH4Cl .

Mažai tirpus NaHCO3 nusėda, o NH4Cl lieka tirpale. Kaitinant NaHCO3, gaunama bevandenė kalcinuota soda:

2NaHCO3 ® Na2CO3 + CO2 + H2O .

Susidaręs NH4Cl kaitinamas su gesintomis kalkėmis:

2NH4Cl + Ca(OH)2 ® CaCl2 + 2H2O + 2NH3 .

Regeneruotas amoniakas ir CO2 , gautas kaitinant NaHCO3 , gražinami į gamybą. Tokiu būdu sodą 1863 m. gavo belgas Solvėjus. Gaunama soda yra labai švari.

Senesnis Leblano (1791 m.) metodas, pagal kurį akmens druska apdorojama sieros rūgštimi

2NaCl + H2SO4 ® Na2SO4 + 2HCl .

Gautas natrio sulfatas sumaišomas su kalcio karbonatu bei anglimi ir lydomas krosnyje

Na2SO4 + 2C ® Na2S + CO2 ;

Na2S + CaCO3 ® Na2CO3 + CaS .

Atšaldyta masė paveikiama vandeniu – nusėda netirpus CaS.

JAV soda buvo gaunama iš kriolito, kaitinant su kalkakmeniu:

Na3AlF6 + 3CaCO3 ® Na3AlO3 + 3CaF + 3CO2 .

Gautas natrio aliuminatas skaldomas vandeniu ir anglies dioksidu:

2Na3AlO3 + 3H2O + 3CO2 ® 3Na2CO3 + 2Al(OH)3 .

Soda yra vienas svarbiausių produktų chemijos pramonėje. Dideli jos kiekiai sunaudojami stiklo, tekstilės, naftos, muilo, popieriaus pramonėje, taip pat vandens mikštinimui garų katiluose. Soda – pagrindinė žaliava gaminant tokius natrio junginius kaip natrio hidroksidą, natrio tetraboratą, fosfatą, tirpų stiklą ir kitus. Cheminėse laboratorijose plačiai naudojama lydymams paverčiant netirpius silikatus,

sulfatus ir kt. uolienas tirpiais karbonatais. Namų ūkyje naudojama kaip valymo priemonė.

Natrio hidrokarbonatas. NaHCO3 arba geriamoji soda – balti blogai tirpstantys šaltame vandenyje milteliai. Gamtoje NaHCO3 aptinkamas daugelio gydomųjų šaltinių vandenyje. Vandeniniai tirpalai turi silpnai šarminę reakciją. Vandeniniame tirpale (arba šlapias) natrio hidrokarbonatas lėtai išskiria CO2. Virš 65°C CO2 skyrimąsis tampa energingas.

Gavimas. Natrio hidrokarbonatas gaunamas leidžiant anglies dioksidą per šaltą sotų Na2CO3 tirpalą:

Na2CO3 + CO2 + H2O ® 2NaHCO3 .

Natrio hidrokarbonatas – tarpinis produktas, gaminant natrio karbonatą Solvėjau bbūdu.

Natrio hidrokarbonatas vartojamas gaivinamiems gėrimams, vaistams gaminti. Pagrindinė užpildančioji medžiaga tablečių gamyboje yra NaHCO3. Anksčiau geriamoji soda buvo naudojama skrandžio rūgštingumui mažinti.

Natrio cianidas. Didžiausi metalinio natrio kiekiai po tetraetilšvino ir sudėtingų esterių gamybos sunaudojami natrio cianido gamybai. NaCN – tai nepaprastai nuodinga, balta, kristalinė medžiaga. Lydimosi temperatūra 564°C, virimo temperatūra 1500°C. Virš 600°C NaCN pradeda skilti ir azoto atmosferoje disocijuoja, išsiskiriant azotui, natrio karbidui, natriui ir angliai. Vandenyje vyksta natrio cianido hidrolizė.

Gavimas. Pramoniniu būdu natrio cianidas gaunamas reaguojant natriui, aamoniakui ir koksui. NaCN gamybai gali būti panaudojamas bet kuris iš šių būdų:

1) Iš natrio, anglies ir azoto junginių. Tai plačiai palitęs būdas.

2) Iš natrio karbonato pagal Bušerio metodą:

Na2CO3 + 2C ® 2Na + 3CO

2Na +2C ® Na2C2

Na2C2 + N2 ®® 2NaCN

Na2CO3 + 4C + N2 ® 2NaCN + 3CO

CaCN2 + 2NaCl + C ® CaCl2 + 2NaCN

CaCN2 + CaC2 + Na2CO3 ® Ca(CN)2 + 2CaO + Na2O + 4C

Ca(CN)2 + CaO + Na2O + 4C ® 2NaCN + 3CaO + 4C .

Šis metodas buvo naudojamas pramonėje.

4) Iš metalų nitridų, natrio ir anglies.

5) Iš metalų karbidų ir natrio druskų, esant azoto. Dažniausiai naudojamas kalcio karbidas.

6) Iš kitų cianidų. Pirmą kartą natrio cianidas buvo gautas iš kalcinuotos sodos ir kalio ferocianido.

7) Redukuojantmetalų oksidus:

MO + 2C + Na + 1/2N2 ® M + NaCN + CO .

Kastnerio metodas. Pagal šį metodą reaguoja azotas su įkaitintos anglies ir natrio mišiniu. Vietoje azoto kartais naudojamas amoniakas. Šis procesas, kuriame susidaręs natrio amidas rreaguoja su medžio anglimi, susidarant NaCN, dabartiniu metu plačiausiai naudojamas grynam natrio cianidui gauti. Procesas vyksta pagal lygtis:

2NaNH2 + C ® Na2CN2 + 2H2

Na2CN2 + C ® 2NaCN .

Natrio cianidas panaudojamas neorganinėje ir organinėje cheminėje technologijoje, metalurgijoje ir kitose srityse. Neorganinėje technologijoje jis panaudojamas ciano vandenilio rūgšties gamyboje. Organinėje technologijoje NaCN naudojamas nailono gamyboje. Metalo apdirbamojoje pramonėje NaCN naudojamas įvairioms galvaninėms dangoms gauti, auksui iš rūdų gauti, plieno paviršiaus sukietinimui.

Natrio sulfatas. Na2SO4 – bespalviai kristalai, sudarantys keletą modifikacijų. Žinomas metastabilus hhidratas Na2SO4·7H2O, kuris iškrenta iš koncentruotų natrio sulfato tirpalų juos atšaldžius iki 12°C. Na2SO4 sudaro kietus tirpalus su daugeliu druskų (Li2SO4, K2SO4, Na2CO3), o taip pat dvigubas druskas su kitais sulfatais; kai kurie iš jų sutinkami gamtoje: Na2SO4·MgSO4·4H2O (astrachanitas), Na2SO4·CaSO4 (glauberitas), Na2SO4·3K2SO4 (glazeritas), 2Na2SO4·2Na2CO3 (berkeitas).

Gamtoje Na2SO4 randamas mineralo mirabilito Na2SO4·10H2O, tenardito Na2SO4 bei kitų mineralų pavidalu, aptinkamas taip pat ištirpęs įvairiuose šaltiniuose. Kaip pašalinis produktas, dideliais kiekiais jis gaunamas gaminant druskos rūgštį iš natrio chlorido ir sieros rūgšties. Gaminant kalio chloridą, pašaliniais produktais yra NaCl ir MgSO4. Šaldant šį tirpalą (t<32°C) kristalizuojasi Na2SO4·10H2O druska:

2NaCl + MgSO4 = MgCl2 + Na2SO4 .

Kaitinama virš 32°C ši druska lydosi nuosavame kristalizaciniame vandenyje, sudarydama bevandenę druską.

Natrio sulfatas lengvai sudaro persotintus tirpalus. Natrio sulfatas, turintis kristalizacinio vandens, vadinamas Glauberio druska. Šią druską dar 1658 m. išskyrė Glauberis, gamindamas druskos rūgštį iš natrio chlorido ir sieros rūgšties.

Įdomu pažymėti, kad bevandenio natrio sulfato ir jo dekahidrato pusiausvyros temperatūra yra griežtai fiksuota – 32,383°C. Ją galima pasiekti ir atkartoti be vargo visada. Tirpdamas vandenyje, kristalinis natrio sulfatas stipriai atšaldo vandenį (–18,86 kcal/mol). Jis kartais naudojamas kaip šaldančioji priemonė.

Technikoje dažniausiai naudojamas bevandenis natrio sulfatas. Dideli jo kiekiai sunaudojami stiklo, celiuliozės, odų, tekstilės, mineralinių dažų gamyboje ir kt. BBevandenis natrio sulfatas naudojamas dujoms ir kitoms medžiagoms gaminti. Jis taip pat vartojamas medicinoje ir veterinarijoje.

Natrio hidrosulfatas. Rūgštus natrio sulfatas NaHSO4 – bespalvė, lengvai tirpstanti druska susidaro, šildant natrio chloridą su koncentruota sieros rūgštimi:

H2SO4 + NaCl ® NaHSO4 + HCl .

Stipriau kaitinamas su natrio chloridu, pereina į neutralų sulfatą:

NaHSO4 + NaCl ® Na2SO4 + HCl .

Šildomas hidrosulfatas netenka vandens – susidaro pirosulfatas Na2S2O7, kuris skyla iki sulfato ir sieros trioksido:

2NaHSO4 ® Na2S2O7 + H2O

Na2S2O7 ® Na2SO4 + SO3 .

Natrio hidrosulfatas ir pirosulfatas vartojami mažai tirpių junginių cheminėje analizėje.

Natrio sulfitas. Na2SO3 – bespalviai heksagonalinės sistemos kristalai, pakankamai gerai tirpstantys vandenyje (21g 100g H2O, 20°C). Temperatūrų intervale nuo –3,45 iki 33,4°C kristalizuojasi heptahidrato pavidale – Na2SO3·7H2O. Natrio sulfato tirpalai turi šarminę reakciją, juos rūgštinant, išsiskiria SO2. Natrio sulfitas – stiprus reduktorius. Vandeniniuose tirpaluose jį lengvai oksiduoja deguonis.

Natrio sulfitas gaunamas vykstant Na2CO3 ir SO2 tirpalų sąveikai. Sotinimas vykdomas tol, kol gaunamas 45-47% NaHSO3 tirpalas. Tirpalas neutralizuojamas soda ir šaldant kristalinamas Na2SO3·7H2O. Bevandenis natrio sulfitas gaunamas išgarinant koncentruotą tirpalą.

Vartojamas fotografijoje, vaistų pramonėje, medicinoje ir sintetinių pluoštų gamyboje.

Natrio tiosulfatas (kartais neteisingai vadinamas hiposulfitu). Na2S2O3 – tai bespalviai kristalai, gerai tirpstantys vandenyje. Kaitinamas iki 300°C skyla į Na2SO3 + S; 6600°C – į Na2SO4 + Na2S5 . Iki 120°C atsparus oro poveikiui, o prie didesnių temperatūrų oksiduojasi. Iš vandeninių tirpalų prie skirtingų temperatūrų kristalinasi įvairūs hidratai – Na2S2O3·1/2H2O; Na2S2O3·2H2O; Na2S2O3·5H2O. Žinoma visa eilė metastabilių jo hidratų.

Natrio tiosulfatas – stiprus reduktorius. Stiprūs oksidatoriai jį oksiduoja iki sulfato, vidutinio stiprumo – iki sulfato ir sieros, o silpni (pvz., jodas) – iki tetrationato Na2S4O6. Tuo paremtas jo taikymas tūrinėje analizėje (jodometrija). Vandeniniai tirpalai turi neutralią reakciją; juos parūgštinus išsiskiria siera.

Gaunamas tirpdant susmulkintą sierą karštame natrio sulfito tirpale

Na2SO3 + S ® Na2S2O3

arba reaguojant natrio hidrosulfidui su bisulfitu:

2NaHS + 4NaHSO3 ® 3Na2S2O3 + 3H2O .

Natrio tiosulfatas plačiai vartojamas fotografijoje vaizdo fiksavimui, t.y. jo apsaugojimui nuo tolesnio šviesos poveikio. Šio proceso metu jis tirpdo sidabro halogenidus, susidarant Ag kompleksiniams junginiams pagal schemą:

2Na2S2O3 + AgHal ® Na3[Ag(S2O3) 2] + NaHal .

Natrio tiosulfatas naudojamas tekstilės pramonėje chloro pėdsakų pašalinimui audinių balinimo metu, medicinoje,veterinarijoje ir kaip analitinis reagentas.

Natrio nitratas. NaNO3 vadinamas Čilės salietra. Dideliais kiekiais randamas Ramiojo vandenyno pakrantėse, Čilėje, Egipte ir kitur. Tai bespalviai gerai tirpūs vandenyje heksagonalinės struktūros kristalai. Lydimosi temperatūra 308°C. Virš lydimosi temperatūros skyla į NaNO2 ir O2. Dar aukštesnėse temperatūrose skyla į Na2O2 ir Na2O.

Natrio nitratas gerai tirpsta skystame amoniake.

Sudaro lengvai besilydančius eutektinius mišinius su daugeliu druskų, yra stiprus oksidatorius.

Pramonėje gaunamas oksiduojant azoto rūgštimi natrio nitritą, gautą absorbuojant azoto oksidus šarmuose. Dideli kiekiai gaunami, sodą veikiant azoto rūgštimi.

Naudojamas kaip azotinės trąšos ar komponentas grūdinimo voniose metalurgijoje ir oksidatorius stiklo pramonėje.

Kiti junginiai.

Natrio nitritas. NaNO2 – bespalviai ar silpnai gelsvi kristalai; vidutinio stiprumo oksidatorius. Nuodingas. Gaunamas garinant azoto oksidų prisotintus šarmų tirpalus. Naudojamas dažų, jodo gamyboje, maisto pramonėje ir medicinoje.

Natrio silikatas. Silikatai aprašomi bendra formule xNa2O·ySiO2 (x,y= 1-3) . Gaunami kkristalinant atitinkamos sudėties stiklus. Vandeniniai silikatų tirpalai vadinami skystu stiklu ir gaunami maišant įvairiais santykiais Na2O ir SiO2. Plačiai vartojami gaminant įvairius stiklus ir kaip plovimo priemonė cheminėje technologije.

Natrio fosfatas. Ortofosforo rūgštis sudaro tris natrio druskas – NaH2PO4, Na2HPO4 ir Na3PO4 . Kaitinant NaH2PO4, gaunamas Na2H2P2O7 ir polimerinis natrio metafosfatas (NaPO3)x, x=2-6. Kaitinamas Na2HPO4 pereina į pirofosfatą Na4P2O7. Praktinę reikšmę turi pentanatrio trifosfatas Na5P3O10 .

Dauguma fosfatų tirpūs vandenyje. Gaunami neutralizuojant kalcinuotos sodos ir natrio hidroksido tirpalus fosforo rūgštimi. Natrio ffosfatai naudojami, daugiausia, kaip plovimo ir vandenį minkštinančios priemonės. Natrio fosfatai taip pat naudojami rūdų sodrinimui, tekstilės ir odų pramonėje, įvairiose maisto pramonės šakose, fotografijoje, elektrolitiniuose procesuose.

Natrio fluoridas. NaF – bespalviai kristalai, mažai tirpūs vandenyje. Gamtoje sutinkamas mineralo viljonito pavidale, įįeina į kriolito ir kitų mineralų sudėtį. Gaunamas lydant lauko špatus su soda ir silicio dioksidu. Naudojamas medienos koncervavimui, kovoje su žemės ūkio kenkėjais, fliusų ir emalių gamyboje, vandens fluoravimui.

Natrio bromidas. NaBr – bespalviai kristalai, gerai tirpstantys vandenyje. Sudaro hidratus – NaBr·2H2O ir NaBr·5H2O. Gaunamas natrio šarmo tirpalus veikiant bromu, esant reduktorių. Naudojamas medicinoje ir fotografijoje.

Natrio jodidas. NaJ – gerai tirpstantys vandenyje kristalai. Veikiamas šviesos ir deguonies geltonuoja, išsiskiriant jodui. Higroskopinis. Gaunamas tūrinės reakcijos tarp Fe3J8 ir Na2CO3 metu. Vartojamas medicinoje.

Natrio hopofosfitas. NaH2PO2·H2O – bespalviai labai higroskopiški kristalai, gerai tirpūs vandenyje. Kaitinamas virš 200°C skyla. Natrio hipofosfitas – stiprus reduktorius. Reduokuoja Au, Ag, Pt, Hg, As; aktyviai reaguoja su stipriais oksidatoriais. Gaunamas iš kalcio hidroksido ir fosforo ar kalcio dihidrofosfito iir sodos. Neorganinėje chemijoje plačiai vartojamas reduktorius; labiausiai paplitęs reduktorius cheminiuose metalų (Cu, Ni, Ag, Au, Pd) nusodinimo porcesuose.

TAI ĮDOMU

D. Mendelejevas apie natrį. Daugiau nei prieš 100 metų Mendelejevas rašė: “Metalinio natrio gavimas priklauso prie svarbiausių chemijos atradimų ir ne vien tik todėl, kad tai išplėtė mūsų suvokimą apie paprastus kūnus, bet svarbiausia, kad natryje matyti tos cheminės savybės, kurios silpnai išreikštos kituose gerai žinomuose metaluose.”

Neorganinė fotosintezė. Deginant natrį sausame ore prie didelių temperatūrų, gaunamas natrio peroksidas Na2O2, kuris pasižymi sstipriomis oksidacinėmis savybėmis. Reaguojant natrio peroksidui su anglies dioksidu, vyksta procesas atvirkščias kvėpavimui:

2Na2O2 + 2CO2 ® 2Na2CO3 + O2, t.y. surįšamas anglies dioksidas ir išsiskiria deguonis. Visiškai kaip fotosintezėje.

Natrio laidai. Natrio laidumas tris kartus mažesnis, negu vario. Bet natris devynis kartus lengvesnis. Be abejo, plonų elektrinių laidų iš natrio niekas nedaro. Tačiau gaminti magistralinius “laidus” didelėms srovėms perduoti, matyt tikslinga. Tokie “laidai” – metaliniai ar polietileniniai vamzdeliai, pripildyti natrio. Svarbiausia, šie laidai yra pigesni už varinius.

Natris vandenyje. Visiems žinoma, kas bus įmetus natrio gabalėlį į vandenį. Tačiau natrio reakcija su vandeniu – ne vien pavojingas užsiėmimas. Priešingai, ši reakcija dažnai būna naudinga. Su natriu patikimai šalinami vandens pėdsakai iš transformatorinių alyvų, spiritų, eterių ir kitų medžiagų, o panaudojant natrio amalgamas (natrio ir gyvsidabrio lydinį) greitai galima nustatyti drėgmės kiekį daugelyje junginių. Amalgama su vandeniu reaguoja žymiai lėčiau. Drėgmės kiekis nustatomas pagal išsiskyrusio vandenilio tūrį.

Natrio žiedas apie Žemę. Žemėje laisvas natris nesutinkamas. Tačiau viršutiniuose atmosferos sluoksniuose – 80 km aukštyje – nustatytas sluoksnis atominio natrio. Tokiame aukštyje praktiškai nėra nei deguonies, nei vandens pėdsakų, su kuriais natris galėtų reaguoti. Spektriniais metodais natrio buvo aptikta tarpžvaigždinėje erdvėje.

Natris ir auksas. Tuo metu, kai buvo atrastas natris, alchemija jau buvo nemadinga, ir paversti nnatrį auksu jau nebuvo bandoma. Tačiau dabartiniu metu aukso gavimui sunaudojama nemažai natrio. Aukso rūda apdorojama natrio cianido tirpalu, kuris gaunamas iš elementaraus natrio. Auksas išskiriamas iš kompleksinių natrio cianido tirpalų, panaudojant cinką. Prieš 20-30 metų aukso gamybai buvo sunaudojama kasmet apie 20 tūkst. t metalinio natrio.

Natrio butadieninis kaučiukas. 1928 metais pirmą kartą pagamintas sintetinis kaučiukas, gautas polimerinant 1,3-butadieną, panaudojus polimerizacijos proceso katalizatoriumi natrį.

Natris ir plovimo priemonės. Pradinėmis medžiagomis sintetinių plovimo priemonių gamyboje dažniausiai būna aukštesnieji alkoholiai t.y., alkoholiai, kurių molekulės sudarytos iš ilgos anglies atomų grandinės. Pastarieji gaunami redukuojant atitinkamas rūgštis natriu.