На́трий (лат. Natrium), Na, химический элемент I группы короткой формы (1-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 11; атомная масса 22,98976928; относится к щелочным металлам. В природе один стабильный изотоп ²³Na. Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 17–35.

Историческая справка

Природные соединения натрия известны с древних времён. В эпоху неолита, приблизительно 5–7 тыс. лет назад, в качестве компонента пищи людей вошла в употребление поваренная соль (хлорид натрия) NaCl. В Древнем Египте применяли природную соду (карбонат натрия) Na₂CO₃ как моющее средство, а также для варки стекла. К началу 18 в. в Западной Европе соли натрия широко применялись в медицине, при выделке кож, крашении тканей. В 1807 г. Г. Дэви электролизом расплава едкого натра NaOH впервые получил расплавленный металлический натрий и дал ему название «содиум» (sodium, от позднелат. soda – сода), которое отражает происхождение этого элемента из соды; название сохранилось в США, Великобритании и некоторых других странах. Название «натрий», происходящее от арабского «натрун» (греч. νίτρον) и первоначально относившееся к природной соде, предложено Й. Берцелиусом в 1811 г. и введено в отечественную химическую номенклатуру Г. И. Гессом в 1831 г.

Распространённость в природе

Содержание натрия в земной коре 2,27 % по массе. Содержание ионов Na⁺ в гидросфере, в том числе в морской воде, существенно превышает содержание других катионов. Наличие натрия установлено в атмосфере Солнца и в межзвёздном пространстве. Вследствие высокой реакционной способности в природе натрий находится только в виде солей. Важнейшие минералы: галит (каменная соль) NaCl, мирабилит (глауберова соль) Na₂SO₄·10H₂O, тенардит Na₂SO₄, чилийская селитра NaNO₃, криолит Na₃[AlF₆], трона NaHCO₃·Na₂CO₃·2H₂O, бура (тинкал) Na₂B₄O₇·10H₂O, кернит Na₂B₄O₇·4H₂O, а также природные силикаты, например альбит Na[AlSi₃O₈], нефелин Na[AlSiO₄]; очень большие запасы NaCl содержатся в природных рассолах и океанических водах. Натрий относится к биогенным элементам, входит в состав живых организмов главным образом в виде NaCl. Так, например, в плазме крови человека содержание ионов натрия 0,32 % по массе, в костной ткани 0,6 %, в мышечных тканях 0,6–1,5 %. Минимальная потребность человека в натрии около 200 мг в день, что соответствует примерно 0,5 г NaCl (слишком большие количества вызывают повышение артериального давления).

Минерал улексит, борат натрия. Округ Керн (штат Калифорния).Минерал улексит, борат натрия. Округ Керн (штат Калифорния).

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома натрия 3s¹; в соединениях проявляет степень окисления +1; энергии ионизации Na⁰→Na⁺ 495,8 кДж/моль; электроотрицательность по Полингу 0,93; атомный радиус 180 пм, радиус иона Na⁺ 116 пм (координационное число 6).

Металлический натрий.Металлический натрий.В свободном состоянии натрий – мягкий, легкоплавкий серебристо-белый металл, в тонких слоях с фиолетовым оттенком. Натрий образует две кристаллические модификации: ниже –222 °C устойчив α-Na (гексагoнальная решётка); при нормальном давлении и температуре выше –222 °C устойчив β-Na (кубическая объёмноцентрированная решётка); t_пл 97,7 °C, t_кип 883 °C; плотность 968 кг/м³ (твёрдый, при 19,7 °C), 928 кг/м³ (жидкий, при температуре плавления); теплоёмкость 29,60 Дж/(моль·К); теплопроводность 140 Вт/(м·К). Натрий пластичен, легко режется ножом, при сильном охлаждении становится хрупким. В газообразном состоянии состоит из частиц Na и Na₂, содержание Na₂ увеличивается с ростом температуры: 0,8 % (600 К), 1,3 % (650 К), 2,5 % (750 К). Парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость 8,8·10^–9 м³/кг.

Натрий – металл высокой химической активности (хранят под слоем инертной обезвоженной и не содержащей кислорода жидкости – керосина, минеральные масла; перевозят в запаянных металлических сосудах). В реакциях с различными соединениями (оксидами, галогенидами и пр.) ведёт себя как сильный восстановитель. На воздухе активно окисляется с поверхности, в жидком состоянии при температуре выше 200 °С загорается. В зависимости от условий может окисляться до оксида Na₂O или пероксида Na₂O₂. Энергично реагирует с водой с образованием гидроксида NaOH и H₂, за счёт выделяющейся энергии Na плавится; при большой поверхности контакта реакция происходит со взрывом. Натрий воспламеняется в атмосфере фтора, в атмосфере хлора горит при комнатной температуре, с бромом реагирует лишь при нагревании. Энергично взаимодействует с S, Se и Te, образуя халькогениды состава Na₂X, NaX, NaX₂, Na₂X₅.

Благородные газы незначительно растворимы в твёрдом и жидком натрии, при температуре 200 °C металл начинает поглощать H₂, образуя гидрид NaH. С азотом в электрическом разряде даёт нитрид Na₃N или азид NaN₃, с разбавленными кислотами – соли. В жидком NH₃ легко растворяется, образуя раствор синего цвета с металлической проводимостью, содержащий катионы Na⁺ и сольватированные электроны. Взаимодействием с NH₃ при 300–400 °C или в присутствии катализатора при охлаждении до –30 °C получают амид NaNH₂. При 800–900 °C газообразный натрий реагирует с углеродом, образуя карбид (ацетиленид) Na₂C₂. Реакцией натрия с ацетиленом при 98 °С получают NaCCH и этилен, при более высоких температурах – Na₂C₂. С графитом натрий образует соединения включения. Натрий реагирует с донорами протонов (спиртами, карбоновыми кислотами и др.), давая производные со связью C─O─Na (например, натриевые соли высших жирных кислот – мыла́). Входит в состав натрийорганических соединений.

Со многими металлами (Ag, Au, Cd, Ga, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi, K, Cs) образует интерметаллиды; не образует соединений с Ba, Sr, Mg, Li, Zn, Al. C ртутью даёт амальгамы – интерметаллиды состава NaHg₂, NaHg, Na₃Hg₂ и др. (наибольшее значение имеют жидкие амальгамы).

При работе с натрием необходимо учитывать его высокую реакционную способность, в том числе способность загораться при контакте с водой. Натрий разъедает кожу, вызывает ожоги. В целях безопасности необходимо использовать резиновые перчатки, защитные очки или маску. С большим количеством натрия следует работать в специальных камерах, в инертной атмосфере (аргон, азот). Для тушения горящего натрия применяют поваренную соль, песок.

Получение

Натрий получают: электролизом расплава NaCl или расплава NaOH (с добавками других солей для снижения температуры плавления электролита); небольшие количества – разложением азида NaN₃. Электролиз NaCl проводят в электролизёрах с диафрагмой. Мировое производство натрия превышает 200 тыс. т/год (2012).

Применение

Натрий и его сплавы с калием применяются как жидкие теплоносители в ядерных реакторах; пары́ натрия используются для наполнения газоразрядных ламп; сплавы натрия со свинцом – для изготовления подшипников. Натрий применяется как модификатор алюминиевых и других сплавов, как восстановитель в металлургии, в органическом синтезе, для получения соединений натрия, как катализатор в производстве бутадиенового и других каучуков. Амальгама Na используется при получении NaOH высокой чистоты. Радиоизотопы ²²Na и ²⁴Na применяются в медицине (диагностика, лечение лейкемии) и в качестве радиоактивных меток.