Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 13. МЕТАЛЛЫ ГЛАВНЫХ ПОДГРУПП

§ 13.2. Натрий и калий

Распространение в природе. В природе щелочные металлы в свободном состоянии не встречаются. Натрий и калий входят в состав различных соединений. Важным является соединение натрия с хлором NaCl, которое образует залежи каменной соли (Донбасс, Соликамск, Соль-Илецк и др.). Хлорид натрия содержится также в морской воде и соляных источниках. Обычно верхние слои залежей каменной соли содержат калийные соли. Они есть в морской воде, однако в значительно меньших количествах, чем соли натрия. Крупнейшие в мире запасы калийных солей расположены на Урале в районе Солікамська (минералы сильвинит NaCl ∙ КСl и карналлит КСl ∙ МgСl₂ ∙ 6Н₂О). Разведано и эксплуатируются значительные залежи калийных солей в Белоруссии (г. Солигорск) (см. также § 9.8).

Натрий и калий относятся к самых распространенных элементов. Содержание натрия в земной коре составляет 2, 64 %, калия - 2, 6 %.

Добыча натрия и калия. Натрий добывают электролизом расплавленного хлорида натрия или гидроксида натрия. При электролизе расплава NaCl на катоде выделяется натрий:

Na⁺ + e^- = Na,

а на аноде - хлор:

2Сl^- - 2e^- = Сl₃.

При электролизе расплава NaOH на катоде выделяется натрий (уравнение реакции приведено выше), а на аноде - вода и кислород:

4OН^- - 4е^- = 2Н₂О + O₂.

Вследствие высокой стоимости гидроксида натрия основным современным методом получения натрия является электролиз расплава NaCl.

Калий также можно добывать электролизом расплавленных КСl и КОН. Однако этот способ добывания калия не получил распространения из-за технических трудности (низкий выход по току, трудности соблюдения техники безопасности). Современное промышленное получение калия основано на следующих реакциях:

КСl + Na ⇆ NaCl + К; (а)

КОН + Na ⇆ NaOH + К. (б)

В случае (а) через расплавленный хлорид калия пропускают пары натрия при 800°С, а пару калия, которая выделяется, конденсируют. В случае (б) взаимодействие между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием осуществляется противотоком при 440°С в реакционной колонке из никеля¹.

¹ Здесь имеет место смещение равновесия реакций в сторону образования продуктов.

Такими же способами добывают сплав калия с натрием, который применяют как жидкий металлический теплоноситель в атомных реакторах. Сплав калия с натрием используют также как восстановитель в производстве титана.

Физические свойства. Поскольку в атомах щелочных металлов один внешний электрон приходится на 4 и более свободных орбиталей, а энергия ионизации атомов низкая, то между атомами металлов возникает металлическая связь (§3.5). Для вещества с металлической связью характерны металлический блеск, пластичность, мягкость, высокая электрическая проводимость и теплопроводность. Такие свойства имеют натрий и калий. Натрий и калий - серебристо-белые металлы, плотность первого -0,97 г/см3 , второго - 0,86 г/см3 , очень мягкие, легко режутся ножом.

Природный натрий состоит из одного изотопа ²³₁₁Na, калий - из двух стабильных изотопов ³⁹₁₉K(93,08 %) и ⁴¹₁₉К (6,91 %) и одного радиоактивного ⁴⁰₁₉К (0,01 %). В исследованиях применяют радиоактивные изотопы, которые добывают искусственно: ²²₁₁Na, ²⁴₁₁Na и ⁴²19 К.

Химические свойства. Атомы натрия и калия при химическом взаимодействии легко отдают валентные электроны, превращаясь на положительно заряженные ионы Na⁺ и К⁺ . Оба металлы - сильные восстановители.

На воздухе натрий и калий быстро окисляющиеся, поэтому их хранят под слоем керосина. Они легко взаимодействуют со многими неметаллами - галогенами, серой, фосфором и др. Бурно реагируют с водой. С водородом при нагревании образуют гидриды NaH, КН. Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:

NaH + Н₂O = NaOH + Н₂↑.

При сгорании натрия в избытке кислорода образуется пероксид натрия Na₂O₂, который взаимодействует с влажным углекислым газом воздуха, выделяя кислород:

Na₂O₂ + 2СО₂ = 2Na₂CO₃ + O₂↑.

На этой реакции основано применение пероксида натрия для получения кислорода на подводных лодках и для регенерации воздуха в закрытых помещениях.