8.2. Элементы главной подгруппы i группы¹

8.2.2. Натрий и Калий

Натрий - 11-й элемент периодической таблицы (заряд ядра +11. Химический символ - Na. Природный Натрий состоит из одного стабильного изотопа - ²³Na; известно также 6 радиоактивных изотопов. Калий - 19-й элемент периодической таблицы (заряд ядра +19. Химический символ - К. В природе существуют два стабильных изотопа - ³⁹К (93,3 %) и ⁴¹К (6,7%) и один радиоактивный - ⁴⁰К (0,012 %), который считают одним из основных источников геотермальной энергии, выделяющейся в недрах Земли. В минералах, содержащих Калий, ⁴⁰К постепенно превращается в ⁴⁰Аr, что дает возможность измерять возраст горных пород (калий-аргоновый метод).

Электронные формулы:

Распространенность Натрия и Калия в природе

Натрий и Калий - довольно распространенные в природе элементы (кларки¹ Натрия и Калия в земной коре составляют соответственно 25 и 24 кг/т), но вследствие высокой химической активности встречаются только в виде соединений². Входят в состав солей морской воды, минералов и горных пород.

Натрий хлорид NaCl - основной компонент (77,8 %) морской соли³: Мировой океан содержит 4 · 10¹⁵ т NaCl. С каждой тонны морской воды можно получить около 1,3 кг NaCl. Натрий хлорид встречается в виде минерала галита (составляет 90 % каменной соли), который образует корки на стенках кратеров вулканов, а также мощные залежи в земле, толщина которых может достигать 100 м. Природными соединениями Натрия является также чилийская селитра NaNO₃, мирабилит (минерал глауберовой соли Na₂SO₄ · 10Н₂O, один из самых легких природных минералов, плотность - 1,49 г/см³), бураNa₂B₄O₇ · 10Н₂O, полевые шпаты, нефелін и некоторые другие силикаты.

На долю солей Калия (КСl, K₂SO₄) приходится около 5 % массы морской соли (или 380 мг ионов Калия на литр морской воды). Калий содержится в составе нескольких сотен минералов: ортоклазу К₂O · Аl₂O₃ · 6SiO₂ (почти 18% массы земной коры)⁴, сильвіну КСl, сильвинита КСl · NaCl, карналлита КСl · MgCl₂ · 6Н₂O, каїніту КСl · MgSO₄ · 3Н₂O, калийной соли (многокомпонентного минерала, который содержит все указанные соли).

Ионы К⁺ и Na⁺ входят в состав всех клеток, участвуют во многих жизненно важных процессах, в частности поддержании водного, электролитного, кислотно-щелочного баланса.

Физические свойства натрия и калия

Натрий и калий легче воды: плотность - 0,97 и 0,856 г/см³ соответственно. Натрий имеет хорошую электро - и теплопроводность, температура плавления - 97,86 °С, а кипения - 883,15 °С, что и определяет (вместе с относительной дешевизной добычи) широту его применения. Относительная молекулярная масса натрия - 23, молярная масса - 23 г/моль. Относительная молекулярная масса калия - 39, молярная Массе - 39 г/моль. Электроотрицательности Натрия и Калия Полингом составляют соответственно 0,93 и 0,82, Соли Натрия окрашивают пламя газовой горелки в желтый цвет, соли Калия - в розово-фиолетовый. Легко образуют сплавы с ртутью (амальгамы).

Добыча натрия и калия

Натрий и калий получают электролизом расплавов их солей (хлоридов) и гидроксидов:

Кроме того, калий добывают при взаимодействии натрия с калия хлоридом (реакцию проводят в расплаве).

Химические свойства натрия и калия

1. Калий и натрий реагируют с простыми веществами:

• с кислородом воздуха при нормальных условиях, образуя натрий пероксид и надпероксид калия, поэтому эти металлы хранят под слоем керосина, так как они на воздухе энергично реагируют с кислородом:

2Na + O₂ = Na₂O₂

Также образуется незначительное количество натрий оксида:

• с водородом, образуя гидриды; в гидридах степень окисления Водорода составляет -1:

2К + Н₂= 2КН

Гидриды легко разлагаются водой с выделением водорода:

• с галогенами, в их атмосфере (F₂, Сl₂ и паров Вr₂) самовоспламеняются, образуя галогениды:

• с другими неметаллами - азотом, фосфором, серой - при нагревании:

2. Калий и натрий реагируют со сложными веществами:

• с водой при нормальных условиях энергично (со взрывом):

• с кислотами:

а) с кислотами, которые являются слабыми окислителями, образуется соль и выделяется водород:

б) с кислотами-окислителями (со взрывом), однако водород не образуется:

• с органическими веществами:

а) со спиртами:

б) с фенолом:

в) с галогеноалканами:

Применение натрия и калия

Натрий как сильный восстановитель используют в химической промышленности (восстановление высших спиртов в производстве синтетических моющих средств) и цветной металлургии редких металлов (циркония), а как катализатор в производстве синтетического (бутадієнового) каучука. Его применяют в машиностроении (производство подшипников), в производстве тетраэтилсвинца (антидетонатора топлива). Металлический натрий (а также его сплавы с калием, рубідієм, цезием) используют как теплоноситель в атомных реакторах, клапанах авиационных двигателей и т.д. Натрий применяют в производстве газоразрядных ламп высокого и низкого давления, которые используют в промышленности и для освещения улиц (желтый свет). Натрий используют в аналитической химии. С его помощью вещества очищают от следов воды.

Металлический калий, в отличие от натрия, не имеет существенного промышленного значения. Его используют как катализатор в производстве некоторых видов синтетического каучука и в аналитической химии.

____________________________________________________________________

¹ Кларкове число (или кларк) элемента - число, которое выражает средний состав химических элементов в земной коре, гидросфере, космических телах и т.п. относительно общей массы системы. Различают массовые (выражают в процентах, г/кг, кг/т) и атомные (в процентах от количества атомов в системе) кларки.

² В верхних слоях атмосферы (около 80 км) обнаружен слой атомарного Натрия.

³ Морская соль несколько отличается по вкусу от каменной: горьковатый привкус ей придают соли Магния, концентрация ; которых чуть больше 15 %.

⁴ Ортоклаз, адуляр, микроклин и санидін - вещества одного состава (KAlSi₃O₈), но разной структуры, образуют группу калиевых полевых шпатов (КПП).