Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий - Коллектив авторов (электронные книги без регистрации TXT) 📗

19 ноября 1807 г. в Лондоне на заседании Королевского общества сэр Хэмфри Дэви объявил об открытии им новых элементов — натрия и калия. Выделить эти элементы удалось с помощью электрического тока. Единственным реально применимым источником электричества в то время был вольтов столб. Вольтов столб, которым пользовался Дэви, состоял из 250 пар медных и цинковых пластин. Д. И. Менделеев так описывает открытие Дэви: «Соединяя с положительным (от меди или угля) полюсом кусок влажного (чтобы достичь гальванопроводности) едкого натра и выдолбив в нем углубление, в которое налита была ртуть, соединенная с отрицательным полюсом (катодом) сильного вольтова столба, Дэви заметил, что в ртути растворяется, при пропускании тока, особый металл, менее летучий, чем ртуть, и способный разлагать воду, вновь образуя едкий натр».

Дэви первым изучил свойства натрия и калия, он отметил легкую окисляемость щелочных металлов, указал, что пары натрия воспламеняются на воздухе.

Выделение щелочных металлов было, конечно, выдающимся открытием в химии, но технике того времени оно не дало ровным счетом ничего. Более того, никто не знал, какую вообще пользу могут принести мягкие и очень активные металлы, воспламеняющиеся под действием воды.

Через год после открытия Дэви Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар получили натрий не электролизом, а при помощи реакции едкого натра с железом, нагретым до красного каления. Но и это открытие не изменило положения натрия как элемента «только для химиков», элемента без применений; и так продолжалось почти 17 лет. Но в 1824 г. с помощью натрия был выделен алюминий (из хлористого алюминия), и интерес к натрию сразу возрос. Вскоре, однако, для восстановления алюминия стали применять калий, и производство натрия опять пошло на убыль. Лишь через 32 года А. Сент-Клер Девиль и Р. Бунзен доказали, что в производстве алюминия все-таки лучше пользоваться натрием, а не калием. Сент-Клер Девиль разработал первый промышленный способ получения алюминия, для которого натрий был необходим. Пришлось попутно разработать и промышленный способ получения элемента № 11.

По методу Сент-Клер Девиля натрий получили, восстанавливая соду углем в присутствии известняка.

В 1886 г. этот способ был усовершенствован, но в том же году натрий снова остался не у дел: спустя буквально несколько месяцев американец Холл и француз Эру почти одновременно разработали электролитический способ получения алюминия.

Для того чтобы элемент № 11 вновь вернулся в промышленные сферы, нужны были по меньшей мере две вещи: новые производства, которые не могли бы обойтись без натрия, и эффективные методы получения дешевого натрия.

Взаимное влияние

В 1890 г. был разработан электролитический способ получения элемента № 11. По существу, это был перенос в промышленность опыта 80-летней давности — опыта Дэви. Электролизу подвергали расплав едкого натра, только источники энергии были уже иные — более совершенные, чем вольтов столб.

Спустя 34 года американский инженер Г. Даунс принципиально изменил процесс электролитического получения натрия, заменив щелочь гораздо более дешевой поваренной солью. В наши дни мировое производство натрия измеряется сотнями тысяч тонн. На что его расходуют?

Прежде всего на производство некоторых соединений элемента № 11 — ведь далеко не все они есть в природе. Каменная соль (или галит) NaCl, чилийская селитра NaNO₃, криолит Na₃AlF₆, глауберова соль Na₂SO₄∙ 10H₂O, бура Na₂B₄O₇∙10H₂O и некоторые силикаты — вот основные природные соединения натрия. А такие важные натриевые соли, как, например, соду или гипосульфит, приходится получать искусственно. К счастью, производства этих веществ обходятся без металлического натрия. Зато цианид натрия, применяемый в электрохимии и при добыче цветных металлов, выгоднее всего получать, используя в качестве сырья сам элемент №11.

Или другой пример. Производное аммиака — амид натрия NaNH₂ — получают в реакции жидкого NH₃ с металлическим натрием. Это вещество нестойко, оно бурно реагирует с водой, и вообще, работая с ним, нужно соблюдать не меньше осторожности, чем при работе с металлическим натрием. Амид натрия нужен для получения двух очень важных для нас веществ — синтетического индиго и витамина А. Следовательно, для получения и красителя, и витамина нужен натрий. Нужен он и для производства еще одного важного органического вещества, в составе которого натрия — нет. Интерметаллическое соединение натрия со свинцом (но массе натрия в нем 10%) используют в производстве известного антидетонатора — тетраэтилсвинца. Очевидно, натрию здесь отведена роль инициатора реакции, как в известных опытах С. В. Лебедева с сотрудниками.

В 1928 г. группа ленинградских химиков во главе с профессором С. В. Лебедевым синтезировала первый в мире синтетический каучук, который назвали натрий-бутадиеновым. «Бутадиеновым» — потому, что этот CK- продукт полимеризации бутадиена-1,3, а «натрий-» — оттого, что именно элементный натрий служил катализатором процесса полимеризации.

Исходными веществами в производстве синтетических моющих средств чаще всего бывают высшие спирты (т. е. спирты, молекулы которых содержат длинные цепочки атомов углерода). Эти спирты получают восстановлением соответствующих кислот, а лучший восстановитель в этих- реакциях — все тот же натрий…

Многим, вероятно, покажется странным утверждение, что элемент № 11 нужен транспорту. Тем не менее это так. В производстве тетраэтилсвинца — пока еще самого распространенного антидетонатора моторных топлив — в качестве сырья используют сплав свинца с натрием (в соотношении 9:1). Другой сплав на основе свинца, в составе которого 0,58% натрия, необходим железнодорожному транспорту. Из этого сплава делают подшипники осей железнодорожных вагонов.

Металлический натрий — и твердый и жидкий — очень хорошо проводит и передает тепло. На этом основано его применение в качестве теплоносителя. Такую роль натрий выполняет в довольно многих химических производствах (когда нужен равномерный обогрев с температурой 450 — 650°С), в машинах для литья под давлением, в клапанах авиационных двигателей, в атомных реакторах. Для атомной техники важно также, что натрий почти не захватывает тепловые нейтроны и не влияет на ход цепной ядерной реакции.

Нельзя забывать еще об одном важном применении натрия. Как один из самых активных восстановителей, элемент № 11 используют для получения некоторых редких металлов, например циркония.

Стоит ли после всего этого удивляться не прекращающемуся росту производства натрия?

Заканчиваем наш рассказ об элементе № 11 словами Дмитрия Ивановича Менделеева, написанными много лет назад, но вдвойне справедливыми для наших дней: «Получение металлического натрия относится к важнейшим открытиям в химии не потому одному, что через то расширилось и стало более правильным понятие о простых телах, но потому особенно, что в натрии видны химические свойства, лишь слабо выраженные в других общеизвестных металлах».

Подробный рассказ о химических свойствах натрия опущен по той причине, что это один из немногих разделов химии, которые достаточно полно излагаются в школьных учебниках.

НАТРИЙ НА ПОДВОДНОЙ ЛОДКЕ. Натрий плавится при 98, а кипит только при 883°С. Следовательно, температурный интервал жидкого состояния этого элемента достаточно велик. Именно поэтому (и еще благодаря малому сечению захвата нейтронов) натрий стали использовать в ядерной энергетике как теплоноситель. В частности, американские атомные подводные лодки оснащены энергоустановками с натриевыми контурами. Тепло, выделяющееся в реакторе, нагревает жидкий натрий, который циркулирует между реактором и парогенератором. В парогенераторе натрий, охлаждаясь, испаряет воду, и полученный нар высокого давления вращает паровую турбину. Для тех же целей используют сплав натрия с калием.