Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 33. Натрій. Натрій гідроксид. Луги

Загальна характеристика лужних елементів

Лужні елементи — елементи IA групи (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), вони є першими елементами кожного періоду. На зовнішньому енергетичному рівні їхніх атомів міститься по одному електрону.

У лужних елементів найменша електронегативність серед усіх елементів періоду, у якому вони розташовані. Втрачаючи електрон, атоми лужних елементів набувають стійкої електронної конфігурації атомів найближчого інертного елемента (Li+ He; Na+ Ne тощо). Це підтверджує сильні відновні властивості лужних металів, і натрію зокрема.

Поширеність у природі

У вигляді простих речовин лужні елементи в природі не трапляються, оскільки вони хімічно дуже активні. Зі сполук лужних елементів поширені лише сполуки Натрію й Калію.

У земній корі вміст Натрію становить 2,64 %, Калію — 2,4 % (відповідно, 4-те і 5-те місця серед металічних елементів). Усіх інших лужних елементів разом у земній корі близько 0,01 %.

Значні кількості йонів Натрію і Калію в розчиненому вигляді є в морській воді: Na+ — 1,07 % (найпоширеніший металічний елемент у морській воді), K+ — 0,038.

Фізичні властивості лужних металів

У лужних металах, зокрема натрію, атоми в кристалічних ґратках упаковані не щільно (атоми займають лише 68 % наявного об'єму), тому всі лужні метали — легкі та м'які. Через надзвичайну хімічну активність лужні метали зберігають під шаром гасу або інших рідких вуглеводнів (мал. 33.1).

Мал. 33.1. Натрій зберігають під шаром рідких вуглеводнів

Натрій

Лужні метали належать до найбільш хімічно активних речовин, вони виявляють лише відновні властивості.

1. Взаємодія натрію з неметалами. Натрій активно взаємодіє з неметалами. У реакції з галогенами, сіркою, азотом, фосфором і силіцієм утворюються, відповідно, галогеніди, сульфіди, нітриди, фосфіди та силіциди:

2Na + Cl2= 2NaCl

2Na + S = Na2S

2. Взаємодія з водою. Натрій активно взаємодіє з водою з утворенням водню і натрій гідроксиду:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

Із концентрованими кислотами натрій реагує з вибухом, тому така реакція небезпечна. Під час взаємодії з розбавленими кислотами лужні метали перш за все реагують із водою в розчині кислоти, після чого утворений луг нейтралізується наявною кислотою. Із цієї ж причини лужні метали не витісняють менш активні метали з розчинів солей.

Натрій гідроксид. Луги

Утворений у реакції натрію з водою натрій гідроксид — дуже добре розчинна у воді речовина (108,7 г у 100 г води за 20 °С). У чистому вигляді він являє собою білі легкоплавкі лусочки, що «розтікаються» на повітрі внаслідок гігроскопічності.

Реакцію натрію з водою можна використовувати для добування натрій гідроксиду в лабораторії, але на практиці цей метод не використовують, оскільки набагато дешевше купити натрій гідроксид промислового виробництва.

Гідроксиди лужних елементів є сильними основами — лугами, і натрій гідроксид є характерним представником лугів.

Луги, зокрема натрій гідроксид, є сильними електролітами і добре дисоціюють у розчині:

NaOH = Na+ + OH-

Через це натрій гідроксид виявляє всі загальні хімічні властивості основ. Він взаємодіє з:

• кислотними оксидами з утворенням середніх солей:

2NaOH + CO2 = Na2CO3 +H2O;

• кислотними оксидами з утворенням кислих солей:

NaOH + CO2 = NaHCO3;

• кислотами:

NaOH + HCl = NaCl + H2O;

• кислими солями:

NaOH + NaHCO3 = Na2CO3 + H2O;

• розчинними солями (за умови утворення осаду):

2NaOH +CuCl2 = Cu(OH)2↓ + 2NaCl;

• амфотерними оксидами (за сплавляння):

2NaOH + ZnO = Na2ZnO2 +H2O;

• амфотерними гідроксидами (за сплавляння):

2NaOH + Zn(OH)2 = Na2ZnO2 + 2H2O;

• амфотерними гідроксидами (у розчині):

2NaOH + Zn(OH)2 = Na2Zn(OH)4.

Під час нагрівання натрій гідроксид плавиться без розкладання.

Застосування лужних металів та натрій гідроксиду

• Рідкий натрій використовують як рідкометалічний теплоносій у першому контурі охолодження ядерних реакторів.

• У металургії натрій необхідний для відновлення деяких тугоплавких металів. Натрієм відновлюють калій гідроксид KOH для добування калію.

• Сплав натрію (12 %), калію (47 %) та цезію (41 %) має рекордно низьку для металів температуру плавлення -78 °С. Через це його використовують як робоче тіло йонних двигунів для космічних кораблів.

• Натрій застосовують для виготовлення газорозрядних ламп (мал. 33.2). Такі лампи випромінюють яскраво-жовте світло і мають тривалий термін експлуатації (декілька років).

Мал. 33.2. Натрієві газорозрядні лампи використовують для вуличного та промислового освітлення

• Натрій гідроксид використовують для очищення продуктів переробки нафти, у миловарінні, паперовій, текстильній та інших галузях промисловості, а також під час виробництва штучного волокна й біодизелю.

• Натрій гідроксид є також засобом для прочищення каналізаційних труб.

• Калій — важливий біогенний елемент, тому його сполуки у великих кількостях застосовують як мінеральні добрива.

Біологічне значення Натрію і Калію

Натрій і Калій є важливими біогенними елементами: їхні сполуки необхідні для існування і функціонування живих організмів. Йони Натрію містяться переважно в міжклітинній рідині (майже в 15 разів більше, ніж у цитоплазмі клітин), а йони Калію — усередині клітин (майже в 40 разів більше, ніж у міжклітинній рідині). Ця різниця забезпечена функціонуванням натрій-калієвого насосу (мал. 33.3).

Мал. 33.3. Натрій-калієвий насос забезпечує активний транспорт речовин крізь мембрану клітин

Йони Натрію і Калію створюють умови для фізіологічних процесів скорочення м'язів, підтримання кислотно-лужного балансу, нормалізації водного балансу в організмі, активації багатьох ферментів. Доросла людина має вживати на добу близько 3 г йонів Натрію і 6 г йонів Калію. Зверніть увагу, що ця кількість визначена з урахуванням усіх джерел йонів у раціоні.

Поповнити запаси Натрію в організмі досить легко завдяки кухонній солі. Але останнім часом у нашому раціоні з'явилися додаткові джерела йонів Натрію — натрій глутамат (підсилювач смаку, що міститься в усіх снеках), натрій нітрит (ковбасні вироби), натрій сахаринат (підсолоджувач) та натрій бензоат (консервант) (мал. 33.4).

Мал. 33.4. Продукти з підсилювачами смаку, підсолоджувачами та консервантами за надмірного вживання можуть порушити баланс Натрію в організмі

Самі по собі ці речовини безпечні (у розумних дозволених дозах). Але нераціональне харчування й надмірне споживання зазначених продуктів може призвести до надлишку Натрію в організмі. Це спричиняє набряки ніг та обличчя, підвищення артеріального тиску, надмірне виділення Калію із сечею.

Якщо нестача Натрію трапляється рідко, то зменшення кількості Калію в організмі може статися внаслідок утрати значної кількості рідини (зазвичай під час частих проносів або блювоти). Нестача Калію спричиняє порушення роботи серця і м'язів, невралгію.

Джерелом Калію є сушені абрикоси, шпинат, дині, боби, картопля, печінка, ківі, авокадо, банани, броколі, молоко, цитрусові, риба тощо (мал. 33.5).

Мал. 33.5. Продукти, що поповнюють уміст калію в організмі людини

За нестачі Калію в ґрунті порушується життєдіяльність рослин: пригнічується фотосинтез, відбувається пожовтіння й відмирання листків (мал. 33.6). Тому Калій у значних кількостях застосовують для підживлення рослин. Сполуки Калію, зокрема калій нітрат, є важливими мінеральними добривами. Для їх виготовлення використовують майже 90 % солей Калію, що добувають у світі.

Мал. 33.6. Передчасне пожовтіння листків свідчить про нестачу Калію в ґрунті

Ключова ідея

Калій і Натрій — важливі біогенні елементи, їхні сполуки мають велике значення для сучасної науки й техніки.

Контрольні запитання

466. Які особливості будови електронної оболонки атомів лужних елементів? Схарактеризуйте електронну будову атомів Натрію і Калію.

467. Схарактеризуйте поширеність у природі та біологічне значення Натрію і Калію.

468. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості натрію.

Завдання для засвоєння матеріалу

469. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках: Na2S, K3N, K2O2.

470. Як ви вважаєте, чому зі збільшенням порядкового номера лужних елементів збільшується густина утворених ними простих речовин?

471. Уявіть, що у вас є однакові за формою й розміром шматочки натрію і заліза. Як відрізнити ці метали один від одного, використовуючи лише їхні відмінності у фізичних властивостях?

Комплексні завдання

472. У якій із наведених речовин масова частка Натрію найбільша: NaBr, NaCl, NaI, NaNO3, NaClO3? Чи можна відповісти на це запитання без обчислень?

473. Молярна маса сполуки Натрію з Оксигеном дорівнює 78 г/моль. Визначте формулу цієї сполуки.

474. Обчисліть об'єм водню (н. у.), що утвориться під час дії на воду сплаву, який містить натрій масою 4,6 г і калій масою 3,9 г.

Завдання з розвитку критичного мислення

475. Чи можна виявити наявність у гасі води, використовуючи натрій? Чи можна визначати масову частку цієї води?