Получение, применение натрия и калия.

Натрий получают электролизом расплавленного хлорида натрия или гидроксида натрия. При электролизе расплава NaCl на катоде выделяется натрий:

Na⁺ + e^- = Na

А на аноде – хлор:

2Cl – 2e^- = Cl₂

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

4OH^- -- 4e^- = 2H²O + O₂

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

Калий также можно получить электролизом расплавленных KCl и KOH. Однако этот способ получения калия не нашел распространения из-за технических трудностей (низкий выход по току, трудность обеспечения техники безопасности). Современное промышленное получение калия основано на следующих реакциях:

KCl + Na Û NaCl + K                                  (а)

KOH + Na Û NaOH + K                              (б)

В способе (а) через расплавленный хлорид калия пропускают пары натрия при 800⁰С, а выделяющиеся пары калия конденсируют. В способе (б) взаимодействие между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием осуществляется противотоком при 440⁰С в реакционной колонне из никеля1.

Этими же способами получают сплав калия с натрием, который применяется как жидкий металлический теплоноситель в атомных реакторах.

Сплав калия с натрием используется также в качестве восстановителя в производстве титана.

Калий и его соединения широко используются в различных отраслях хозяйства. Пероксид элемента № 19 необходим при получении некоторых красителей, при гидролизе крахмала, производстве пороха, отбелке тканей. Регенерация воздуха в космических кораблях и подводных лодках осуществляется с помощью все тех же пероксидов натрия и калия. Без едких щелочей не сваришь мыло. Причем самое лучшее-жидкое туалетное, а также специальные медицинские сорта получают, используя едкий калий. Поташ в больших количествах идет на производство стекла.

Физические свойства.

Поскольку в атомах щелочных металлов один внешний электрон приходится на 4 и более свободные орбитали, а энергия ионизации атомов низкая, то между атомами металлов возникает металлическая связь. Для вещества с металлической связью характерны металлический блеск, пластичность, мягкость, хорошая электрическая проводимость и теплопроводность. Такими свойствами обладают калий и натрий.

Натрий и калий – серебристо-белые металлы, плотность первого – 0,97г/см³, второго – 0,86 г/см³, очень мягкие, легко режутся ножом.

Природный натрий состоит из одного изотопа , калий – из двух стабильных изотопов  (0,01%). В исследованиях применяются радиоактивные изотопы, получаемые искусственным путем: ,  и .

Химические свойства.

Атомы натрия и калия при химическом взаимодействии легко отдают валентные электроны, переходя в положительно заряженные ионы: Na⁺  и K⁺. Оба металла – сильные восстановители.

На воздухе натрий и калий быстро окисляются, 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, KH. Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:

NaH + H₂O = NaOH + H₂

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

2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂

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

Едкие щелочи.

Едкими щелочами называются хорошо растворимые в воде гидроксиды. Важнейшие из них NaOH и KOH.

Гидроксид натрия и гидроксид калия – белые, непрозрачные, твердые кристаллические вещества. В воде хорошо растворяются с выделением большого количества теплоты. В водных растворах практически нацело диссоциированы и являются сильными щелочами. Проявляют все свойства оснований.

Твердые гидроксиды натрия и калия и их водные растворы поглощают оксид углерода (IV):

NaOH + CO₂ = NaHCO₃

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O

или в иной форме:

OH^- + CO₂ = HCO

2OH^- + CO₂ = CO  + H₂O

В твердом состоянии на воздухе NaOH и KOH поглощают влагу, благодаря чему используются как осушители газов.

В промышленности гидроксид натрия и гидроксид калия получают электролизом концентрированных растворов соответственно NaCl и KCl. При этом одновременно получаются хлор и водород. Катодом служит железная сетка, анодом – графит.

Схему электролиза (на примере KCl) следует представлять так, KCl полностью диссоциирует на ионы K⁺ и Cl^-. При прохождении электрического тока к катоду подходят ионы K⁺, к аноду – хлорид-ионы Cl^-. Калий в ряду стандартных электродных потенциалов расположен до алюминия, и его ионы восстанавливаются (присоединяют электроны) гораздо труднее, чем молекулы воды. Ионов же водорода H⁺ в растворе очень мало. Поэтому на катоде разряжаются молекулы воды с выделением молекулярного водорода:

2H₂O + 2e^- = H₂ + 2OH^-

Хлорид-ионы в концентрированном растворе легче отдают электроны (окисляются), чем молекулы воды, поэтому на аноде разряжаются хлорид-ионы:

2Cl^- – 2e^- = Cl₂

Общее уравнение электролиза раствора в ионной форме:

2Cl^- – 2e^- = Cl₂                                            1

2H₂O + 2e^- = H₂ + 2OH^-                    1

2Cl^- + 2H₂O ^{электролиз}  H₂ + 2OH^- + Cl₂

или

2KCl + 2H₂O ^{электролиз}  H₂ + 2KOH + Cl₂

Аналогично протекает электролиз раствора NaCl. Раствор, содержащий NaOH и NaCl, подвергается упариванию, в результате чего выпадает в осадок хлорид натрия (он имеет намного меньшую растворимость и она мало изменяется с температурой), который отделяют и используют для дальнейшего электролиза. Гидроксид натрия получают в очень больших количествах. Он является одним из важнейших продуктов основной химической промышленности. Применяют его для очистки нефтяных продуктов – бензина и керосина, для производства мыла, искусственного шелка, бумаги, в текстильной, кожевенной, химической промышленности, а также в быту (каустик, каустическая сода).

Более дорогой продукт – гидроксид калия – применяется реже, чем NaOH.

Соли натрия и калия.

Натрий образует соли со всеми кислотами. Почти все его соли растворимы в воде. Важнейшие из них – хлорид натрия (поваренная соль), сода и сульфат натрия.

Хлорид натрия NaCl – необходимая приправа к пище, используется для консервирования пищевых продуктов, а также служит сырьем для получения гидроксида натрия, хлора, соляной кислоты, соды и др.

Сульфат натрия Na₂SO₄ применяется в производстве соды и стекла. Из водных растворов кристаллизуется десятиводный гидрат Na₂SO₄ * 10H₂O, называемый глауберовой солью. Глауберова соль применяется в медицине как слабительное. Соли натрия (ионы натрия) окрашивают пламя горелки в желтый цвет. Это очень чувствительный метод для обнаружения натрия в соединениях.

Калийные соли используют главным образом как калийные удобрения. Соли калия (ионы калия) окрашивают пламя горелки в фиолетовый цвет. Однако в присутствии даже ничтожных количеств соединений натрия фиолетовый цвет маскируется желтым. В этом случае его можно заметить через синее стекло, поглощающее желтые лучи.

Список использованной литературы.