金属钠
金属钠
  
  钠(sodium),一种金属元素,质地软,能使水分解释放出氢。在地壳中钠1的含量为2.83%,居第六位,主要以钠盐的形式存在,如食盐(氯化钠)、智利硝石(硝酸钠)、纯碱(碳酸钠)等。钠也是人体肌肉和神经组织中的主要成分之一。在古汉语中,“钠”字的意思是锻铁。
  

基本信息

  中文名称:钠
  英文名称:Sodium
  化学式:Na
  相对原子质量:22.98976928  

钠的发现

  自然界的元素有两种存在形式:一种是以单质的形态存在,叫做元素的游离态,一种是以化合物的形态存在,叫做元素的化合态。钠的化学性质很活泼,所以它在自然界里不能以游离态存在,只能以化合态存在。
  在19世纪初,伏特(Volta A.G.,1745—1827,意大利科学家)发明了电池后,各国化学家纷纷利用电池分解水成功。英国化学家戴维(Davy H.,1778—1829,英国化学家)坚持不懈地从事于利用电池分解各种物质的实验研究。他希望利用电池将苛性钾分解为氧气和一种未知的“基”,因为当时化学家们认为苛性碱也是氧化物。他先用苛性钾的饱和溶液实验,所得的结果却和电解水一样,只得到氢气和氧气。后来他改变实验方法,电解熔融的苛性钾,在阴极上出现了具有金属光泽的、类似水银的小珠,一些小珠立即燃烧并发生爆炸,形成光亮的火焰,另一些小珠不燃烧,只是表面变暗,覆盖着一层白膜。他把这种小小的金属颗粒投入水中,即起火焰,在水面急速奔跃,发出刺刺的声音。就这样,戴维在1807年发现了金属钾,几天之后,他又从电解苛性钠中获得了金属钠。戴维将钾和钠分别命名为Potassium和Sodium,因为是从草木灰(Potash),钠是从天然碱─苏打(Soda)中得到的,它们至今保留在英文中。钾和钠的化学符号K,Na分别来自它们的拉丁文名称Kalium和Natrium。  

物理性质

       状态:固体
  性状:银白色立方体结构 金属。新切面发光,在空气中氧化转变为暗灰色。质软而轻,在-20℃时变硬,遇水剧烈反应,生成氢氧化钠和氢气并产生大量热量而自燃或爆炸。在空气中,燃烧时发亮黄色火焰。遇乙醇也会反应,跟乙醇的羟基反应,生成氢气和乙醇钠,同时放出热量。能与卤素和磷直接化合。能还原许多氧化物成元素状态,也能还原金属氯化物。溶于液氨时成蓝色溶液。在氨中加热生成氨基钠。溶于汞生成钠汞齐。
  接近室温密度:0.968 g·cm-3
  熔点时液体密度:0.927 g·cm-3
  熔点:370.87 K,97.72 °C,-207.9 °F
  沸点:1156 K,883 °C,1621 °F
  临界点:(推断)2573 K, 35 MPa
  熔化热:2.60 kJ·mol-1
  汽化热:97.42 kJ·mol-1
  比热容:(25 °C) 28.230 J·mol-1·K-1  

化学性质

  钠原子的最外层只有1个电子,很容易失去,所以有强还原性。因此,钠的化学性质非常活泼,能够和大量无机物,绝大部分非金属单质反应和大部分有机物反应,在与其他物质发生氧化还原反应时,作还原剂,都是由0价升为+1价,通常以离子键和共价键形式结合。金属性强,其离子氧化性弱。  

·跟氧气的反应

  在常温时:4Na+O2=2Na2O (白色粉末)
  在点燃时:2Na+O2=△=Na2O2 (淡黄色粉末)
  现象:钠在空气中点燃时,迅速熔化为一个闪亮的小球,发出黄色火焰,生成过氧化钠(Na2O2)和少量超氧化钠(Na2O4)淡黄色的烟。过氧化钠比氧化钠稳定,氧化钠可以和氧气加热时化合成为过氧化钠,化学方程式为:2Na2O+O2==2Na2O2(加热)  

·跟卤素、硫、磷、氢等非金属直接发生反应

  钠能跟卤素、硫、等非金属直接发生反应,生成相应的化合物(以下反应常温下均反应),如
  2Na+Cl2=2NaCl (放出大量热,生成大量白烟)
  2Na+S=Na2S(硫化钠)(钠与硫研磨会发生爆炸)
  2Na+Br2=2NaBr(溴化钠)(溴化钠可以用作镇静剂)  

·跟水的反应

  在烧杯中加一些水,滴入几滴酚酞溶液,然后把一小块钠放入水中。为了安全应在烧杯上加盖玻璃片。
钠单质与水的反应
钠单质与水的反应
  观察到的现象及由现象得出的结论有:
  1、钠浮在水面上(钠的密度比水小)
  2、钠熔成一个闪亮的小球(钠与水反应放出热量,钠的熔点低)
钠在水中的反应
钠在水中的反应
  3、钠在水面上四处游动(有气体生成)
  4、发出嘶嘶的响声(生成了气体,反应剧烈)
  5、事先滴有酚酞试液的水变红(有碱生成)
  反应方程式 2Na+2H2O=2NaOH+H2
  钠由于能跟水剧烈反应,能引起氢气燃烧甚至爆炸,所以钠失火不能用水或泡沫灭火器扑救,必须用干燥沙土来灭火。钠具有很强的还原性,可以从一些熔融的金属卤化物中把金属置换出来。由于钠极易与水反应,所以不能用钠把居于金属活动性顺序钠之后的金属从其盐溶液中置换出来,而是先和水反应生成氢氧化钠,再由氢氧化钠与盐反应。  

·与酸溶液反应

  钠与水反应本质是和水中氢离子的反应,所以钠与盐酸反应,不是先和水反应,钠与酸溶液的反应涉及到钠的量,如果钠少量,只能与酸反应,如钠与盐酸的反应: 2Na+2HCl=2NaCl+H2↑
  如果钠过量,则优先与酸反应,然后再与酸溶液中的水反应,注意:钠和酸反应十分剧烈,极易产生爆炸,在试验中应注意钠的量和酸的浓度。 

·与盐反应

  (1)与盐溶液反应
  将钠投入盐溶液中,钠先会和溶液中的水反应,生成的氢氧化钠如果能与盐反应则继续反应。
  如将钠投入硫酸铜溶液中: 2Na+2H2O=2NaOH+H2↑  2NaOH+CuSO4=Na2SO4+Cu(OH)2
  (2)与熔融盐反应
  这类反应多数为置换反应,常见于金属冶炼工业中,如:
  4Na+TiCl4==熔融==4NaCl+Ti(条件为高温且需要氩气做保护气)
  Na+KCl=K+NaCl(条件为高温)
  钠与熔融盐反应不能证明金属活动性的强弱  

·与有机物反应

  钠还能与某些有机物反应,如钠与乙醇反应:2Na+2C2H5OH→2CH3CH2ONa+H2↑(生成物为氢气和乙醇钠)
  有关化学方程式
  ⑴与非金属单质:2Na+H2=高温=2NaH   4Na+O2=2Na2O (白色固体)   2Na+O2=点燃=Na2O2 (淡黄色粉末)
  ⑵与金属单质反应:4Na+9Pb=加热=Na4Pb9   Na+Tl=加热=NaTl
  ⑶与水:2Na+2H2O=2NaOH+H2
  ⑷与酸:2Na+2HCl=2NaCl+H2
  ⑸与碱:不反应(与碱溶液反应)
  ⑹与盐:①4Na+TiCl4=高温=4NaCl+Ti   6Na+2NaNo2=高温=N2↑+4Na2O   Na+KCl=高温=K↑+NaCl
  ②2Na+2H2O=2NaOH+H2↑   
  2NaOH+CuSO4=Na2SO4+Cu(OH)2↓ 或2Na+2H2O=2NaOH+H2↑  
  
  NH4Cl+NaOH=NaCl+NH3↑+H2O
  ⑺与氧化物:4Na+CO2=点燃=2Na2O+C↓  

制备

  钠的制备方法主要有当斯法(Downs)和卡斯纳法(Castner)。  

·当斯法

  在食盐(即氯化钠)融熔液中加入氯化钙,油浴加热并电解,温度为500℃,电压6V,通过电解在阴极生成金属钠,在阳极生成氯气。然后经过提纯成型,用液体石蜡进行包装。
  反应方程式:熔融状态下,2NaCl(电解)=2Na+Cl2↑ (当斯法)  

·卡斯纳法

  以氢氧化钠为原料,放入铁质容器,熔化温度320~330℃,以镍为阳极,铁为阴极,在电极之间设置镍网隔膜,电解电压4~4.5V,阴极析出金属钠,并放出氢气。再将制得的金属钠精制,用液体石蜡包装。
  化学方程式:2NaOH(电解)=2Na+O2↑+H2↑ (卡斯纳法) 

安全储存

  钠的化学性质很活泼,所以它在自然界里不能以游离态存在,极易与空气中的水和氧气反应,因此,在实验室中通常将钠保存在煤油或石蜡油里。(原因:ρ Na>ρ煤油且钠与煤油不发生化学反应)。
  贮于阴凉干燥处,远离火种、热源。 与氧化剂、酸类、卤素分储。灭火:石墨粉、碳酸钠干粉、碳酸钙干粉。禁用水、氯代烃灭火。  

钠的用途 

·工业用途

  纯净的金属钠在工业上并没有多大用处,然而钠的化合物可以应用在医药、农业和摄影器材中。氯化钠就是餐桌上的食盐。液态的钠有时用于冷却核反应堆{钠钾合金在室温下呈液态,是核反应堆的导热剂,起把反应堆产生的热量传导给蒸气轮机的作用。熔融的金属钠在增值反应堆中可做热交换剂。) 以往金属钠主要用于制造车用汽油的抗暴剂,但由于会污染环境,已经日趋减少。金属钠还用来制取钛,钾,及生产氢氧化钠、氨基钠、氰化钠等。  

·实验用途

  在初中教学中,常将金属钠与水的反应用作演示实验向学生展示碱金属的活泼性;在高中化学实验中会让学生自己动手操作,并且增多了钠与乙醇的反应,用以比较水与乙醇的酸性或极性。在科研实验中,金属钠可用来对有机试剂进行深度除水,例如GPC(凝胶液相色谱)对流动液的除水要求特别高,用作流动液或溶剂的四氢呋喃须经过初步除水(用沸石分子筛或无水硫酸镁等干燥剂过夜干燥)、深度除水及蒸馏才能使用。深度除水就可以用金属钠与四氢呋喃在70度左右进行回流,加入少量二苯甲酮作为指示剂,当液体变为深紫色时,水就已经除干净,直接将回流冷凝管改为直形冷凝管,把温度稍微再提高,就可以蒸出已经深度除水的四氢呋喃。 

·生理作用

  钠是人体中一种重要无机元素,一般情况下,成人体内钠含量大约为3200(女)-4170(男)mmol,约占体重的0.15%,体内钠主要在细胞外液,占总体钠的44%-50%,骨骼中含量也高达40%-47%,细胞内液含量较低,仅9%-10%。
  主要生理作用:
  1、钠是细胞外液中带正电的主要离子,参于水的代谢,保证体内水的平衡,调节体内水分与渗透压。
  2、维持体内酸和碱的平衡。
  3、是胰汁、胆汁、汗和泪水的组成成分。
  4、钠对ATP的生产和利用、肌肉运动、心血管功能、能量代谢都有关系,此外,糖代谢、氧的利用也需有钠的参与。
  5、维持血压正常。
  6、增强神经肌肉兴奋性。
  需要人群
  高温、重体力劳动、经常出汗的人需要注意补充钠。
  来源
  钠普遍存在于各种食物中,一般动物性食物高于植物性食物,但人体钠来源主要为食盐、以及加工、制备食物过程中加入的钠或含钠的复合物(如谷氨酸、小苏打等),以及酱油、盐渍或腌制肉或烟熏食品、酱咸菜类、发酵豆制品、咸味休闲食品等。
  缺乏
  人体内钠在一般情况下不易缺乏、但在某些情况下,如禁食、少食,膳食钠限制过严而摄入非常低时,或在高温、重体力劳动、过量出汗、肠胃疾病、反复呕吐、腹泻使钠过量排出而丢失时,或某些疾病,如艾迪生病引起肾不能有效保留钠时,胃肠外营养缺钠或低钠时,利尿剂的使用而抑制肾小管重吸收钠时均可引起钠缺乏。钠的缺乏在早期症状不明显,倦怠、淡漠、无神、甚至起立时昏倒。失钠达0.5g/kg体重以上时,可出现恶心、呕吐、血压下降、痛性吉尔痉挛,尿中无氯化物检出。
  过量
  正常情况下,钠摄入过多并不蓄积,但某些情况下,如误将食盐当食糖加入婴儿奶粉中喂养,则可引起中毒甚至死亡。急性中毒,可出现水肿、血压上升、血浆胆固醇升高、脂肪清楚率降低、胃黏膜上皮细胞受损等。钠的适宜摄入量(AI)成人为2200mg/d。
  代谢吸收
  人体钠的主要来源为食物。钠在小肠上部吸收,吸收率极高,几乎可全部被吸收,故粪便中含钠量很少。钠在空肠的吸收大多是被动性的,在回肠则大部分是主动的吸收。钠与钙在肾小管内的重吸收过程发生竞争,故钠摄入量高时,会相应减少钙的重吸收,而增加尿钙排泄。因尿钙丢失约为钙潴留的50%,故高钠膳食对骨丢失有很大影响。  

钠的重要化合物

  1、过氧化钠
 
金属钠的燃烧
  金属钠的燃烧
  化学式Na2O2,淡黄色粉末,密度2.805g/cm3。它具有强氧化性,在熔融状态时遇到棉花、炭粉、铝粉等还原性物质会发生爆炸。因此存放时应注意安全,不能与易燃物接触。它易吸潮,遇水或CO2时会发生反应,生成氧气。它不溶于乙醇,可与空气中的二氧化碳作用而放出氧气,常用在缺乏空气的场合,如矿井、坑道、潜水、宇宙飞船等方面,可将人们呼出的二氧化碳再转变为氧气,以供人们呼吸之用。过氧化钠在工业上常用做漂白剂、杀菌剂、消毒剂、去臭剂、氧化剂等。通常可通过在不含二氧化碳的干燥空气流中把金属钠加热到300℃来制取过氧化钠。由于它易潮解,易和二氧化碳反应,必须保存在密封的器皿中。
  2、氯化钠
  俗称食盐,是无色立方结晶或白色结晶。密度2.165g/cm3。熔点801℃。沸点1413℃。溶于水、甘油,微溶于乙醇、液氨。不溶于盐酸。在空气中微有潮解性。由海水(平均含2.4%氯化钠)引入盐田,经日晒干燥,浓缩结晶,制得粗品。亦可将海水,经蒸汽加温,砂滤器过滤,用离子交换膜电渗析法进行浓缩,得到盐水(含氯化钠160~180g/L)经蒸发析出盐卤石膏,离心分离,制得的氯化钠95%以上(水分2%)再经干燥可制得食盐(table salt)。还可用岩盐、盐湖盐水为原料,经日晒干燥,制得原盐。用地下盐水和井盐为原料时,通过三效或四效蒸发浓缩,析出结晶,离心分离制得。用于制造纯碱和烧碱及其他化工产品,矿石冶炼。食品工业和渔业用于盐腌,还可用作调味料的原料和精制食盐。
  3、氢氧化钠
  俗称火碱、烧碱、片碱、苛性钠。纯的无水氢氧化钠为白色半透明,结晶状固体。氢氧化钠极易溶于水,溶解度随温度的升高而增大,溶解时能放出大量的热,288K时其饱和溶液浓度可达26.4mol/L(1:1)。它的水溶液有涩味和滑腻感,溶液呈强碱性,具备碱的一切通性。市售烧碱有固态和液态两种:纯固体烧碱呈白色,有块状、片状、棒状、粒状,质脆;纯液体烧碱为无色透明液体。氢氧化钠还易溶于乙醇、甘油;但不溶于乙醚丙酮、液氨。对纤维、皮肤、玻璃、陶瓷等有腐蚀作用,溶解或浓溶液稀释时会放出热量;与无机酸发生中和反应也能产生大量热,生成相应的盐类;与金属铝和锌、非金属硼和硅等反应放出氢;与等卤素发生歧化反应。能从水溶液中沉淀金属离子成为氢氧化物;能使油脂发生皂化反应,生成相应的有机酸的钠盐和醇,这是去除织物上的油污的原理。
  4、碳酸钠
  俗称纯碱、苏打。溶于无水乙醇,不溶于丙醇。稳定性较强,但高温下也可分解,生成氧化钠和二氧化碳。长期暴露在空气中能吸收空气中的水分及二氧化碳,生成碳酸氢钠,并结成硬块。吸湿性很强 ,很容易结成硬块,在高温下也不分解。含有结晶水的碳酸钠有3种:Na2CO3·H2O、Na2CO3·7H2O 和 Na2CO3·10H2O。
  5、碳酸氢钠
  俗称小苏打。为晶体,或不透明单斜晶系细微结晶。比重2.159。无臭、味咸,可溶于水,微溶于乙醇。其水溶液因水解而呈微碱性,受热易分解,在65℃以上迅速分解,在270℃时完全失去二氧化碳,在干燥空气中无变化,在潮湿空气中缓慢分解。用作食品工作的发酵剂、汽水和冷饮中二氧化碳的发生剂、黄油的保存剂。可直接作为制药工业的原料,用于治疗胃酸过多。还可用于电影制片、鞣革、选矿、冶炼、金属热处理,以及用于纤维、橡胶工业等。同时用作羊毛的洗涤剂、泡沫灭火剂,以及用于农业浸种等。 食品工业中一种应用最广泛的疏松剂,用于生产饼干、糕点、馒头、面包等,是汽水饮料中二氧化碳的发生剂;可与明矾复合为碱性发酵粉,也可与纯碱复合为民用石碱;还可用作黄油保存剂。消防器材中用于生产酸碱灭火机和泡沫灭火机。橡胶工业利用其与明矾、H发孔剂配合起均匀发孔的作用用于橡胶、海棉生产。冶金工业用作浇铸钢锭的助熔剂。机械工业用作铸钢(翻砂)砂型的成型助剂。印染工业用作染色印花的固色剂,酸碱缓冲剂,织物染整的后处理剂。医药工业用作制酸剂的原料。
  6、超氧化钠
  常温时为淡黄色,高温时由深黄到橙黄,暴露在空气中会逐渐放出氧而失去黄色。若长期暴露在空气中,将变成过氧化钠、氢氧化钠及碳酸钠的混合物。保存于密闭容器内,温度在65℃以下较稳定,100℃时开始缓慢分解析出氧,250℃以上剧烈分解放出氧气。其为强氧化剂。接触易燃物、有机物、还原剂能引起燃烧爆炸。遇水或水蒸汽产生热, 量大时能发生爆炸。
  7、氧化钠
  分子式为Na2O ,白色固体。不燃,具腐蚀性、强刺激性,可致人体灼伤。对人体有强烈刺激性和腐蚀性。