鈉 Na
鈉(英文名:Sodium)是一種堿金屬化學(xué)元素,元素符號(hào)為Na ,位于第三周期第ⅠA族 ,屬于s區(qū)元素 ,原子序數(shù)為11、原子量為22.99 ,其電子排布為1s22s22p?3s1 。通常情況下,常溫下的鈉為質(zhì)地軟、輕、蠟狀且伸展性極好的銀白色金屬固體 ,20 ℃時(shí)的密度為971 kg/m3,熔點(diǎn)為97.81 ℃ ,沸點(diǎn)為881.4 ℃ ,可溶于 液氨 、汞,不溶于苯、 石腦油 、 煤油 。 鈉的化學(xué)性質(zhì)活潑,在空氣中容易發(fā)生氧化轉(zhuǎn)變?yōu)榘祷疑膳c許多金屬、非金屬和有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 鈉有22種同位素,分別為1?Na-3?Na, Na是唯一穩(wěn)定的同位素,其他同位素都帶有放射性。
基本信息
物理性質(zhì)
外觀
質(zhì)地軟、輕、蠟狀且伸展性極好的銀白色金屬固體
原子性質(zhì)
在自然界中,鈉僅以化合物的形式廣泛地分布于陸地和海洋中,是地殼中含量排名第六的元素。 鈉是動(dòng)植物的必需元素, 鈉廣泛存在于人體肌肉組織和神經(jīng)組織中,是細(xì)胞外液的主要 陽離子 ,起到維持滲透壓、維持酸堿平衡、維持神經(jīng)和肌肉的正常興奮性的等作用。 由于鈉活潑的化學(xué)性質(zhì),在許多情況下都具有一定的危險(xiǎn)性。如鈉在遇水或暴露在潮濕空氣中會(huì)發(fā)熱,且極易引起燃燒或爆炸。 對(duì)于鈉的消防處理,只能采用干沙或干粉進(jìn)行滅火。
工業(yè)上常用的生產(chǎn)鈉的方法是通過電解熔融氯化鈉制備 。鈉廣泛用于化工生產(chǎn) 、照明行業(yè) 、電池行業(yè) 和鋼件淬火中 。
發(fā)現(xiàn)歷史 1807年,英國(guó) 化學(xué)家 漢弗里·戴維 (Humphry Davy)通過電解熔融 氫氧化鈉 首次分離獲得了質(zhì)地柔軟的銀白色鈉。相關(guān)化學(xué)反應(yīng)方程式如下: 1891年,采用電解熔融氫氧化鈉制備金屬鈉用于工業(yè)生產(chǎn)的方法獲得首次成功。
1921年,電解氯化鈉制備金屬鈉的方法開始用于工業(yè)生產(chǎn)。
分布情況 在自然界中,鈉不以單質(zhì)形式存在,通常以化合物(鈉鹽)的形式廣泛地分布于陸地和海洋中,其在海水中的含量約為2.7% ,在地殼中含量約占2.4%,是地殼中排名第六的元素。 海洋、 鹽湖 和鹽井是重要的鈉資源,對(duì)于礦物來說,鈉主要存在于巖鹽、 天然堿 , 硝石 和 芒硝 中。 鈉也是人體中的重要元素成分之一,成人體內(nèi)鈉含量為6200-6900 mg/kg。 鈉廣泛存在于人體肌肉組織和神經(jīng)組織, 且通常情況下約44%-50%的鈉存在于細(xì)胞外液中,40%-47%的鈉存在于骨骼中,9%-10%的鈉存在于 細(xì)胞內(nèi)液 。
物質(zhì)結(jié)構(gòu)
原子結(jié)構(gòu) 鈉原子的原子半徑為0.186 ,其核外電子排布為1s22s22p?3s1,由一個(gè)帶11個(gè)正電荷的核和核外11個(gè)電子組成。核外11個(gè)電子分為三個(gè)電子層,由內(nèi)向外分別含有2個(gè)、8個(gè)和1個(gè)電子。因此鈉的原子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在發(fā)生反應(yīng)時(shí)更傾向于失去最外層的單個(gè)電子形成8個(gè)電子的最外層電子層形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 。
晶體結(jié)構(gòu) 鈉晶體屬于金屬晶體,鈉原子之間以金屬鍵相互作用。鈉的晶胞中含有2個(gè)鈉原子,分別位于晶胞中的原點(diǎn)和體心 。
鈉晶體為體心立方結(jié)構(gòu) ,每個(gè)鈉原子周圍都含有8個(gè)相鄰的鈉原子 ,這8個(gè)鈉原子形成一個(gè)平行六面體結(jié)構(gòu)單元,只包含一個(gè)鈉原子 。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 通常情況下,常溫下的鈉為質(zhì)地軟、輕、蠟狀且伸展性極好的銀白色金屬固體 ,20 ℃時(shí)的密度為971 kg/m3 ,熔點(diǎn)為97.81 ℃ ,沸點(diǎn)為881.4 ℃ ,可溶于液氨、汞,不溶于苯、石腦油、煤油 。在干燥空氣中鈉可在>115 ℃的溫度條件下發(fā)生自燃。 鈉的臨界點(diǎn)為2299.85 ℃、35.46 MPa ,其熔化熱和汽化熱分別為113.5 kJ/kg 和4212 kJ/kg ,327 ℃時(shí)的蒸氣壓為0.042 mmHg 。
鈉是優(yōu)良的導(dǎo)熱體和導(dǎo)電體,具有良好的導(dǎo)磁性,同時(shí)也具有良好的延展性;鈉因其質(zhì)地柔軟可用小刀切割,其新切面有銀白色光澤,會(huì)在空氣中氧化轉(zhuǎn)變?yōu)榘祷疑揖哂锌垢g性。
化學(xué)性質(zhì)
與非金屬化合物反應(yīng)
與水反應(yīng) 鈉的化學(xué)性質(zhì)活潑,在常溫或加熱時(shí)可與水發(fā)生爆炸性反應(yīng)。
與氨氣反應(yīng) 鈉與氨氣在鐵或 鐵離子 的催化下可反應(yīng)生成 氫氣 ,而鈉與 液態(tài)氨 作用時(shí)不會(huì)有氫氣放出。
與二氧化碳反應(yīng) 鈉與二氧化碳在350 ℃的溫度條件下和赤熱的條件下反應(yīng)分別生成 草酸鈉 和碳酸鈉。
與鹵化氫反應(yīng) 鈉可與鹵素化合物反應(yīng)生成相應(yīng)的鹵化鈉和氫氣。
與單質(zhì)反應(yīng)
與金屬單質(zhì)反應(yīng) 鈉和鉛可在熔融狀態(tài)下反應(yīng)生成鈉鉛合金;
也可在氯乙烷的存在下相互翻譯生成氯化鈉。
與非金屬單質(zhì)反應(yīng) 鈉的化學(xué)性質(zhì)活潑,在常溫或加熱時(shí)可與氧氣化合。
鈉可與氫氣在一定溫度條件下反應(yīng)生成 氫化鈉 。
與有機(jī)物反應(yīng) 鈉可與低元醇反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。
在一定溫度條件下,鈉可與乙炔反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。
同位素 鈉的已知同位素有22種,分別為 Na- Na,其中唯一穩(wěn)定存在的同位素為 Na,除此之外其余的同位素都帶有放射性。 其中 Na的半衰期為2.601 9 a,放射性衰變方式(分支比,%):β (89.9),EC(10.1)。
生理功能
促進(jìn)植物生長(zhǎng) 鈉是土壤和植物種的重要元素,其含量對(duì)于植物的生長(zhǎng)具有重要影響。鈉是植物生長(zhǎng)過程中必須的營(yíng)養(yǎng)元素,適當(dāng)適量的對(duì)植物施鈉可明顯提高植物產(chǎn)量,且鈉含量過高會(huì)影響 土壤堿化 ,抑制植物生長(zhǎng)。 鈉元素 對(duì)于部分農(nóng)業(yè)作物的生長(zhǎng)是有益的,可以起替代鉀元素的功能,當(dāng)鉀元素營(yíng)養(yǎng)供給不足時(shí),適當(dāng)提高鈉的可以明顯促進(jìn)植物的生長(zhǎng),提高作物產(chǎn)量。對(duì)于部分具有C4光合途徑和景天酸代謝(CAM)途徑的植物種類,磷酸烯醇式丙酮酸的再生、 葉綠素 合成、丙酮酸鹽(或酯)通過葉綠體被膜的運(yùn)移等都需要鈉的參加,施鈉能夠刺激這些植物的生長(zhǎng)。 鈉在調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓方面比鉀的作用更明顯,對(duì)許多鹽土植物都有明顯的生長(zhǎng)效應(yīng)。
鈉可調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞運(yùn)動(dòng),作為長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)姆聪螂x子,參與光電合成等。另外,某些鹽生植物的特殊酶類也需要Na,但在細(xì)胞質(zhì)中,許多酶的活性能被K 激活,而被Na 抑制。
維持生命活動(dòng) 鈉是人體必不可少的常量元素,具有調(diào)節(jié)體內(nèi)水分、維持酸堿平衡和血壓正常、增加神經(jīng)肌肉興奮性和組成 鈉泵 等生理功能。 鈉廣泛存在于細(xì)胞外液中和細(xì)胞內(nèi)液的鉀共同維持著細(xì)胞內(nèi)外體液的滲透壓平衡;鈉可以參與肌肉收縮、神經(jīng)傳導(dǎo)、碳水化合物的吸收等生理活動(dòng),協(xié)助神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉的正常運(yùn)作;鈉還可以使鈣或其他礦物質(zhì)在血液中正常溶解。 鈉有維持血壓的功能。鈉調(diào)節(jié)細(xì)胞外液,構(gòu)成 細(xì)胞外液滲透壓 ,細(xì)胞外液鈉濃度的持續(xù)變化對(duì)血壓有很大影響。 鈉有調(diào)節(jié)水分的功能。鈉是維持體內(nèi)水量的恒定主要元素,鈉的含量直接決定誰的含量,所以攝人過多的食鹽,則會(huì)發(fā)生水腫;過少則會(huì)易引起脫水。
鈉有對(duì)ATP的生成和利用的作用,因此鈉的含量對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)、心血管功能及能量代謝都有影響。鈉不足時(shí)ATP的生成和利用減少,能量的生成和利用較差,會(huì)使神經(jīng)肌肉傳導(dǎo)遲鈍,出現(xiàn)肌無力、神志模糊甚至昏迷或出現(xiàn)心血管功能受抑制的癥狀。
鈉有維持酸堿平衡的作用。鈉在腎臟被重吸收后,與氫離子交換,可清除體內(nèi)的二氧化碳,保持體液的酸堿度恒定。腎對(duì)鈉的主動(dòng)重吸收,引起氯的被動(dòng)重吸收,有利于胃酸的形成,幫助 消化。
制備方法
食鹽熔融電解法 通過電解熔融氯化鈉可以制備金屬鈉,其原理如下:
在電解過程中加入 氯化鈣 可以使氯化鈉的熔點(diǎn)降低到600 ℃,防止鈉揮發(fā)和促使生成的金屬鈉在熔融物質(zhì)中上浮,避免其分布在熔融鹽中,降低產(chǎn)率。
電解燒堿法 該方法以燒堿為原料,加入 硝酸鈉 、硫調(diào)色劑等,以鐵為陽極,銅為陰極電解制備金屬鈉。
鋯還原制備法 將原料鉬酸鈉和鋯粉按照一定的化學(xué)比例均勻混合,并壓成棒狀,在石英管中加熱并抽至真空加熱至一定溫度,即可發(fā)生反應(yīng),金屬鈉會(huì)凝附在石英管的內(nèi)壁。
堿金屬的疊氮化物高溫分解制備法 以 疊氮化鈉 為原料在真空高溫的條件下加熱分解,即可制備較純且不含雜質(zhì)氣體的金屬鈉。其反應(yīng)原理如下:
檢測(cè)方法 可采用 高氯酸 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定法來測(cè)定有機(jī)酸堿金屬鹽類物質(zhì)的含量。以有機(jī)堿羧甲基纖維素鈉為例,采用冰醋酸作為 酸性溶劑 ,增強(qiáng)其相對(duì)堿度,便于強(qiáng)酸性的高氯酸滴定,同時(shí)加入一定量的 乙酸酐 去除水分,以結(jié)晶紫為指示劑、高氯酸標(biāo)準(zhǔn)溶液-冰醋酸作為滴定劑,即可測(cè)定鈉的含量,滴定至溶液顯藍(lán)綠色即為滴定終點(diǎn)。
應(yīng)用領(lǐng)域
化工生產(chǎn) 鈉可作為許多化工產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料,如 氨鈉 法制備的 氰化鈉 、置換 氧化鉀 制備金屬鉀、還原四氯化鈦生產(chǎn) 海綿鈦 。同時(shí)還可以作為許多產(chǎn)品的中間體,如氨基鈉作為染料 靛藍(lán) 粉中間體、 硼氫化鈉 、 原甲酸三甲酯 和甲酸三乙酯等的醫(yī)藥中間體。
照明行業(yè) 鈉燈是一種氣體放電燈,在防腐蝕的玻璃外殼內(nèi)兩端裝有電極,抽至真空后加入一定量的鈉,通電后鈉蒸發(fā),受電子激發(fā)的影響即可發(fā)出黃光。 按照鈉蒸氣壓力的高低可分為 低壓鈉燈 和高壓鈉燈,高壓鈉燈具有耗電少、壽命長(zhǎng)和可以良好的穿透霧氣等優(yōu)點(diǎn),是機(jī)場(chǎng)、碼頭和高速公路 等場(chǎng)所的必要設(shè)備。
醫(yī)藥行業(yè) 鈉可作為制造西力生、維生素和咖啡因 等醫(yī)藥產(chǎn)品的制作原料。
鈉離子電池 與 鋰離子電池 類似,鈉離子電池通過正電荷電子在電極之間的穿梭運(yùn)動(dòng)而放電。與鋰離子電池相比,鈉離子電池可用性更高且成本更低,但鈉離子電池較為適用于固定應(yīng)用場(chǎng)景。 鈉離子電池屬于新一代的化學(xué)能源,鈉資源豐富,成本低廉分布廣泛,具有更高的半電池點(diǎn)位和更加穩(wěn)定的電化學(xué)性能,具有更高的安全性。 鈉離子電池的質(zhì)量重,適用于大型設(shè)備能量存儲(chǔ),因此可應(yīng)用于工業(yè)、航天、軍事等能量存儲(chǔ)領(lǐng)域。 鈉離子 低成本,更使得鈉離子電池有望在智能電網(wǎng)及可再生能源的大規(guī)模儲(chǔ)能中實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。
鋼件猝火 熔融鈉的冷卻能力強(qiáng)。液態(tài)鈉的溫度范圍較廣,復(fù)合鋼鐵零件熱處理所需溫度范圍,可根據(jù)熱處理要求適當(dāng)?shù)?a class="dict" href="/azgame/od2747207.html">選擇 熔融鈉的溫度。熔融鈉主要用于鋼件淬火后的回火,也可用于后續(xù)熱處理加熱,具有熱導(dǎo)率高、傳熱系數(shù)高和粘度低等優(yōu)點(diǎn)。
安全事宜
健康危害 體內(nèi)缺乏鈉會(huì)造成生長(zhǎng)緩慢、食欲不振、體重減輕、 肌肉痙攣 、嘔吐腹瀉、頭痛等癥狀;若乳母體內(nèi)缺乏鈉,則會(huì)出現(xiàn)乳汁分泌不足的癥狀。長(zhǎng)期不食用加食鹽的食物或經(jīng)常出現(xiàn)出汗、嘔吐、腹瀉,都會(huì)出現(xiàn)鈉缺乏癥。 體內(nèi)鈉過量會(huì)破壞體液、血液的平衡,造成體液和血液的酸堿度失調(diào),同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致高血壓以及腎臟負(fù)擔(dān)過重而引發(fā)的腎臟疾病。
鈉失衡的改善措施 當(dāng)體內(nèi)鈉含量過低,可通過飲用淡鹽開水和適當(dāng)?shù)氖秤酶缓c的食物,如豆類紅豆、水果類香蕉和巧克力等。
當(dāng)體內(nèi)鈉含量過高時(shí),對(duì)于高血壓患者的初期鈉過高可以注意飲食以少量鈉為主,并通過運(yùn)動(dòng)、睡眠來調(diào)整;對(duì)于潴鈉性高鈉血癥,可通過速尿、利尿酸鈉等促使鈉、水由腎排出;對(duì)于濃縮性高血鈉,建議科學(xué)地補(bǔ)充水分,并采取措施制止水分繼續(xù)丟失,以使過高血滲透壓得以下降 。
泄露應(yīng)急處理
消防安全 鈉在遇水或暴露在潮濕空氣中會(huì)發(fā)熱,且極易引起燃燒或爆炸;與碘或乙炔反應(yīng)劇烈,極易引起燃燒或爆炸。在一定溫度下遇四氯化碳在會(huì)發(fā)生爆炸。
對(duì)于有關(guān)鈉的火災(zāi)消防處理,可以采用干沙或干粉進(jìn)行滅火如干燥氯化鈉粉末、干燥 石墨粉 、碳酸鈉干粉、碳酸鈣干粉、干沙等滅火。禁止使用水、泡沫、二氧化碳等滅火劑進(jìn)行滅火。
儲(chǔ)存 鈉在空氣中容易氧化,通常保存在煤油中 。儲(chǔ)存于陰涼、干燥、通風(fēng)良好的專用庫房?jī)?nèi),遠(yuǎn)離火種、熱源。鈉需密封包裝,不可與空氣接觸,應(yīng)與氧化劑、酸類、鹵素等分開存放,禁止混存。庫房應(yīng)采用防爆型照明、通風(fēng)設(shè)施,同時(shí)禁止采用易產(chǎn)生火花 的機(jī)械設(shè)備和工具,儲(chǔ)區(qū)應(yīng)備有合適的材料收容泄漏物。 。