ХІМІЯ - Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання

8.2. Елементи головної підгрупи І групи¹

8.2.2. Натрій і Калій

Натрій — 11-й елемент періодичної таблиці, заряд ядра — +11. Хімічний символ — Na. Природний Натрій складається з одного стабільного ізотопу — ²³Na; відомо також 6 радіоактивних ізотопів. Калій — 19-й елемент періодичної таблиці, заряд ядра — +19. Хімічний символ — К. У природі є два стабільні ізотопи — ³⁹К (93,3 %) і ⁴¹К (6,7 %) — і один радіоактивний — ⁴⁰К (0,012 %), який вважають одним з основних джерел геотермальної енергії, що виділяється у надрах Землі. У мінералах, які містять Калій, ⁴⁰К поступово перетворюється на ⁴⁰Аr, що дає змогу вимірювати вік гірських порід (калій-аргоновий метод).

Електронні формули:

Поширеність Натрію і Калію в природі

Натрій і Калій — доволі поширені в природі елементи (кларки¹ Натрію і Калію у земній корі становлять відповідно 25 і 24 кг/т), але внаслідок високої хімічної активності трапляються лише у вигляді сполук². Входять до складу солей морської води, мінералів та гірських порід.

Натрій хлорид NaCl — основний компонент (77,8 %) морської солі³: Світовий океан містить 4 · 10¹⁵ т NaCl. З кожної тонни морської води можна отримати близько 1,3 кг NaCl. Натрій хлорид трапляється у вигляді мінералу галіту (становить 90 % кам ’яної солі), який утворює кірки на стінках кратерів вулканів, а також потужні поклади в землі, товщина яких може сягати 100 м. Природними сполуками Натрію є також чилійська селітра NaNO₃, мірабіліт (мінерал глауберової солі Na₂SO₄ · 10Н₂O, один з найлегших природних мінералів, густина — 1,49 г/см³), бураNa₂B₄O₇ · 10Н₂O, польові шпати, нефелін і деякі інші силікати.

На частку солей Калію (КСl, K₂SO₄) припадає близько 5 % маси морської солі (або 380 мг йонів Калію на літр морської води). Калій міститься у складі декількох сотень мінералів: ортоклазу К₂O · Аl₂O₃ · 6SiO₂ (майже 18% маси земної кори)⁴, сильвіну КСl, сильвініту КСl · NaCl, карналіту КСl · MgCl₂ · 6Н₂O, каїніту КСl · MgSO₄ · 3Н₂O, калійної солі (багатокомпонентного мінералу, який містить усі вказані солі).

Йони К⁺ та Na⁺ входять до складу всіх клітин, беруть участь у багатьох життєво важливих процесах, зокрема підтриманні водного, електролітного, кислотно-лужного балансу.

Фізичні властивості натрію та калію

Натрій і калій легші за воду: густина — 0,97 і 0,856 г/см³ відповідно. Натрій має хорошу електро- і теплопровідність, температура плавлення — 97,86 °С, а кипіння — 883,15 °С, що й визначає (разом з відносною дешевизною добування) широту його застосування. Відносна молекулярна маса натрію — 23, молярна маса — 23 г/моль. Відносна молекулярна маса калію — 39, молярна Масі — 39 г/моль. Електронегативності Натрію і Калію за Полінгом становлять відповідно 0,93 і 0,82, Солі Натрію забарвлюють полум’я газового пальника в жовтий колір, солі Калію — в рожево-фіолетовий. Легко утворюють сплави із ртуттю (амальгами).

Добування натрію та калію

Натрій і калій одержують електролізом розплавів їхніх солей (хлоридів) та гідроксидів:

Крім того, калій добувають під час взаємодії натрію з калій хлоридом (реакцію проводять у розплаві).

Хімічні властивості натрію та калію

1. Калій і натрій реагують з простими речовинами:

✵ з киснем повітря за нормальних умов, утворюючи натрій пероксид та калій надпероксид, а тому ці метали зберігають під шаром гасу, оскільки вони на повітрі енергійно реагують з киснем:

2Na + О₂ = Na₂О₂

Також утворюється незначна кількість натрій оксиду:

✵ з воднем, утворюючи гідриди; у гідридах ступінь окиснення Гідрогену становить -1:

2К + Н₂= 2КН

Гідриди легко розкладаються водою з виділенням водню:

✵ з галогенами, у їхній атмосфері (F₂, Сl₂ та парів Вr₂) самозаймаються, утворюючи галогеніди:

✵ з іншими неметалами — азотом, фосфором, сіркою — при нагріванні:

2. Калій і натрій реагують зі складними речовинами:

✵ з водою за нормальних умов енергійно (з вибухом):

✵ з кислотами:

а) з кислотами, що є слабкими окисниками, утворюється сіль та виділяється водень:

б) з кислотами-окисниками (з вибухом), однак водень не утворюється:

✵ з органічними речовинами:

а) зі спиртами:

б) з фенолом:

в) з галогеноалканами:

Застосування натрію і калію

Натрій як сильний відновник використовують у хімічній промисловості (відновлення вищих спиртів у виробництві синтетичних мийних засобів) та кольоровій металургії рідкісних металів (цирконію), а як каталізатор — у виробництві синтетичного (бутадієнового) каучуку. Його застосовують у машинобудуванні (виробництво підшипників), у виробництві тетраетилсвинцю (антидетонатора пального). Металічний натрій (а також його сплави з калієм, рубідієм, цезієм) використовують як теплоносій в атомних реакторах, клапанах авіаційних двигунів тощо. Натрій застосовують у виробництві газорозрядних ламп високого й низького тиску, які використовують у промисловості та для освітлення вулиць (жовте світло). Натрій використовують в аналітичній хімії. За його допомогою очищують речовини від слідів води.

Металічний калій, на відміну від натрію, не має суттєвого промислового значення. Його використовують як каталізатор у виробництві деяких видів синтетичного каучуку та в аналітичній хімії.

¹ Кларкове число (або кларк) елемента — число, яке виражає середній склад хімічних елементів у земній корі, гідросфері, космічних тілах тощо стосовно загальної маси системи. Розрізняють масові (виражають у процентах, г/кг, кг/т) та атомні (у процентах від кількості атомів у системі) кларки.

² У верхніх шарах атмосфери (близько 80 км) виявлено шар атомарного Натрію.

³ Морська сіль дещо відрізняється за смаком від кам’яної: гіркуватий присмак їй надають солі Магнію, концентрація ; яких трохи більша 15 %.

⁴ Ортоклаз, адуляр, мікроклін і санидін — речовини одного складу (KAlSi₃O₈), але різної структури, утворюють групу калієвих польових шпатів (КПШ).