В 1778 году в маленьком английском городке родился мальчик, который сыграл большую роль в истории химии и жизни общества в целом. Его звали Гемфри Дэви.
Во время учебы в школе у Гемфри не наблюдались какие-либо выдающиеся способности к науке или искусству. Он был обычным мальчишкой, не гением. После смерти отца Гемфри пошел работать помощником аптекаря, чтобы прокормить семью. Целыми днями ему приходилось смешивать жидкости, растирать порошки и развливать микстуры. Но, как ни странно, молодому человеку нравилось это занятие, и он часто сетовал на то, как мало знаний он вынес из школы.
И тогда он берется за самообразование, и много времени проводит в аптеке после ее закрытия. Книги становятся для него друзьями, открывающими удивительный и малоизученный мир химии. Его опыты — все сложнее и сложнее. Он изучает растворы, добывает газы.
За короткий срок Гэмфри Дэви завоевывает уважение и признание в научном кругу химиков. В 22 года он занимает должность помощника профессора химии в Лондонском королевском институте, где полностью посвящает себя любимой науке.
Взрыв натрия в воде
В начале XIX века было известно 15 химических элементов, а открытия все продолжались. Каждые несколько лет научное сообщество потрясали открытия. Часто случались и ошибки, когда за химический элемент принимали сложное вещество. Гемфри Дэви пришел в науку, когда было сделано одно из величайших открытий: ученые создали первый аппарат, дававший электрический ток. Люди еще не знали, какое огромное применение найдет себе невидимая сила электричества.
Гемфри Дэви оказался одним из первых, кто понял: электрический ток может помочь химику. Первыми его «жертвами» стали вещества, известные под названием «едкие щелочи». Внешне куски щелочи похожи на сахар-рафинад. Хранят их в плотно закупоренных банках, чтобы защитить от воздуха и влаги. Если взять такой кусочек в руки, кожа моментально покраснеет и воспалится.
А если щелочь попадет на одежду — дыра неизбежна.
Решив исследовать едкие щелочи, ученый собрал несколько электрических аккумуляторов и соединил их вместе, чтобы получилась батарея огромной мощности. Дэви хотел обрушить всю силу электричества на щелочь и понять, из каких элементов она состоит.
Он опускает два проводка в раствор щелочи — и жидкость забурлила, в ней начали появляться пузырьки (кислород и водород, из которых состоит вода). А щелочь? Где ее составные части? Долгое время попытки ученого были безуспешны.
Дэви брал растворы щелочи разной концентрации, сухие щелочи. Дело казалось безнадежным, но он гнал сомнения прочь и работал еще настойчивее. После множества опытов и бессонных ночей в поисках ответа Гемфри приходит в голову мысль, что щелочь должна быть не сухой, а чуть влажной. Терпение и настойчивость ученого были вознаграждены великолепным зрелищем: щелочь начала плавиться, а из нее выпрыгивали маленькие металлические шарики.
В первую минуту они казались похожими на ртуть, но затем взрывались или покрывались белым налетом и теряли свой металлический блеск. Так в щелочи был открыт новый металл, о существовании которого еще никто из ученых мира и не подозревал. Но с этим металлом предстояло еще много хлопот, стояла нелегкая задача — как сохранить его, чтобы изучить свойства. Капризный металл лишил Дэви покоя: он не хотел жить ни на воздухе, ни в воде, ни в спирте, ни в кислоте. Но… кто ищет, тот всегда найдет, и Дэви нашел для своего «любимца» удобную «квартиру»: он поместил его в банку с керосином.
🔥 Получил чистый НАТРИЙ из щелочи. Натрий своими руками.
Я думаю, вы уже догадались, что Дэви освободил из щелочи натрий. Так оно и есть. Позднее ученые нашли его в соде, поваренной соли. Это серебристый металл, который не тонет в воде, а плавает на ее поверхности. Плавится при очень невысокой температуре.
Для сравнения: легкоплавкому олову требуется температура 232 градуса, а натрию — 98.
Удивительна мягкость натрия: он свободно разрезается ножом. Самое незначительное присутствие воздуха или воды мгновенно изменяет натрий до неузнаваемости. Он присоединяет к себе атомы других элементов и превращается в сложное вещество. В природе много веществ, содержащих натрий. В воде ручьев, озер, рек, морей и океанов натрий находится в виде солей.
Одна из них — поваренная — постоянно с нами на обеденном столе.
Но кто же сосед натрия в поваренной соли, какой элемент связан с ним в белых кристаллах? История этого элемента также связана с именем Гемфри Дэви. Но не будем забегать вперед. Отправимся в те времена, когда химия не была точной наукой и ставила перед собой цель найти таинственный «эликсир жизни», с помощью которого можно было бы излечивать любые болезни, возвращать молодость. Ведь и в то темное время ставились интересные опыты и делались потрясающие открытия.
Так ученый Базилий Валентинус, прокаливая поваренную соль с медным купоросом и квасцами, получил новое, никому не известное вещество. Это вещество имело вид тяжелого белого дыма с резким, едким запахом. От него першило в горле. Исследователь собрал дым в стеклянную бутыль и добавил в него воды. Получилась прозрачная, бесцветная жидкость со жгучим, кислым вкусом.
Валентинус дает ей название: кислый спирт.
Позднее, в середине XVII века, вещество получило название «соляной спирт», так как его получали из соли. Лишь в XVIII веке ученые поняли, что это не спирт, а кислота. Одни ее называли соляной, а другие дали красивое название «муриевая». Предполагалось, что в ней содержится никому не известный элемент мурий. И вот началась погоня за мурием.
Ученые задыхались в парах удушливой кислоты, обжигали руки. Одним из исследователей муриевой кислоты был Карл Шееле. Молодой ученый в 1774 году в одном из опытов извлек из кислоты газ желто-зеленого цвета. Свойства газа были удивительными: он разъедал металлы, образовывая соли. Даже «благородные» металлы — золото и серебро — не могли устоять перед ним.
Если это кислота, тогда в ней должен быть кислород, ведь все известные кислоты его обязательно содержали. Все старания исследователей были направлены на то, чтобы найти в желто-зеленом газе кислород и тот таинственный элемент мурий, который все еще не был обнаружен.
Заинтересовался новым газом и Гемфри Дэви. Применив все известные ему методы химического анализа, Дэви решил сообщить о результатах своей работы. Это произошло 15 ноября 1810 года. Гемфри Дэви вступил в спор со своими коллегами и объявил, что в желто-зеленом газе нет и следов кислорода. Нет в нем и какого-либо другого постороннего вещества.
Газ этот не поддается никакому разложению. Было решено вычеркнуть его из списка кислот и считать простым веществом, химическим элементом. Название хлор соответствует его зеленой окраске (по-гречески «хлорос» означает «зеленый»).
Такова история открытия натрия и хлора — двух элементов, составляющих белый кристалл соли. Они абсолютно разные, но их союз дает миру потрясающее вещество — хлорид натрия.
Источник: www.shkolazhizni.ru
118 элементов. Глава 11: от уличного освещения до искусственной звезды
Прежде чем начать рассказ об одиннадцатом элементе Периодической системы, автор хочет сделать признание. Он работает в научной журналистике уже чертову дюжину лет, но химиком в душе остался. И читая по долгу службе тексты некоторых коллег, за эти годы он порядком утомился регулярно встречать два уникальных химических элемента, существующих только в русском языке некоторых журналистов. Речь, разумеется о содиуме и потассиуме. То бишь, натрии и калии. Но это так, крик души, а натрий…
То, что соединения элемента номер одиннадцать известны нам с древности, мы уже писали. Например, в статье о боре – ведь бура в своем составе содержит и бор, и натрий. Ну а то, что эти соединения давно вошли в пословицы и поговорки… «Соль земли», «пуд соли съели», «хлеб-соль»… Города Соль-Илецкий, Солигалич, Солекамск… Кстати, мало кто знает, что английское salary, «зарплата», происходит от salarium — соли, выдаваемой римским солдатам в числе других выплат.
Добыча соли в Боливии
Поваренная соль, NaCl, которая в обязательном порядке присутствует в любой кухне, нужна нашему организму не только для вкуса: без ионов натрия наш организм не может существовать: они участвуют в регуляции осмотического равновесия, pH, кровяного давления… Считается, что физиологический минимум ежедневной потребности в натрии – около полуграмма. Впрочем, много натрия – тоже плохо. Американская ассоциация сердца (American Heart Association) настоятельно рекомендует употреблять не более полутора граммов натрия в сутки.
Примерно тогда же стало известно и мыло с содой.
Но это – хлорид натрия и бура, натриевые соли жирных кислот и сода. А что же сам металлический натрий?
И натрий, и его более тяжёлый собрат калий, были открыты сэром Хэмфри Дэви в 1807 году. Он сам сообщил об этом 19 ноября в Лондоне на заседании Королевского общества. Натрий уделось выделить электролизом гидроксида натрия (едкого натра). Вот как пишет об этом открытии Менделеев:
«Соединяя с положительным (от меди или угля) полюсом кусок влажного (чтобы достичь гальванопроводности) едкого натра и выдолбив в нем углубление, в которое налита была ртуть, соединенная с отрицательным полюсом (катодом) сильного вольтова столба, Дэви заметил, что в ртути растворяется, при пропускании тока, особый металл, менее летучий, чем ртуть, и способный разлагать воду, вновь образуя едкий натр».
С названием путаница началась уже тогда. Сам Дэви предложил «потассиум» для калия и «содиум» для натрия. В 1809 году немецкий физик Людвиг Вильгельм Гилберт предложил «натроний» и «калий». И в 1814 году Йенс Якоб Берцелиус предложил «натрий» и символ Na для своей системы атомных символов.
Людвиг Вильгельм Гилберт
Через десять лет нашлось и применение странному мягкому металлу: с его помощью научились выделять чистый алюминий.
В 1860 году Густав Кирхгофф и Роберт Бунзен опубликовали в Annalen Der Physic Und Chemie статью о высочайшей чувствительности «огненного теста» на натрий: они показали, что ярко-желтая вспышка пламени хорошо заметна при содержании одной части натрия на 20 миллионов частей нагретого воздуха.
Линия D эмиссионного спектра натрия. 589 нанометров
Все это происходит из-за того, что в спектре натрия присутствует очень яркая желтая линия, «линия D», замеченная Фраунгофером на Солнце еще в 1814 году. Это сильно облегчает детектирование натрия, например, в космосе – и чуть было не провалило открытие гелия (помните, именно за «линию D» изначально приняли спектральные линии элемента номер два).
Именно эта линия «светится» в желтых уличных фонарях – пары натрия в газоразрядных трубках оказались в прямом смысле незаменимыми для освещения улиц городов. Шутка ли – срок службы лампы до 24 тысяч часов. «ДНаТ» означает Дуговая Натриевая Трубчатая – если вас интересует, как называется то, что делает наши улицы безопаснее. Впрочем, есть еще ДНаТБР — Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути.
Химикам-органикам тоже есть, за что сказать спасибо натрию – пробы Лассеня и Бельштейна позволяют качественно определить азот, серу и галогены в соединении.
Ну а как благодарны этому металлу современные российские атомщики! Ведь только в нашей стране работает промышленный реактор БН-800 на быстрых нейтронах. В нем жидкий натрий используется как теплоноситель (вода будет замедлять нейтроны). Добро пожаловать на Белоярскую АЭС.
Еще одно важное и очень необычное применение нашлось атомам натрия. Это тоже из тех историй, которые не упомянуты в «Популярной библиотеке химических элементов» и ради которых мы затеяли наш проект: много, очень много изменилось в химии и не только за 30 лет.
На этот раз речь пойдет о нейтральных атомах натрия в атмосфере Земли. «Натрий? В атмосфере?» — спросите вы. Да, это так. Оказывается, в нашей атмосфере на высоте от 80 до 105 километров (высота зависит от сезона и широты) существует крайне разреженный слой атомов натрия. Откуда они берутся?
В результате абляции их с врывающихся в земную атмосферу метеоров.
Но как нам обратить эти атомы нам на пользу? Оказывается, они могут помочь нам увидеть самые далекие галактики.
Как известно, главная проблема больших телескопов – это турбулентность атмосферы. Уже в 1980-годы появилась так называемая адаптивная оптика: небольшие рычажки-актюаторы аккуратно изгибали зеркало, корректируя искажения. Поначалу – вызванные изменением кривизны под действием влажности и температуры.
Но чтобы точно исправить искажения, внесенные самой атмосферой, нужно знать, какие искажения прямо сейчас присутствуют в очень небольшом поле зрения телескопа. Хорошо, если «в кадре» присутствует яркая и хорошо известная звезда, а если нет? И вот в этом случае нам может помочь изобретение наших соотечественников, Александра Прохорова и Николая Басова. Лазер.
Мощный лазер из купола телескопа бьёт в небо и зажигает искусственную звезду из возбуждённых атомов натрия на высоте почти в 100 километров. Яркая линия натрия хорого известна, и по ней можно оперативно подстроить зеркало с адаптивной оптикой. Сейчас все крупнейшие телескопы обзаводятся такими устройствами, а знаменитый VLT – Очень Большой Телескоп, а точнее – его четертый юнит Йепун сейчас уже использует сразу четыре луча, которые зажигают четыре звезды в углах поля зрения телескопа.
Зажжение искусственной звезды юнитом VLT
Кстати, говоря об использовании натрия в космических «делах», как не вспомнить тот факт, что почти 60 лет назад именно натрий успешно использовался для создания первой в истории искусственной кометы. Когда зонд «Луна-1» в 1959 году направился в свой путь вокруг Солнца мимо нашего спутника (фактически, он стал первой искусственной планетой), 3 января в 3:56:20 по московскому времени, на расстоянии в 119500 км от Земли аппарат выпустил из себя килограммовое облако паров натрия. В течение нескольких минут оно светилось оранжевым светом и наблюдалось с Земли как слабая звезда 6-й величины.
Почтовая марка, посвященная «Луне-1» с отметкой об искусственной комете
Все, кто учился в школе, хорошо помнят натрий на уроке химии. Это один из захватывающих экспериментов: еще бы, металл хранят в керосине или в масле, режут ножом, бросают в воду крошечный кусочек, который забавно бегает по поверхности воды (натрий хоть и тяжелее лития, но тоже не тонет), и поджигает водород. В лучших школах даже учат правилам работы с этим металлом: мало ли что.
А правила достаточно строгие: после работы нужно всю посуду, с которой он соприкасался и все обрезки нужно сначала залить спиртом, а потом то, что получилось залить слабым раствором кислоты. Иначе кусочек натрия может попасть в канализационный слив и устроить там взрыв. Будет грязно и неприятно – прецеденты известны. И да, в руки его брать тоже не стоит: может взорваться от влажности кожи прямо в руках.
С другой стороны, натрий натрию рознь. Как предсказал не раз уже упоминавшийся Артем Оганов и экспериментально подтвердил Михаил Еремец, под очень большим (200ГПа) давлением, натрий теряет все свои свойства: становится прозрачным, красным, перестает проводить электрический ток. Статья об этом появилась в журнале Nature в 2009 году.
На крайне правом снимке — прозрачный неметаллический натрий
Кстати, вернувшись к хлориду натрия, о котором мы рассказывали в самом начале. И здесь Оганов внес сумбур в школьные учебники химии. Процитируем его статью в Science, которая вышла в декабре 2013 года:
«Хлорид натрия (NaCl), или каменная соль, хорошо изучен и охарактеризован при обычном давлении. Благодаря большому различию в электроотрицательности между атомами Na и Сl, он обладает ионной химической связью со стехиометрией 1:1, определяемой балансом зарядов, и кристаллической структурой типа В1. При высоком давлении хлорид натрия утрачивает свою каноническую простоту, когда образуются устойчивые соединения Na3Cl, Na2Cl, Na3Cl2, NaCl3 и NaCl7, нарушающие наши привычные химические представления. Верифицируя расчеты, мы синтезировали кубическую и ромбическую NaCl3 при 55-70 ГПа, а также 2D-металлический тетрагональный Na3Cl. Эти результаты показывают, что соединения, противоречащие химической интуиции могут быть устойчивыми даже в простейших системах в нестандартных условиях».
Вот не мог оставить хотя бы святое, хотя бы поваренную соль в покое! Теперь же двоечникам будет раздолье в школе на уроках по химии: «Оганов разрешил!»
Текст: Алексей Паевский
Источник: mendeleev.info
НАТРИЙ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕМЕНТА
По распространенности, на нашей планете натрий занимает шестое место среди всех элементов. Природные соединения натрия — это полевые шпаты и каменная соль, криолит и селитра, мирабилит и бура, нефелин и ультрамарин.
И не удивительно, что с соединениями натрия наши предки познакомились очень давно. Питекантропу хлористый натрий был так же необходим, как и современному человеку.
В Ветхом завете упоминается некое вещество «нетер». Это вещество употреблялось, по современной терминологии, как моющее средство. Скорее всего нетер — это просто сода, углекислый натрий, который образовывался в соленых египетских озерах с известковыми берегами. Об этом же веществе, но под названием «нитрон» писали позже греческие авторы Аристотель , Диоскорид , а древнеримский историк Плиний Старший, упоминая это же вещество, называл его уже «нитрум». (Как это часто бывает, в конце концов возникла путаница, и в XVI в. термином «нитрум» обозначали селитру — азотнокислый натрий.)
У арабских алхимиков вместо «нитрум» употреблялся термин «натроп». От «натрона» и произошло современное название «натрий».
В XVIII в. химикам было известно уже очень много различных соединений натрия. Соли натрия широко применялись в медицине, при выделке кож, при крашении тканей. И хотя о соединениях натрия знали очень много, сам элемент вплоть до XIX в. открыт не был. Слишком активен этот металл, чтобы его можно было выделить традиционными химическими методами.
Получение натрия из щелочи
19 ноября 1807 г. в Лондоне на заседании Королевского общества сэр Хэмфри Дэви объявил об открытии им новых элементов — натрия и калия. Выделить эти элементы удалось с помощью электрического тока. Единственным реально применимым источником электричества в то время был вольтов столб.
Вольтов столб, которым пользовался Дэви, состоял из 250 пар медных и цинковых пластин. Д. И. Менделеев так описывает открытие Дэви: «Соединяя с положительным (от меди или угля) полюсом кусок влажного (чтобы достичь гальванопроводности) едкого натра и выдолбив в нем углубление, в которое налита была ртуть, соединенная с отрицательным полюсом (катодом) сильного вольтова столба, Дэви заметил, что в ртути растворяется, при пропускании тока, особый металл, менее летучий, чем ртуть, и способный разлагать воду, вновь образуя едкий натр».
Дэви первым изучил свойства натрия и калия, он отметил легкую окисляемость щелочных металлов, указал, что пары натрия воспламеняются на воздухе. Выделение щелочных металлов было, конечно, выдающимся открытием в химии, но технике того времени оно не дало ровным счетом ничего. Более того, никто не знал, какую вообще пользу могут принести мягкие и очень активные металлы, воспламеняющиеся под действием воды.
Источник: znaesh-kak.com