SPOJEVI, DOBIVANJE I UPORABA

Dobivanje natrija:

Natrij je vrlo reaktivan metal. Zbog negativnog redukcijskog potencijala, elementarni natrij se ne može dobiti elektrolizom iz vodenih otopina, već elektrolizom taline njegovog hidroksida ili klorida (NaOH, NaCI). 

Industrijska primjena Davyjeve metode elektrolize taline natrijevog hidroksida počela 1891. g. kada je H.Y. Castner patentirao elektrolitičku ćeliju. Na anodi se izlučuje kisik (pri čemu nastaje i voda), a na katodi se izlučuje natrij koji se djelomično gubi jer voda oslobođena na anodi difundira kroz elektrolit i dolazi u kontakt s elementarnim natrijem razvijajući vodik prevodeći natrij ponovno u natrijev hidroksid. Ova reakcija može se znatno usporiti ako se spriječi difuzija vode kroz elektrolit. Jedan od načina je stvaranje zone od čvrstog NaOH u elektrolitu što se postiže hlađenjem. Prednost ovog postupka je u niskom talištu natrijevog hidroksida (-318°C) zbog čega je potrebno manje energije za održavanje elektrolita u rastaljenom stanju. Nedostaci ovog postupka su gubitak dijela izlučenog natrija, kratak vijek trajanja elektroda i ćelija te visoka cijena NaOH.

Postupak proizvodnje natrija elektrolizom taline NaCI uveden je 1921. g. kada je američka tvrtka Rossler Hasslacher Chemical & Co. u Niagara Fallsu patentirala Downsovu ćeliju za elektrolizu. Ona se sastoji od kotla načinjenog od vatrostalnih opeka u koji s donje strane ulazi anoda od grafita, a katoda je željezni valjak koji prstenasto okružuje anodu. Anoda je odozgo pokrivena zvonom od željeznog lima kroz koje se plinoviti klor odvodi na čišćenje u spremnike. Anodni prostor je od katodnog odvojen dijafragmom. 

Budući da NaCI ima visoko talište (801°C), dodaje mu se CaCl2 koji ga snižava na ok 600°C. Zbog toga se na katodi, pored natrija, izlučuje i kalcij. Nastali tekući natrij, koji im manju gustoću od taline, ispliva na površinu taline iznad katode u obodni žlijeb zvona, uzdiže se uzduž okomite željezne cijevi i prelijeva u spremnik. Nastali kalcij, zbog hlađenja u željezne cijevi, kristalizira i pada natrag u talinu te reagirajući s njom daje kalcijev klorid i natrij. 

Prednost ovog postupka je u znatno nižoj cijeni natrijevog klorida u odnosu na natrijev hidroksid, što u tijeku procesa ne nastaje voda pa je i iskorištenje električne struje veće i što kao anodni proizvod nastaje klor koji se može upotrijebiti u druge svrhe.

Nedostatak ovog postupka je visoko talište natrijevog klorida pri čemu se, uslijed isparavanja, gube velike količine izlučenog natrija, te je utrošak energije veći. Unatoč tome danas sve više prevladava postupak elektrolize otopine NaCl.


Svojstva i uporaba natrija:

Natrij je srebrnobijel, mekan metal koji se lako reže nožem. Ima prostorno centriranu kubičnu strukturu. Pri temperaturama iznad vrelišta dio natrijevih para nalazi se u obliku dvoatomnih molekula Na2. Tipična metalna svojstva natrija očituju se u velikoj toplinskoj i električnoj vodljivosti, malom specifičnom električnom otporu i niskoj elektronegativnosti koja je uzrok vrlo velikoj kemijskoj reaktivnosti. Zapaljiv je, a kod gorenja zrači intenzivnu, skoro monokromatsku, žutu svjetlost. Spektroskopskom analizom zračenja para natrija utvrđeno je da u vidljivom dijelu spektra ima samo dvije, vrlo bliske, emisijske linije žute boje koje se u početku nisu mogle niti razlučiti. Burno reagira s vodom, čak i ledom, zbog čega se mora čuvati u petroleju. Reakcijom natrija s vodom nastaje hidroksid (NaOH) i vodik koji sa zrakom može stvoriti eksplozivni plin praskavac. Na vlažnom zraku lako oksidira pri čemu se sjajna površina natrija pokrije slojem natrijevog hidroksida. Ima izrazita redukcijska svojstva i lako reagira s brojnim anorganskim i organskim tvarima stvarajući različite spojeve i legure. Stoga nalazi široku upotrebu u industrijskim kemijskim sintezama. Pri sobnoj temperaturi reagira s fluorom, ali ne reagira s dušikom, argonom, bromom i jodom. Dobro se otapa u tekućem amonijaku, sumporovom(IV)-oksidu, živi i rastaljenim metalima, npr. olovu, cinku i kositru. Otapanjem u amonijaku nastaje crvena otopina dobre provodnosti električne struje. Razrijeđene otopine u amonijaku su plave boje. Natrij se ne otapa u mineralnim uljima i ugljikovodicima, već s njima stvara koloidne disperzije. 

loni Na+ u izvanstaničnim tjelesnim tekućinama imaju važnu ulogu u organizmu jer održavaju osmotsku ravnotežu. Natrij se u organizam unosi hranom kao natrijev klorid, a njegovu koncentraciju u tijelu reguliraju bubrezi. Pomanjkanje iona Na+ u krvnoj plazmi (hiponatrijemija) uzrokuje dehidriranje, acidozu i atrofiju tkiva, a povećanje koncentracije iona Na+ (hipernatrijemija) dovodi do stvaranja edema i hipertenzije (stanje povišenog krvnog tlaka).

Natrij nije toksičan, ali zbog njegove zapaljivosti i zbog stvaranja lužine u dodiru s vlagom s njim se mora pažljivo rukovati. Izjeda kožu stvarajući opekline i duboke rane te je jako opasan za sluznicu i oči. Ako dođe u dodir s kožom, a još nije stvorio opekline, koža se mora dobro isprati alkoholom, nakon toga vodom i na kraju s vrlo razrijeđenom kiselinom. Požar izazvan natrijem gasi se suhom kuhinjskom soli, sodom, pijeskom, cementom, grafitnom prašinom ili željeznom piljevinom. Požar se nikako ne smije gasiti vodom niti vatrogasnim aparatima u kojima je ugljikov dioksid ili tetraklorugljik jer natrij pri povišenoj temperaturi reagira s tim tvarima. 

Metal natrij se u metalurgiji ne primjenjuje, a u kemijskoj industriji upotrebljava se kao snažno redukcijsko sredstvo ili kao katalizator u brojnim organskim sintezama kao što su sinteza indiga, različitih vitamina, silikona, barbiturata, mirisa, u polimerizaciji butadiena, izoprena, stirena, itd. Ipak, najveće količine natrija upotrebljavaju se u proizvodnji tetraetilolova i tetrametilolova koji se koristi u standardnim olovnim benzinima (kao antidetonator, danas je uglavnom ekološki neprihvatljiv). Upotrebljava se za dobivanje titanija redukcijom titanijevog(IV)-klorida, a na sličan način i za dobivanje tantala, uranija, cirkonija, torija i berilija. Radi male gustoće i viskoznosti taline natrija, relativno niskog tlaka para pri višim temperaturama i većeg toplinskog kapaciteta u tekućem stanju, natrij se upotrebljava za izmjenu topline, npr. kao sredstvo za hlađenje u oplodnim nuklearnim reaktorima, te u podmorničkim i brodskim nuklearnim reaktorima. Male količine natrija koriste se za punjenje visokotlačnih žarulja s izbojem u parama natrija koje daju karakterističnu narančasto-žutu boju svjetla (natrijeve žarulje). Natrij je najjeftiniji alkalijski metal, a upotrebljava se u proizvodnji nekih spojeva kao što su natrijev peroksid, natrijev hidrid, natrijev azid i natrijev borohidrid. 


Spojevi natrija:

Natrij u svim spojevima ima oksidacijski broj +1 i, kao i litij, izuzetno je monovalentan (energija potrebna za ionizaciju drugog elektrona devet je puta viša od prve energije ionizacije, a unutrašnja ljuska ima stabilnu 2s22p6 konfiguraciju).

Važniji spojevi:

-Natrijev hidrogenkarbonat (NaHCO3, natrijev bikarbonat, soda bikarbona) bijeli je kristalan prah koji nastaje kao međuproizvod pri proizvodnji sode po Solveyu. U prirodi se javlja kao mineral "trona" (Na2CO3NaHCO32H2O), topljiv je u vodi, a vodena otopina je slabo lužnata. Zagrijavanjem se ne tali nego raspada na Na2CO3, CO2 i H2O. Upotrebljava se: za proizvodnju praška za pecivo, u proizvodnji umjetnih mineralnih voda (soda voda), kao neutralizirator suviška želučane kiseline, u proizvodnji tekstila, papira, keramike, kao punilo vatrogasnih aparata, itd.

-Natrijev hidroksid (NaOH, kaustična ili kamena soda) bijel je i higroskopan kristal koji u prisutnosti malih količina primjesa poprima sivu boju. Na tržište dolazi u obliku štapića, zrnaca, ljusaka i pločica. Lako upija vlagu i CO2 i lako se otapa u vodi uz razvijanje topline. Razrijeđena otopina otapa neke neplemenite metale kao kositar, aluminij, cink i olovo i pri nižoj temperaturi te nagriza i staklo. Dobiva se elektrolizom zasićene otopine natrijevog klorida ili kaustifikacijom sode (reakcija Na2CO3 s gašenim vapnom). Upotrebljava se u proizvodnji sapuna, boja, celuloze, viskoze, fenola te za čišćenje masti, ulja i petroleja. 

-Natrijev karbonat (Na2CO3) bezbojan je kristal koji se u prirodi nalazi kao mineral soda (Na2CO3 x 1OH2O), tron, tennonatrit, gejlisit, personit i hanksit. Lako se otapa u vodi. Bezvodni Na2CO3 je higroskopan, a stajanjem na zraku reagira s CO2 i H2O stvarajući NaHCO3. Proizvodi se Solvayevim postupkom iz NaCI, NH3 i CaCO3. Upotrebljava se u kemijskoj industriji za proizvodnju umjetnih gnojiva i boja, sredstava za prskanje te za izbjeljivanje i štavljenje kože. U petrokemiji, industriji umjetne svile, papira i celuloze koristi se kao sredstvo za neutralizaciju. Upotrebljava se za oplemenjivanje vune i pamuka, hidrolizu bjelančevina, dobivanje margarina, odjeljivanje soka iz šećerne repe itd. 

-Natrijev klorid (NaCl) bezbojan je ionski kristal relativno visokog tališta (801°C) zbog jake ionske veze između iona natrija i klora kristalu. U prirodi je dosta rasprostranjen. Nalazi se otopljen u morskoj vodi, u slanim izvorima i jezerima te kao kamena sol u velikim naslagama. U manjim količinama ima ga u svakom tlu i prijeko je potreban za život organizama. Čisti natrijev klorid nije higroskopan, ali ako sadrži onečišćenja (MgCI ili MgSO4), upija vlagu. Dobro se otapa u vodi, metanolu, etanolu i u tekućem amonijaku. Vodena otopina natrijevog klorida djeluje korozivno, osobito ako sadrži kisik iz zraka. Pri nižim temperaturama (-10°C) iz vodenih otopina izlučuje se u obliku dihidrata (NaClx2H2O) koji pri 0,15°C prelazi u bezvodnu sol. Iz prirodnih se nalazišta dobiva vađenjem iz rudnika kamene soli, crpljenjem, koncentriranjem i uparavanjem slane vode iz podzemnih naslaga i uparavanjem morske vode u plitkim bazenima. Najviše se upotrebljava za proizvodnju spojeva natrija i klora te za proizvodnju sode. Velike se količine troše za zimsko posipavanje cesta (radi snižavanja tališta ledu i snijegu) te u industiji kože, tekstila, papira i sapuna. Upotrebljava se i kao gotovo neizostavan začin jela i za konzerviranje hrane.

-Natrijev nitrat (NaNO3, čilska salitra) bezbojan je higroskopan kristal, dobro topljiv u vodi. U prirodi se u velikim količinama nalazi u Čileu, a u manjim količinama u Egiptu, Maloj Aziji, Kolumbiji i Kaliforniji. Veće koncentracije natrijevog nitrata otrovne su za ljude i životinje. Upotrebljava se kao umjetno gnojivo te za proizvodnju dinamita i crnog baruta. Koristi se u industriji stakla i emajla. Druge su mu namjene za konzerviranje, za bistrenje otpadnih voda, kao oksidacijsko sredstvo, kao sredstvo za izmjenu topline, itd.

-Natrijev peroksid (Na20) žutobijela je masa koja nastaje zagrijavanjem natrija na zraku. Upotrebljava se kao jako oksidacijsko sredstvo za bijeljenje tkanina i kao izvor kisika u maskama za disanje.

-Natrijev sulfat (Na2S04, tenardit) bezbojan je kristal koji se u prirodi nalazi kao mineral glauberit (Na2Ca(SO4)2) i mirabilit (Na2SO42H2O, Glauberova sol). Lako se otapa u vodi iz koje, ispod temperature 32,4°C, kristalizira kao dekahidrat koji se iznad te temperature otapa u vlastitoj kristalnoj vodi. Bezvodni natrijev sulfat vrlo je higroskopan i upijanjem vlage prelazi u dekahidrat, a pri tom mu se obujam može povećati i više od četiri puta. Upotrebljava se u industriji stakla, za proizvodnju celuloze i sredstava za pranje, za bojenje i oplemenjivanje tekstila, za povećanje vodljivosti u galvanotehnici, za regeneraciju alkalnih ionskih izmjenjivača, pri razvijanju fotografskih materijala, te u sintezi natrijevih silikata, vodenog stakla, natrijavog sulfida, pigmenata, itd.

 Početna za: NATRIJ, Na