Химия · Химия элементов · 9 класс

Щелочные металлы и сода

Почему натрий хранят в керосине, а соду получают из поваренной соли и известняка?

Ситуация

В вытяжном шкафу химического кабинета под керосином лежит кусок натрия. Лаборант отрезал от него кусочек с рисовое зерно и бросил в кристаллизатор с водой за защитным экраном: кусочек расплавился, превратился в шарик и с шипением забегал, а вода от фенолфталеина стала розовой. А на Кунградском содовом заводе соединение натрия — кальцинированную соду — из поваренной соли и известняка производят сотнями тысяч тонн в год. Почему щелочные металлы так активны, как их распознать и как получают соду?

Тема

Щелочные металлы и производство соды. Кунгратский содовый завод: сода из поваренной соли, известняка и аммиака (способ Сольве); натрий бегает по воде и выделяет водород

Ключевые понятия

Щелочные металлы
Цвет пламени
Метод Сольве

Формулы

2 Na + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 NaOH + H_{2} ↑

Щелочной металл разлагает воду: образуются щёлочь (фенолфталеин розовеет) и водород.

V (H_{2}) = \frac{1}{2} \cdot \frac{m}{A_{r}} \cdot V_{m}

Два моль металла дают один моль H₂; при н. у. $V_{m}$ = 22,4 л/моль.

NaCl + NH_{3} + CO_{2} + H_{2} O \overset{}{\to} NaHCO_{3} ↓ + NH_{4} Cl

Главная стадия способа Сольве: малорастворимая пищевая сода выпадает в осадок.

2 NaHCO_{3} \overset{}{\to} Na_{2} CO_{3} + CO_{2} ↑ + H_{2} O

Кальцинация: пищевую соду нагревают, она превращается в кальцинированную соду, CO₂ используется снова.

2 NaCl + CaCO_{3} \overset{}{\to} Na_{2} CO_{3} + CaCl_{2}

Суммарное уравнение способа Сольве (аммиак возвращается по циклу).

Теория

Щелочные металлы: строение и активность

Главная подгруппа I группы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. На внешнем уровне один электрон ( $n s^{1}$ ), степень окисления в соединениях +1; этот электрон они легко отдают — это самые сильные восстановители. От Li к Cs атомный радиус растёт (128 → 244 пм), первая энергия ионизации уменьшается (5,39 → 3,89 эВ) — активность растёт, температура плавления падает (180,5 → 28,4 °C). Все серебристые (цезий — золотистый), мягкие (режутся ножом), лёгкие: литий (0,534 г/см³) — самый лёгкий металл. На воздухе быстро тускнеют: $4 Na + O_{2} \overset{}{\to} 2 Na_{2} O$ , при горении — $2 Na + O_{2} \overset{}{\to} Na_{2} O_{2}$ ; литий соединяется и с азотом: $6 Li + N_{2} \overset{}{\to} 2 Li_{3} N$ . Поэтому Na и K хранят под керосином, а литий (он легче керосина — всплывает) — под вазелином или в аргоне. Получают электролизом расплава: $2 NaCl \overset{}{\to} 2 Na + Cl_{2} ↑$ . Их гидроксиды — сильные основания (щёлочи), сила основания растёт от LiOH к CsOH.

Реакция с водой

$2 M + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 MOH + H_{2} ↑$ (M = Li, Na, K…). Литий спокойно шипит в воде — он плавится только при 180,5 °C, кусочек не плавится, и поверхность реакции остаётся небольшой. Натрий от теплоты реакции плавится (97,8 °C), превращается в блестящий шарик, а струя водорода гоняет его по воде; 1 моль натрия выделяет ≈ 184 кДж теплоты. Калий (плавится при 63,5 °C) тут же воспламеняется — водород горит светло-фиолетовым пламенем, в конце часто разбрызгивается с хлопком. Рубидий и цезий реагируют со взрывом. Раствор становится щелочным — фенолфталеин розовеет. Расчёт: 0,46 г Na = 20 ммоль → 10 ммоль H₂ = 224 мл (н. у.).

Важнейшие соединения натрия и калия

NaOH — едкий натр (каустическая сода): получают электролизом раствора поваренной соли; применяют в производстве мыла, бумаги, алюминия. Na₂CO₃ — кальцинированная сода: стекло, моющие средства; Na₂CO₃·10H₂O — кристаллическая сода; NaHCO₃ — пищевая сода: при нагревании или действии кислоты выделяет CO₂ (тесто поднимается). NaCl — поваренная соль, главное сырьё химической промышленности. KCl — калийное удобрение: Дехканабадский калийный завод (с 2010 года) производит хлорид калия из сильвинита месторождения Тюбегатан. KNO₃ — калийная селитра (удобрение, чёрный порох), K₂CO₃ — поташ (содержится в золе растений). Соединения натрия переходят друг в друга: $Na \overset{}{\to} NaOH \overset{}{\to} Na_{2} CO_{3} \overset{}{\to} NaHCO_{3}$ .

Цвет пламени и практическая работа 2

Когда летучие соли нагревают в пламени, электроны катиона поднимаются на более высокий уровень, а при возвращении излучают свет определённого цвета: Li⁺ — тёмно-красный (670,8 нм), Na⁺ — жёлтый (589 нм), K⁺ — светло-фиолетовый (766–770 нм и 404 нм), Ca²⁺ — кирпично-красный, Sr²⁺ — карминово-красный, Cu²⁺ — голубовато-зелёный. Жёлтый цвет натрия очень силён и в виде примеси присутствует и в солях калия, поэтому пламя калия наблюдают через синее кобальтовое стекло — оно поглощает жёлтый свет. Практическая работа 2: в трёх пробирках NaCl, KCl, CaCl₂: Na⁺ и K⁺ определяют пробой пламени, а Ca²⁺ с раствором соды даёт белый осадок: $CaCl_{2} + Na_{2} CO_{3} \overset{}{\to} CaCO_{3} ↓ + 2 NaCl$ . Петлю перед каждой пробой промывают соляной кислотой и прокаливают до бесцветного пламени.

Производство соды (способ Сольве)

Аммиачный способ внедрил в промышленность в 1860-х годах бельгиец Эрнест Сольве. 1) Насыщенный раствор поваренной соли (рассол) очищают и насыщают аммиаком. 2) В колоннах в него подают CO₂: $NaCl + NH_{3} + CO_{2} + H_{2} O \overset{}{\to} NaHCO_{3} ↓ + NH_{4} Cl$ — NaHCO₃ в холодном растворе наименее растворимая соль (при 20 °C 9,6 г на 100 г воды; NaCl — 35,9 г, NH₄Cl — 37,2 г), поэтому она выпадает в осадок. 3) Отфильтрованный NaHCO₃ прокаливают: $2 NaHCO_{3} \overset{}{\to} Na_{2} CO_{3} + CO_{2} ↑ + H_{2} O$ . 4) CO₂ получают обжигом известняка: $CaCO_{3} \overset{}{\to} CaO + CO_{2} ↑$ . 5) Аммиак возвращают: $2 NH_{4} Cl + Ca (OH)_{2} \overset{}{\to} CaCl_{2} + 2 NH_{3} ↑ + 2 H_{2} O$ . Суммарно: $2 NaCl + CaCO_{3} \overset{}{\to} Na_{2} CO_{3} + CaCl_{2}$ ; отход — раствор CaCl₂. Примерно 70 % натрия переходит в соду, поэтому на 1 т соды на практике расходуется ≈ 1,5–1,6 т соли. По этому способу работает Кунградский содовый завод (Каракалпакстан): запущен в 2006 году, с 2016 года проектная мощность — 200 тыс. т кальцинированной соды в год; соль — с месторождения Барсакельмес, известняк — с месторождения Джамансай.

Безопасность и модель

Техника безопасности: щелочные металлы берите только пинцетом, не трогайте руками; кусочек не должен быть больше рисового зерна, лишний керосин промокните фильтровальной бумагой; бросать в воду нужно в вытяжном шкафу за защитным экраном, в защитных очках; сосуд должен быть большим, а воды — не слишком мало; остатки калия и натрия обезвреживайте в спирте, а не в воде. Если раствор NaOH попал в глаза — немедленно промойте большим количеством воды. При пробе пламени остерегайтесь соляной кислоты, в которой промывают петлю. Модель: реакция кусочка идёт по поверхности ( $m^{1 / 3}$ уменьшается линейно; константы скорости схематичны), движение по воде случайно; объём водорода приведён к н. у.; pH в кристаллизаторе вычислен по концентрации NaOH для идеального раствора (поглощение CO₂ не учтено); цвета пламени — типичный вид (вид через кобальтовое стекло схематичен); схема завода упрощена, показатели потоков примерные.

Знаете ли вы?

Кунградский содовый завод (Каракалпакстан) запущен в 2006 году — упоминается как единственное предприятие в Центральной Азии, производящее кальцинированную соду; после расширения 2016 года его проектная мощность — 200 тыс. т в год.
Жёлтый свет уличных натриевых ламп низкого давления — это линии атомов натрия с длинами волн 589,0 и 589,6 нм, то есть тот самый жёлтый цвет, что и при пробе пламени.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс
Кремний и силикаты — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс
Металлы и сплавы — 9 класс
Алюминий и его соединения — 9 класс
Медь, серебро, золото и цинк — 9 класс
Хром и марганец: цветные ионы — 9 класс
Железо и его соединения — 9 класс
Закономерности s- и p-элементов — 1 курс