Читать онлайн «Общая химия». Страница 143

Очень важно, чтобы продукты электролиза не смешивались, так как гидроксид натрия легко взаимодействует с хлором; в результате образуются хлорид и гипохлорит натрия:

Для того чтобы воспрепятствовать проникновению хлора в раствор гидроксида натрия, чаще всего применяют диафрагменный способ, при котором анодное и катодное пространства отделены друг от друга перегородкой (диафрагмой) из асбеста или другого пористого материала.

В электролизерах, служащих для получения гидроксида натрия по этому способу (рис. 154), вертикально установленная диафрагма 1, плотно прилегающая к стальному дырчатому катоду 2, отделяет анодное пространство 3 от катодного 4 и препятствует смешиванию продуктов электролиза. Анодами служат графитовые стержни 5. В процессе электролиза в анодное пространство непрерывно поступает раствор хлорида натрия, а из катодного вытекает раствор, содержащий смесь хлорида и гидоксида натрия. При его выпаривании выкристаллизовывается хлорид натрия и остается почтя чистый раствор щелочи. Последний отделяют от хлорида натрия и выпаривают до полного удаления воды. Полученный NaOH сплавляют и отливают в формы. Побочными продуктами при получении гидроксида натрия являются хлор и водород.

Несколько иначе протекает электролиз раствора хлорида натрия, если катодом служит металлическая ртуть. Перенапряжение выделения водорода на ртути очень велико. Поэтому здесь у катода разряжаются не ионы водорода, а ионы натрия. Выделяющийся натрий растворяется в ртути, образуя амальгаму натрия. Амальгаму разлагают горячей водой, причем получается гидроксид натрия, выделяется водород и освобождается ртуть. Таким образом, пользуясь в качестве катода ртутью, можно получать чистый гидроксид натрия, не содержащий в виде примеси хлорид натрия.

Кроме электролитического способа получения гидроксида натрия, иногда еще применяют более старый способ — кипячение раствора соды с гашеной известью:

По окончании реакции раствор сливают с осадка карбоната кальция и, выпарив воду, сплавляют полученный гидроксид натрия.

Гидроксид натрия — один из важнейших продуктов основной химической промышленности.

- 550 -

В больших количествах он потребляется для очистки продуктов переработки нефти; гидроксид натрия широко применяется в мыловаренной, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности, а также при производстве искусственного волокна.

Только в СССР в 1985 г. было произведено 3.1 млн. т NaOH.

Натрий образует соли со всеми известными кислотами. Важнейшие из них были описаны при рассмотрении свойств соответствующих кислот. Многие соли натрия образуют кристаллогидраты с довольно большим содержанием кристаллизационной воды (например, Na2S2O3·5H2O, Na2CO3·10H2O, Na2SO4·10H2O).

В организме человека натрий в виде его растворимых солей, главным образом хлорида, фосфата и бикарбоната, содержится в основном во внеклеточных жидкостях — плазме крови, лимфе, пищеварительных соках. Осмотическое давление плазмы крови поддерживается на необходимом уровне прежде всего за счет хлорида натрия.

По внешнему виду, а также по физическим и химическим свойствам калий очень похож на натрий, но обладает еще большей активностью. Подобно натрию он имеет серебристо-белый цвет, быстро окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой с выделением водорода.

Гидроксид калия, или едкое кали, КОН получается аналогично гидроксиду натрия — электролизом раствора хлорида калия. Хотя действие его такое же, как и гидроксида натрия, но применяется он гораздо реже, ввиду его более высокой стоимости.

Соли калия очень сходны с солями натрия, но обычно выделяются из растворов без кристаллизационной воды.

Калий принадлежит к числу элементов, необходимых в значительном количестве для питания растений. Хотя в почве находится довольно много солей калия, но и уносится его с некоторыми культурными растениями также очень много. Особенно много калия уносят лен, конопля и табак.

Калий отлагается в растениях главным образом в стеблях, поэтому удобрение земли навозом, содержащим солому, отчасти пополняет убыль калия. Но так как стебли перечисленных выше растений используются для промышленных целей, то в конце концов большая часть калия уходит из почвы, и для пополнения его убыли необходимо вносить в почву калийные удобрения.

Источником получения калийных удобрений служат естественные отложения калийных солей. В СССР такие отложения находятся в районе Соликамска. Пласты соли, состоящие главным образом из минералов карналлита KCl·MgCl2·6H2O и сильвинита KCl·NaCl, залегают на большой площади между верховьями Камы и предгорьями Урала. В пределах СССР калийные месторождения имеются также в Саратовской области и в Западной Украине. По запасам калийных солей наша страна занимает первое место в мире.

- 551 -

В качестве калийных удобрений применяют как природные вещества, так и продукты их переработки. Из природных веществ используется главным образом сильвинит. Продуктами переработки, находящими наибольшее применение, являются хлорид и сульфат калия. Иногда применяется также растительная зола, содержащая калий главным образом в виде карбоната.

Подобно натрию, калий образует соли со всеми кислотами. Важнейшие из них были рассмотрены при описании свойств соответствующих кислот.

Как и натрий, калий содержится во всех тканях организма человека. Но, в отличие от натрия, калий в преобладающем количестве находится внутри клеток. Ион калия играет важную роль в некоторых физиологических и биохимических процессах, например, он участвует в проведении нервных импульсов. Определенная концентрация калия в крови необходима для нормальной работы сердца. В организм калий поступает главным образом с растительной пищей; суточная потребность взрослого человека в нем составляет 2—3 г.

К подгруппе меди относятся три элемента — медь, серебро и золото. Подобно атомам щелочных металлов, атомы всех этих элементов имеют в наружном слое по одному электрону; но предпоследний их электронный слой содержит, в отличие от атомов щелочных металлов, восемнадцать электронов. Структуру двух внешних электронных оболочек атомов этих элементов можно изобразить формулой (n-1)s2(n-1)p6(n-1)d10ns1 (где n — номер периода, в котором находится данный элемент). Все элементы подгруппы меди — предпоследние члены декад d-элементов. Однако, как видно из приведенной формулы, их атомы содержат на (n-1)d-подуровне не 9, а 10 электронов. Это объясняется тем, что структура (n-1)d10s1 более устойчива, чем структура (n-1)d10s2(см. стр. 93).

В табл. 31 приведены некоторые физические константы, характеризующие элементы подгруппы меди.

Сравнивая данные табл. 31 с соответствующими величинами для щелочных металлов (табл. 30), можно видеть, что радиусы атомов меди, серебра и золота меньше радиусов атомов металлов главной подгруппы. Это обусловливает значительно большую плотность, высокие температуры плавления и большие величины энтальпии атомизации рассматриваемых металлов; меньшие по размеру атомы располагаются в решетке более плотно, вследствие чего силы притяжения между ними велики.

Малый радиус атомов объясняет также более высокие значения энергии ионизации металлов этой подгруппы, чем щелочных металлов.

- 552 -

Таблица 31. Некоторые свойства меди и ее аналогов

Это приводит к большим различиям в химических свойствах металлов обеих подгрупп. Элементы подгруппы меди — малоактивные металлы. Они с трудом окисляются, и, наоборот, их ионы легко восстанавливаются; они не разлагают воду, гидроксиды их являются сравнительно слабыми основаниями. В ряду напряжений они стоят после водорода. В то же время восемнадцатиэлектронный слой, устойчивый у других элементов, здесь еще не вполне стабилизировался и способен к частичной потере электронов. Так, медь наряду с однозарядными катионами образует и двухзарядные, которые для нее даже более характерны. Точно так же для золота степень окисленности +3 более характерна, чем +1. Степень окисленности серебра в его обычных соединениях равна +1 однако известны соединения со степенью окисленности серебра +2 и +3.

Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико [0,01% (масс.)], однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородки меди достигают значительной величины. Этим, а также сравнительной легкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использована человеком.

В настоящее время медь добывают из руд. Последние, в зависимости от характера входящих в их состав соединений, подразделяют на оксидные и сульфидные. Сульфидные руды имеют наибольшее значение, поскольку из них выплавляется 80 % всей добываемой меди.