元素符號Na,銀白色金屬,在元素週期表中屬IA族,原子序數11,原子量22.98977,較低溫度下為密排六方晶體,較高溫度下為體心立方晶體,常見化合價為+1。

  1807年英國化學傢大衛(H.Davy)用電解氫氧化鈉的方法制得幾滴金屬鈉。因鈉是由堿(拉丁文soda)中提取,所以命名為 sodium。1890年英國人卡斯特納(H.Y.Castner)在英國建廠,用電解氫氧化鈉的方法生產金屬鈉。1921年美國人東斯(J.C.DDowns)研究成功電解熔融氯化鈉制取金屬鈉,並於1925年投產,使金屬鈉的生產成本大幅度下降。1940年前後,隨著生產汽油抗爆劑四乙基鉛的用鈉量急劇增加,金屬鈉的產量也迅速增加。目前全世界金屬鈉的年產量約20萬噸。

  鈉廣泛分佈於自然界,主要以食鹽(NaCl)的形態存在於海水、鹽湖之中。其他礦物有芒硝(Na2SO4)、天然堿(Na2CO3)等。中國的內蒙古、青海等地出產天然堿和芒硝。

  性質和用途 金屬鈉很柔軟,室溫下可用小刀切割。鈉在空氣中表面迅速氧化,失去光澤。120℃時燃燒,並產生濃的白色煙霧;低於160℃和供氧不足時,生成氧化鈉(Na2O);250~300℃下供氧充足時,生成過氧化鈉(Na2O2)。鈉的化學性質非常活潑,遇水猛烈反應,放出氫氣和大量的熱。這種熱可以熔化金屬並點燃氫氣,產生爆鳴。鈉同氫在室溫下不反應,200~350℃時反應生成氫化鈉(NaH)。鈉與CO2氣體在室溫下反應緩慢,但與幹冰(固體CO2)接觸時立刻爆炸。鈉與CO在250~340℃時反應,生成羰基鈉[Na6(CO)6];在600~850℃生成碳酸鈉和碳化鈉。

  鈉主要制成鉛鈉合金用於汽油抗爆劑四甲基鉛或四乙基鉛的生產。冶金工業中用金屬鈉作還原劑,制取鈦、鋯、鉿、鉭等金屬,用鈉量增長很快。鈉用作鑄造鋁-矽合金的變質劑,使共晶體內的矽變成細小的纖維結構,從而提高合金的強度和塑性。在化學工業中,鈉用於制造氰化鈉、過氧化鈉、氫化鈉和氨基鈉等化合物,它們在冶金、制藥、農藥、印染工業中均有廣泛的用途。金屬鈉在還原脂類制取脂肪醇的用量日益增加。鈉和鈉鉀合金的導熱性和熱穩定性好,中子吸收截面小,可以用作快中子增殖反應堆中的載熱體。金屬鈉有很好的導電性,已被制成“鈉電纜”,很有發展前途。鈉的基本光譜線D1=5890Å,D2=5896Å,利用這種特性制造的鈉燈,光電轉化率高,發光量大,光線柔和,已廣泛用於照明。此外,鈉還是研究中的鈉-硫電池的負極材料。

鈉的主要物理性質

  金屬鈉須保存在液體石蠟中,絕對不可與水接觸。鈉著火時,應使用幹燥的碳酸鈉、氯化鈉、石棉灰等粉末滅火,禁止用水、泡沫滅火器和四氯化碳滅火器。處理殘存的鈉和鈉渣時,應采用水蒸氣,或水蒸氣和氮氣的混合氣清洗。直接用水處理會引起爆炸。

  電解制鈉 卡斯特納法 在350℃下電解熔融的氫氧化鈉(NaOH)。1925年前,曾用此法大量生產金屬鈉,由於電解時在陽極生成的水,同電解質中的鈉又發生反應,生成NaOH和H2,所以電流效率不超過50%;後為電解氯化鈉法取代。

  東斯法 即電解氯化鈉法,是目前工業上通用的方法(見熔鹽電解)。雖然各種形式的鈉電解槽都有自己的特點,但基本上沿用瞭東斯槽的結構形式(見圖)。

  東斯電解槽為鋼制圓形殼體,內襯耐火磚,中間有一石墨陽極,周圍為環狀鋼制帶斜孔的陰極。陽極和陰極間隔有鐵絲網或開孔的薄鋼板制成的“隔膜”,使在陰極生成的鈉不與陽極生成的氯氣相遇。陽極和陰極間的間隙應保持在40~50毫米。鈉從陰極析出後,因比重小於熔融電解質,沿陰極上浮,進入一個倒置環狀的鈉收集罩,並沿上升管進入收集罐中。上升管的溫度控制在200℃左右,使在電解時與鈉同時析出的鈣在此管內結晶析出。上升管中裝有定時轉動的刮刀,將附在管壁上的鈣刮下,返回熔體中,並發生Ca+2NaCl─→CaCl2+2Na反應,以增加鈉的產量,保持電解質組成的穩定。氯氣在陽極析出,從陽極室導出。通用的電解質組成(重量)為:CaCl258%,NaCl42%;操作溫度580~600℃,槽電壓6~7伏,陰極電流密度為9600安/米2左右,電流效率可達80%以上。原料氯化鈉無須經過除鈣、鎂和硫根等精制過程。制得的粗鈉夾雜有氯化物、氧化物和鈣,在液體石蠟保護下,加熱至110~130℃,加壓過濾,能除去大部分雜質;所得金屬鈉送鑄鈉機鑄錠,包裝。工業金屬鈉的純度在99.6%以上,含鈣<0.04%,含氯化物0.005%。將工業鈉在0.1托、400℃下真空蒸餾,在氮或氬氣保護下,可制取99.95%的高純鈉產品。

  

參考書目

 M.Sittig,Sodium;Its ManufacturePropertiesand Uses,Reinhold,New York,1956.

 W.A.Hart &O.F.Beumel Jr.,The Chemistry of Lithium,Sodium,Potassium,Rubidium,Cesium and Francium,Pergamon,Oxford,1973.