ИЗОТОПЫ НАТРИЯ. Природный натрий состоит только из одного изотопа с массовым числом 23. Известны 13 радиоактивных изотопов этого элемента, причем два из них представляют значительный интерес для науки. Натрий-22, распадаясь, излучает позитроны — положительно заряженные частицы, масса которых равна массе электронов. Этот изотоп с периодом полураспада 2,58 года используют в качестве позитронного источника. А изотоп натрий-24 (его период полураспада около 15 часов) применяют в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии — тяжелого заболевания крови.
КАК ПОЛУЧАЮТ НАТРИЙ. Современный электролизер для получения натрия — довольно внушительное сооружение, внешне напоминающее печь. Эта «печка» сложена из огнеупорного кирпича и снаружи окружена стальным кожухом. Снизу через дно электролизера введен графитовый анод, окруженный кольцеобразной сеткой — диафрагмой. Эта сетка не дает возможности натрию проникнуть в анодное пространство, где выделяется хлор. Иначе натрий сгорел бы в хлоре. Анод, кстати, тоже кольцеобразный. Он сделан из стали. Обязательная принадлежность электролизера — два колпака. Один устанавливают над анодом для сбора хлора, другой — над катодом для отвода натрия.
В электролизере загружают смесь тщательно высушенных хлористого натрия и хлористого кальция. Такая смесь плавится при более низкой температуре, чем чистый хлористый натрий. Обычно электролиз ведут при температуре около 600°С.
На электроды подают постоянный ток напряжением около 6 в; на катоде происходит разряд ионов Na+ и выделение металлического натрия. Натрий всплывает и отводится в специальный сборник (разумеется, без доступа воздуха). На аноде разряжаются ноны хлора Cl- и выделяется газообразный хлор — ценный побочный продукт натриевого производства.
Обычно электролизер работает под нагрузкой 25 — 30 тыс. А, при этом в сутки производится 400 — 500 кг натрия и 600 — 700 кг хлора.
«САМЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛ». Так иногда называют натрий. Это не совсем справедливо: в менделеевской таблице нарастание металлических свойств происходит по мере продвижения справа налево и сверху вниз. Так что у аналогов натрия по группе — франция, рубидия, цезия, калия — металлические свойства выражены сильнее, чем у натрия. (Конечно, имеются в виду только химические свойства.) Но и у натрия есть полный комплекс «металлических» химических свойств. Он легко отдает свои валентные электроны (по одному на атом), всегда проявляет валентность 1+, обладает ярко выраженными восстановительными свойствами. Гидроокись натрия NaOH — сильная щелочь. Все это объясняется строением атома натрия, на внешней оболочке которого один электрон, и с ним атом легко расстается.
В кислороде, фторе и хлоре натрий горит, с серой реагирует уже при растирании в ступке, серную кислоту восстанавливает до серы или даже до сульфида, а «сухой лед» (твердая углекислота) при контакте с натрием взрывается (поэтому углекислотно-снежные огнетушители ни в коем случае нельзя применять для тушения горящего натрия). Не взаимодействует натрий только с азотом и с инертными газами.
Физические свойства натрия — тоже свойства типичного металла. Он весьма пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит. Величины электропроводности и теплопроводности натрия достаточно высоки.
Одной из основных «проблем», которые пытались разрешить средневековые алхимики, было получение «философского камня». Предполагалось, что он необходим для массового производства золота из «неблагородных» металлов.
Поиски велись в разных направлениях, но ни «камня философов», ни «эликсира молодости» алхимики не нашли. Они делали много ошибок; некоторых из них современники уличали в плутнях, но для будущей химической науки, особенно для техники лабораторного эксперимента, алхимики сделали немало.
В XVII в. начался новый период в истории химической науки. Именно в этот период произошло открытие, в значительной степени предвосхитившее открытие элемента магния. В 1695 г. Н. Гро, выпаривая минеральную воду Эпсомского источника (Англия), получил соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Спустя несколько лет выяснилось, что при взаимодействии с «постоянной щелочью» (так в те времена называли соду и поташ) эта соль образует белый рыхлый порошок. Точно такой же порошок получался при прокаливании минерала, найденною в окрестностях греческого города Магнезии. За это сходство эпсомская соль получила название белой магнезии.
В 1808 г. Хэмфри Дэви при электролизе слегка увлажненной белой магнезии с окисью ртути получил амальгаму нового металла, который вскоре был из нее выделен и назван магнием. Правда, магний, полученный Дэви, был загрязнен примесями; первый действительно чистый магний получен А. Бюсси в 1829 г.
Магний — серебристо-белый очень легкий металл, почти в 5 раз легче меди, в 4,5 раза легче железа; даже алюминий в 1,5 раза тяжелее магния. Плавится магний при 651°С, но в обычных условиях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550°С, он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. Полоску магниевой фольги легко поджечь обыкновенной спичкой, а в атмосфере хлора магний самовозгорается даже при комнатной температуре.
При горении магния (внимание, любители загара!) выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла — чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, нужно сжечь всего 4 г магния.
На воздухе магний быстро тускнеет, так как покрывается окисной пленкой. Эта пленка служит надежным панцирем, предохраняющим металл от дальнейшего окисления.
Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, соды, керосина, бензина и минеральных масел. В то же время он совершенно не выносит действия морской и минеральной воды и довольно быстро растворяется в них. Почти не реагируя с холодной пресной водой, он энергично вытесняет водород из воды горячей.
Двести минералов и три источника
Земная кора богата магнием — в ней содержится более 2,1% этого элемента. Лишь шесть элементов периодической системы встречаются на Земле чаще магния. Он входит в состав почти двухсот минералов. Но получают его в основном из трех — магнезита, доломита и карналлита.
В нашей стране богатые месторождения магнезита расположены на Среднем Урале (Саткинское) и в Оренбургской области (Халиловское). А в районе города Соликамска разрабатывается крупнейшее в мире месторождение карналлита. Доломит — самый распространенный из магнийсодержащих минералов — встречается в Донбассе, Московской и Ленинградской областях и многих других местах.
Получают металлический магний двумя способами — электротермическим (или металлотермическим) и электролитическим. Как явствует из названий, в обоих процессах участвует электричество. Но в первом случае его роль сводится к обогреву реакционных аппаратов, а восстанавливают окись магния, полученную из минералов, каким-либо восстановителем, например углем, кремнием, алюминием. Этот способ довольно перспективен, в последнее время он находит все большее применение. Однако основной промышленный способ получения магния — второй, электролитический.
Электролитом служит расплав безводных хлоридов магния, калия и натрия; металлический магний выделяется на железном катоде, а на графитовом аноде разряжаются ионы хлора. Процесс идет в специальных ваннах-электролизерах. Расплавленный магний всплывает на поверхность ванны, откуда его время от времени выбирают вакуум-ковшом и затем разлива гот по формам.
Но на этом процесс не заканчивается: в таком магнии еще слишком много примесей.
Поэтому неизбежен второй этап — очистка магния. Рафинировать магний можно двумя путями — переплавкой и флюсами или возгонкой в вакууме. Смысл первого метода общеизвестен: специальные добавки — флюсы — взаимодействуют с примесями и превращают их в соединения, которые легко отделить от металла механическим нут ем. Второй метод — вакуумная возгонка — требует более сложной аппаратуры, но с его помощью получают более чистый магний. Возгонку ведут в специальных вакуум-аппаратах — стальных цилиндрических ретортах. «Черновой» металл помещают на дно реторты, закрывают ее и выкачивают воздух. Затем нижнюю часть реторты нагревают, а верхняя все время охлаждается наружным воздухом. Под действием высокой температуры магний возгоняется — переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Пары его поднимаются и конденсируются на холодных стенках верхней части реторты.
Таким путем можно получать очень чистый металл, содержащий свыше 99,99% магния.
