118 элементов. Глава 11: от уличного освещения до искусственной звезды

Элемент: натрий (Sodium)

Химический символ: Na

Порядковый номер: 11

Год открытия: 1807

Стандартная атомная масса: 22.98976928

Температура плавления: 370.944 К

Температура кипения: 1156 К

Плотность при стандартных условиях: 0.968 г/cм³

Скорость звука в натрии: 3200 м/с

Число стабильных изотопов: 1

Кристаллическая решётка: объемно-центрированная кубическая

Прежде чем начать рассказ об одиннадцатом элементе Периодической системы, автор хочет сделать признание. Он работает в научной журналистике уже чертову дюжину лет, но химиком в душе остался. И читая по долгу службе тексты некоторых коллег, за эти годы он порядком утомился регулярно встречать два уникальных химических элемента, существующих только в русском языке некоторых журналистов. Речь, разумеется о содиуме и потассиуме. То бишь, натрии и калии. Но это так, крик души, а натрий…

То, что соединения элемента номер одиннадцать известны нам с древности, мы уже писали. Например, в статье о боре – ведь бура в своем составе содержит и бор, и натрий. Ну а то, что эти соединения давно вошли в пословицы и поговорки… «Соль земли», «пуд соли съели», «хлеб-соль»… Города Соль-Илецкий, Солигалич, Солекамск… Кстати, мало кто знает, что английское salary, «зарплата», происходит от salarium — соли, выдаваемой римским солдатам в числе других выплат.

Добыча соли в Боливии

Поваренная соль, NaCl, которая в обязательном порядке присутствует в любой кухне, нужна нашему организму не только для вкуса: без ионов натрия наш организм не может существовать: они участвуют в регуляции осмотического равновесия, pH, кровяного давления… Считается, что физиологический минимум ежедневной потребности в натрии – около полуграмма. Впрочем, много натрия – тоже плохо. Американская ассоциация сердца (American Heart Association) настоятельно рекомендует употреблять не более полутора граммов натрия в сутки.

Примерно тогда же стало известно и мыло с содой.

Но это – хлорид натрия и бура, натриевые соли жирных кислот и сода. А что же сам металлический натрий?

Хэмфри Дэви

И натрий, и его более тяжёлый собрат калий, были открыты сэром Хэмфри Дэви в 1807 году. Он сам сообщил об этом 19 ноября в Лондоне на заседании Королевского общества. Натрий уделось выделить электролизом гидроксида натрия (едкого натра). Вот как пишет об этом открытии Менделеев:

«Соединяя с положительным (от меди или угля) полюсом кусок влажного (чтобы достичь гальванопроводности) едкого натра и выдолбив в нем углубление, в которое налита была ртуть, соединенная с отрицательным полюсом (катодом) сильного вольтова столба, Дэви заметил, что в ртути растворяется, при пропускании тока, особый металл, менее летучий, чем ртуть, и способный разлагать воду, вновь образуя едкий натр».

С названием путаница началась уже тогда. Сам Дэви предложил «потассиум» для калия и «содиум» для натрия. В 1809 году немецкий физик Людвиг Вильгельм Гилберт предложил «натроний» и «калий». И в 1814 году Йенс Якоб Берцелиус предложил «натрий» и символ Na для своей системы атомных символов.

Людвиг Вильгельм Гилберт

Через десять лет нашлось и применение странному мягкому металлу: с его помощью научились выделять чистый алюминий.

В 1860 году Густав Кирхгофф и Роберт Бунзен опубликовали в Annalen Der Physic Und Chemie статью о высочайшей чувствительности «огненного теста» на натрий: они показали, что ярко-желтая вспышка пламени хорошо заметна при содержании одной части натрия на 20 миллионов частей нагретого воздуха.

Линия D эмиссионного спектра натрия. 589 нанометров

Все это происходит из-за того, что в спектре натрия присутствует очень яркая желтая линия, «линия D», замеченная Фраунгофером на Солнце еще в 1814 году. Это сильно облегчает детектирование натрия, например, в космосе – и чуть было не провалило открытие гелия (помните, именно за «линию D» изначально приняли спектральные линии элемента номер два).

Именно эта линия «светится» в желтых уличных фонарях – пары натрия в газоразрядных трубках оказались в прямом смысле незаменимыми для освещения улиц городов. Шутка ли – срок службы лампы до 24 тысяч часов. «ДНаТ» означает Дуговая Натриевая Трубчатая – если вас интересует, как называется то, что делает наши улицы безопаснее. Впрочем, есть еще ДНаТБР — Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути.

Химикам-органикам тоже есть, за что сказать спасибо натрию – пробы Лассеня и Бельштейна позволяют качественно определить азот, серу и галогены в соединении.

Ну а как благодарны этому металлу современные российские атомщики! Ведь только в нашей стране работает промышленный реактор БН-800 на быстрых нейтронах. В нем жидкий натрий используется как теплоноситель (вода будет замедлять нейтроны). Добро пожаловать на Белоярскую АЭС.

Еще одно важное и очень необычное применение нашлось атомам натрия. Это тоже из тех историй, которые не упомянуты в «Популярной библиотеке химических элементов» и ради которых мы затеяли наш проект: много, очень много изменилось в химии и не только за 30 лет.

На этот раз речь пойдет о нейтральных атомах натрия в атмосфере Земли. «Натрий? В атмосфере?» — спросите вы. Да, это так. Оказывается, в нашей атмосфере на высоте от 80 до 105 километров (высота зависит от сезона и широты) существует крайне разреженный слой атомов натрия. Откуда они берутся? В результате абляции их с врывающихся в земную атмосферу метеоров.

Но как нам обратить эти атомы нам на пользу? Оказывается, они могут помочь нам увидеть самые далекие галактики.

Как известно, главная проблема больших телескопов – это турбулентность атмосферы. Уже в 1980-годы появилась так называемая адаптивная оптика: небольшие рычажки-актюаторы аккуратно изгибали зеркало, корректируя искажения. Поначалу – вызванные изменением кривизны под действием влажности и температуры. Но чтобы точно исправить искажения, внесенные самой атмосферой, нужно знать, какие искажения прямо сейчас присутствуют в очень небольшом поле зрения телескопа. Хорошо, если «в кадре» присутствует яркая и хорошо известная звезда, а если нет? И вот в этом случае нам может помочь изобретение наших соотечественников, Александра Прохорова и Николая Басова. Лазер. Мощный лазер из купола телескопа бьёт в небо и зажигает искусственную звезду из возбуждённых атомов натрия на высоте почти в 100 километров. Яркая линия натрия хорого известна, и по ней можно оперативно подстроить зеркало с адаптивной оптикой. Сейчас все крупнейшие телескопы обзаводятся такими устройствами, а знаменитый VLT – Очень Большой Телескоп, а точнее – его четертый юнит Йепун сейчас уже использует сразу четыре луча, которые зажигают четыре звезды в углах поля зрения телескопа.

Зажжение искусственной звезды юнитом VLT

Кстати, говоря об использовании натрия в космических «делах», как не вспомнить тот факт, что почти 60 лет назад именно натрий успешно использовался для создания первой в истории искусственной кометы. Когда зонд «Луна-1» в 1959 году направился в свой путь вокруг Солнца мимо нашего спутника (фактически, он стал первой искусственной планетой),  3 января в 3:56:20 по московскому времени, на расстоянии в 119500 км от Земли аппарат выпустил из себя килограммовое облако паров натрия. В течение нескольких минут оно светилось оранжевым светом и наблюдалось с Земли как слабая звезда 6-й величины.

Почтовая марка, посвященная «Луне-1» с отметкой об искусственной комете 

Все, кто учился в школе, хорошо помнят натрий на уроке химии. Это один из захватывающих экспериментов: еще бы, металл хранят в керосине или в масле, режут ножом, бросают в воду крошечный кусочек, который забавно бегает по поверхности воды (натрий хоть и тяжелее лития, но тоже не тонет), и поджигает водород. В лучших школах даже учат правилам работы с этим металлом: мало ли что. А правила достаточно строгие: после работы нужно всю посуду, с которой он соприкасался и все обрезки нужно сначала залить спиртом, а потом то, что получилось залить слабым раствором кислоты. Иначе кусочек натрия может попасть в канализационный слив и устроить там взрыв. Будет грязно и неприятно – прецеденты известны. И да, в руки его брать тоже не стоит: может взорваться от влажности кожи прямо в руках.

С другой стороны, натрий натрию рознь. Как предсказал не раз уже упоминавшийся Артем Оганов и экспериментально подтвердил Михаил Еремец, под очень большим (200ГПа) давлением, натрий теряет все свои свойства: становится прозрачным, красным, перестает проводить электрический ток. Статья об этом появилась в журнале Nature в 2009 году.

На крайне правом снимке — прозрачный неметаллический натрий

Кстати, вернувшись к хлориду натрия, о котором мы рассказывали в самом начале. И здесь Оганов внес сумбур в школьные учебники химии. Процитируем его статью в Science, которая вышла в декабре 2013 года:

«Хлорид натрия (NaCl), или каменная соль, хорошо изучен и охарактеризован при обычном давлении. Благодаря большому различию в электроотрицательности между атомами Na и Сl, он обладает ионной химической связью со стехиометрией 1:1, определяемой балансом зарядов, и кристаллической структурой типа В1. При высоком давлении хлорид натрия утрачивает свою каноническую простоту, когда образуются устойчивые соединения Na₃Cl, Na₂Cl, Na₃Cl₂, NaCl₃ и NaCl₇, нарушающие наши привычные химические представления. Верифицируя расчеты, мы синтезировали кубическую и ромбическую NaCl₃ при 55-70 ГПа, а также 2D-металлический тетрагональный Na₃Cl. Эти результаты показывают, что соединения, противоречащие химической интуиции могут быть устойчивыми даже в простейших системах в нестандартных условиях».

 

Структура Na₃Cl

Вот не мог оставить хотя бы святое, хотя бы поваренную соль в покое! Теперь же двоечникам будет раздолье в школе на уроках по химии: «Оганов разрешил!»

Текст: Алексей Паевский