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 два десятка лет, но химиком в душе – и по многим параллельным проектам остался. И читая по долгу службе тексты некоторых коллег, за эти годы он не раз и не два встречал два уникальных химических элемента, существующих только в лексиконе некоторых отечественных 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 упоминали. 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 нам не только для вкуса пищи. Без ионов натрия наш организм не может существовать: они участвуют в регуляции осмотического равновесия в клетках, кровяного давления… Проникновение ионов натрия сквозь мембрану неркной клетки через особые белки – натриевые каналы – физико-химическая основа проведения потенциала действия в нервной клетке, того самого нервного импульса, благодаря которым мы с вами чувствуем, движемся, мыслим.

Как “работает” натрий в нервном импульсе

Считается, что физиологический минимум ежедневной потребности в натрии – около полуграмма. Впрочем, много натрия в организме – тоже плохо. Американская ассоциация сердца (American Heart Association) настоятельно рекомендует употреблять не более полутора граммов натрия в сутки.

С поваренной солью мы разобрались. Также с очень давних времен человечеству знакомы и другие соединения натрия: бура (декагидрат тетрабората натрия), сода (карбонат натрия), мыло (натриевые соли жирных кислот).

Еще в Ветхом завете упоминается некое вещество «нетер», моющее средство. Вероятно, это тоже была сода. О ней же Аристотель тоже писал, но под названием «нитрон», а Плиний Старший называл его «нитрум» (в XVI веке этим словом называли уже натриевую селитру – нитрат натрия.

Но это все соединения. А что же сам натрий – как химический элемент и металл?

Хэмфри Дэви

И натрий, и его более тяжёлый собрат калий, были открыты сэром Хэмфри Дэви в 1807 году. Он лично 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 странному мягкому металлу нашлось применение: 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 окраска пламени хорошо заметна уже 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 ге л ия (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 – созданная в 1843 году проба Лассеня, в которой вещество сплавляют с натрием, а затем исследуют при помощи качественных реакций, позволяет 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 об атомах натрия (не ионах!) 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.

Ниже этого слоя натрий остается в составе оксида натрия, выше – в ионизированном состоянии.

В результате в пятикилометровом натриевом слое на этой высоте на квадратный сантиметр атмосферного столба встречается примерно 4 миллиарда атомов натрия, что соответствует примерно 8000 атомов на кубический сантиметр.

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 светит в небо и зажигает в атмосфере искусственную звезду из возбуждённых атомов натрия на высоте около 90 километров. Яркая линия натрия хорошо 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, названный так в честь Венеры, 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», нельзя 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, не попав в Луну, стал первой искусственной планетой), 3 января в 3:56:20 по московскому времени, на расстоянии в 119500 км от Земли аппарат выпустил 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

В последниее десятилетие активно развивается и еще одна область применения натрия. В статье о первом щелочном металле в таблице Менделеева мы подробно рассказали и о литий-ионных аккумуляторах, и о революции, которую они произвели в обществе, и о нобелевской премии, которую получили Акиро Ёсино, Джон Гуденаф и Стэнли Уиттенгем. Однако лития на планете немного, и он очень рассеян. Поэтому сегодня во всем мире занимаются созданием и совершенствованием натрий-ионных аккумуляторов.

Натрий-ионный аккумулятор

Казалось бы, все то же самое – всего-то дел, заменить литий на натрий, однако это не так. Помимо замены «действующего иона», нужны другие материалы для катода и анода, другая мембрана и так далее. Тем не менее, такие аккумуляторы уже серийно производятся, а в 2024 году выпущен первый серийный электромобиль с натрий-ионными аккумуляторами. Такой аккумулятор обладает меньшей удельной емкостью, но заметно дешевле.

В 2024 году в том числе и за разработку натрий-ионных аккумуляторов член-корреспондент РАН (теперь уже академик) Евгений Антипов был удостоен сразу двух престижных научных российских премий – премии Сбера и национальной премии «Вызов».

Варианты катодов, анодов и элетролитов для натрий-ионных аккумуляторов

Все, кто учился в школе, хорошо помнят эксперименты с металлическим натрием 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 ладонях.

С другой стороны, натрий натрию рознь. Как предсказали, а затем экспериментально подтвердили российские ученые, под очень большим (200 ГПа) давлением, натрий теряет все свои привычныесвойства: 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 под давлением все не так просто. Упомянем статью в Science, которая вышла в декабре 2013 года. Оказывается, при высоком давлении хлорид натрия утрачивает свою каноническую простоту, когда образуются устойчивые соединения Na₃Cl, Na₂Cl, Na₃Cl₂, NaCl₃ и NaCl₇, нарушающие наши привычные химические представления.

Химики-экспериментаторы проверили расчеты исследователей и синтезировали NaCl₃ в кубической и ромбической кристаллической решетке при 55-70 ГПа, а также 2D-металлический тетрагональный Na₃Cl.

Структура Na₃Cl

Вот не могли оставить хотя бы святое, хотя бы поваренную соль в покое! Теперь же двоечникам будет раздолье в школе на уроках по химии: «Ученые разрешили!». Хотя, конечно же, новые результаты современной химии никак не оправдывают незнания.

Текст: Алексей Паевский при участии Екатерины Мищенко

Следите за нашими публикациями в наших пабликах в VK, Телеграм, Дзен и ЖЖ.

Материал подготовлен ИОНХ РАН для проекта «Виртуальный музей химии: продолжение осмотра» при грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий». Проект выполняется в рамках Десятилетия науки и технологий