金属钠及其化合物
金属钠及其化合物
钠是一种金属元素,在周期表中位于第3周期、第IA 族,是碱金属元素的代表,质地柔软,能与水反应生成氢氧化钠,放出氢气,化学性质较活泼。钠元素以盐的形式广泛的分布于陆地和海洋中,钠也是人体肌肉组织和神经组织中的重要成分之一。
物理性质
钠为银白色立方体结构金属,质软而轻可用小刀切割,密度比水
3
小,为0.97g/cm,熔点97.81℃,沸点:882.9℃。新切面有银白色光泽,在空气中氧化转变为暗灰色,具有抗腐蚀性。钠是热和电的良导体,具有较好的导磁性,钾钠合金(液态)是核反应堆导热剂。钠单质还具有良好的延展性,硬度也低,能够溶于汞和液态氨,溶于液氨形成蓝色溶液。在-20℃时变硬。
已发现的钠的同位素共有22种,包括钠18至钠37,其中只有钠23是稳定的,其他同位素都带有放射性。
储存方法
浸放于液体石蜡、矿物油和苯系物中密封保存,大量通常储存在铁桶中充氩气密封保存。金属钠不能保存在煤油中是因为与煤油中的有机酸等物质反应成有机酸钠等物质(呈黄色)附着在钠表面。当保存在石蜡油中时,空气中的氧气也会进入石蜡油,使金属钠的表面变灰,形成氧化物膜。
在纯度要求不高的少量保存时可用煤油浸泡,如实验室保存。 贮于阴凉干燥处,远离火种、热源。少量一般保存在液体石蜡中。 与氧化剂、酸类、卤素分储分运。
灭火:石墨粉、碳酸钠干粉、碳酸钙干粉。禁用水、卤代烃灭火。 制备方法
戴维是通过电解法首先制得的金属钠,随后几十年内,工业上采用铁粉和高温氢氧化钠反应的方法制备金属钠,同时得到四氧化三铁和氢气。
高温
3Fe+4NaOH 4Na+Fe3O 4+2H2↑
电解氢氧化钠也得到金属钠,但是此方法使用较少。当前工业上普遍采用氯化钠-氯化钙熔盐电解法制金属钠。
当斯法
在食盐(即氯化钠) 融熔液中加入氯化钙,油浴加热并电解,温度为500℃,电压6V ,通过电解在阴极生成金属钠,在阳极生成氯气。然后经过提纯成型,用液体石蜡进行包装。
化学方程式: 2NaCl=2Na+Cl2↑ 卡斯纳法
以氢氧化钠为原料,放入铁质容器,熔化温度320-330℃,以镍为阳极,铁为阴极,在电极之间设臵镍网隔膜,电解电压4-4.5V ,阴极析出金属钠,并放出氧气。再将制得的金属钠精制,用液体石蜡包装。
化学方程式:
4NaOH=4Na+2H2O+O2↑
(在此实验中由于熔融状态的钠的密度约为:0.968g/cm³,而熔融状态下的氢氧化钠的密度约为:2.130g/cm³,所以最终产生的熔融状态的钠单质会浮在熔融的氢氧化钠上,与空气中的氧气快速化合发生危险,所以要在稀有气体的保护下进行此实验,否则会发生危险!)
化学性质
钠的化学性质很活泼,常温和加热时分别与氧气化合,和水剧烈反应,量大时发生爆炸,和低元醇反应产生氢气,和电离能力很弱的液氨也能反应。
(1)与氧气发生反应 4Na+O2=2Na2O(常温)
2Na+O2=Na2O 2(加热或点燃) (2)与水发生反应 2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,
高温
2Na+H2O Na 2O+H2
(3)与低元醇发生反应
2Na+2ROH=2RONa+H2↑(ROH表示低元醇) (4)与液氨发生反应
2Na+2NH3(L )=2NaNH2+H2↑
(此反应中“2NH 3(L )”表示液氨)
钠原子的最外层只有1个电子,很容易失去,所以有强还原性。因此,钠的化学性质非常活泼,能够和大量无机物,绝大部分非金属单质反应和大部分有机物反应,在与其他物质发生氧化还原反应时,
在暗红炽热时熔融,到400℃以上时分解成过氧化钠和金属钠。 2Na 2O=Na2O 2+2Na 制备氧化钠 4Na+O2=2Na2O
2、过氧化钠Na 2O 2
过氧化钠是钠在氧气或空气中燃烧的产物之一,纯品过氧化钠为白色,但一般见到的过氧化钠呈淡黄色,原因是反应过程中生成了少量超氧化钠。过氧化钠易潮解、有腐蚀性,应密封保存。过氧化钠具有强氧化性,可以用来漂白纺织类物品、麦杆、羽毛等。
电子式:
常见反应
这里需要特别说明的是,无论NO 还是NO 2都可以被过氧化钠吸收,因此可用于吸收NO 。
Na 2O 2+2NO=2NaNO2 Na 2O 2+2NO2=2NaNO3
所以,所有中学习题中所谓的NO ,NO 2,CO 2混合气体通过过氧化钠后残留NO 或者NO 2气体的描述为错误的
过氧化钠不属于碱性氧化物,属于过氧化物,可与二氧化碳(与干燥的二氧化碳不发生反应),酸反应,反应过程中均有氧气放出,化学方程式分别为:
2Na 2O 2+2CO2=2Na2CO 3+O2
过氧化钠和水的反应首先产生过氧化氢,碱性过氧化氢不稳定,会分解
Na 2O 2+2H2O=2NaOH+H2O 2
2H 2O 2=2H2O+O2↑,反应放热 总反应化学方程式: 2Na 2O 2+2H2O=4NaOH+O2↑
与次高价气态非金属氧化物能发生氧化还原反应,生成盐,但不放出氧气,直接化合如:
Na 2O 2+CO=Na2CO 3 Na 2O 2+SO2=Na2SO 4
与最高价气态非金属氧化物能发生氧化还原反应,生成盐,放出氧气,例:
2Na 2O 2+2CO2=2Na2CO 3+O2 2Na 2O 2+2SO3=2Na2SO 4+O2
过氧化钠和二氧化硫反应生成亚硫酸钠和氧气,亚硫酸钠和氧气反应生成硫酸钠
反应方程式:
2Na 2O 2+2SO2=2Na2SO 3+O2 2Na 2SO 3+O2=2Na2SO 4 所以Na 2O 2+SO2=Na2SO 4
另外,过氧化钠可以将铁单质氧化成含FeO 4的铁酸盐,还可以在一般条件下将有机物氧化成乙醇和碳酸盐。也可以与硫化物和氯化物发生剧烈反应。
过氧化钠的热稳定性好,可加热到熔融状态而不分解。 制备方法 方法一
工业上制备过氧化钠的方法是将钠加热至熔化,通入一定量的除去二氧化碳的干燥空气,维持温度在453-473K 之间,钠即被氧化为氧化钠,进而增加空气流量并迅速提高温度至573-673K ,即可制得过氧化钠。
其化学反应方程式为: 4Na+O2=2Na2O 2Na 2O+O2=2Na2O 2 方法二
过氧化钠主要靠钠的燃烧来制取,工业上将钠装入铝盘,通入干燥且不含二氧化碳的空气,先保持180-200摄氏度,使钠氧化成氧化钠(Na 2O ),再增加通入气体量,同时升温至300-400摄氏度,即可得到纯净的过氧化钠。
其化学反应方程式为: 4Na+O2=2Na2O 2Na 2O+O2=2Na2O 2 方法三
过氧化钠也可以通过过氧化氢与氢氧化钠的反应制取,化学方程式为:
2NaOH+H2O 2=Na2O 2+2H2O 物质用途
可做供氧剂,强氧化剂,具有漂白性。 它能与CO 2作用,放出O 2。 2Na 2O 2+2CO2=2Na2CO 3+O2
根据这个性质,可将它用在矿山、坑道、潜水或宇宙飞船等缺氧的场合,将人们呼出的CO 2再转换成O 2,以供呼吸之用。
过氧化钠可用来除去O 2中的H 2O 和CO 2杂质。
过氧化钠还可以用于消毒、杀菌和漂白等,在工业上常用做漂白剂、杀菌剂、消毒剂、去臭剂、氧化剂等。
熔融态的过氧化钠是非常好的氧化剂,可以把Fe 氧化为高铁酸根,甚至可以在常温下把有机物转化为碳酸盐。
可用于制过氧化氢,过程如下。
①用磷酸或磷酸二氢钠将过氧化钠水溶液中和至PH :9.0~9.7,使生成磷酸氢钠和过氧化氢的水溶液。
②使所说的磷酸氢钠和过氧化氢水溶液冷却到+5~-5℃,从而使绝大部分磷酸氢钠以十水磷酸氢钠水合物形式析出。
③在离心分离器中对含有磷酸氢钠水合物和过氧化氢水溶液混合物进行分离,从而使磷酸氢钠水合物结晶从含少量磷酸氢钠的过氧化氢水溶液中分离出来。
④将所说的含少量磷酸氢钠的过氧化氢水溶液在蒸发器中蒸发,得到含过氧化氢和水的蒸汽,而含过氧化氢的磷酸氢钠浓盐溶液从底部流出并返回中和槽。
⑤将所说的含过氧化氢和水的蒸汽在分馏塔中进行减压分馏,得到约30%过氧化氢。
其水溶液可用作漂白剂(脱色剂),氧化剂,防腐剂,杀菌剂,除臭剂,微量分析。
安全相关
过氧化钠具有强氧化性,在熔融状态时遇到棉花、炭粉、铝粉等还原性物质会发生爆炸。因此存放时应注意安全,不能与易燃物接触。它易吸潮,有强腐蚀性,会引起烧伤。
3、氢氧化钠
氢氧化钠,化学式为NaOH ,俗称烧碱、火碱、苛性钠,为一种具有很强腐蚀性的强碱,一般为片状或颗粒形态,易溶于水(溶于水时放热)并形成碱性溶液,另有潮解性,易吸取空气中的水蒸气。NaOH 是化学实验室其中一种必备的化学品,亦为常见的化工品之一。纯品是无色透明的晶体。密度2.130g/cm³。熔点318.4℃。沸点1390℃。工业品含有少量的氯化钠和碳酸钠,是白色不透明的固体。有块状、片状、粒状和棒状等。
物理性质
氢氧化钠为白色半透明结晶状固体。其水溶液有涩味和滑腻感。 溶解性:极易溶于水,溶解时放出大量的热。易溶于水、乙醇以及甘油。
潮解性:氢氧化钠在空气中易潮解。
吸水性:固碱吸湿性很强,露放在空气中,吸收空气中的水分子,最后会完全溶解成溶液,但液态氢氧化钠没有吸湿性。
化学性质 碱性
氢氧化钠溶于水中会完全解离成钠离子与氢氧根离子,所以它具有碱的通性。
它可与任何质子酸进行酸碱中和反应: NaOH+HCl=NaCl+H 2O
2NaOH+H2SO 4=Na2SO 4+2H 2O NaOH+HNO₃=NaNO₃+H 2O
同样,其溶液能够与盐溶液发生复分解反应: NaOH+NH4Cl=NaCl+NH3〃H 2O 2NaOH+CuSO4=Cu(OH)2↓+Na2SO 4 2NaOH+MgCl2=2NaCl+Mg(OH)2↓ 皂化反应
许多的有机反应中,氢氧化钠也扮演着类似催化剂的角色,其中,最具代表性的莫过于皂化反应:
RCOOR'+NaOH=RCOONa+R'OH 其他
之所以氢氧化钠于空气中容易变质,是因为空气中含有二氧化碳:
2NaOH+CO2=Na2CO 3+H 2O
倘若持续通入过量的二氧化碳,则会生成碳酸氢钠,俗称为小苏打,反应方程式如下所示:
Na 2CO 3+CO2+H 2O =2NaHCO3
同样,氢氧化钠能够与像二氧化硫等酸性氧化物发生如下反应: 2NaOH+SiO2=Na2SO 3+H 2O
2NaOH+SiO2(微量)=Na2SO 3+H 2O
2NaOH+SiO2(过量)=NaHSO3(生成的Na 2SO 3和水与过量的SO ₂反应生成了NaHSO 3)
颜色反应
它能与指示剂发生反应:
氢氧化钠溶液通常使石蕊试液变蓝,使酚酞试液变红 腐蚀性
氢氧化钠对玻璃制品有轻微的腐蚀性,两者会生成硅酸钠,使得玻璃仪器中的活塞黏着于仪器上。如果以玻璃容器长时间盛装热的氢氧化钠溶液,会造成玻璃容器损坏。
其他反应
两性金属与氢氧化钠反应生成氢气,反应方程式如下所示: 2Al+2NaOH+2H 2O =2NaAlO2+3H2↑
两性非金属与氢氧化钠反应生成氢气,反应方程式如下所示: Si+2NaOH+H 2O =Na2SiO 3+2H2↑
与明矾KAl(SO4) 2〃12H 2O 反应,反应方程式如下所示: 6NaOH+2KAl(SO4) 2=2Al(OH)3↓+K2SO 4+3Na2SO 4 4、氯化钠
氯化钠(NaCl ),外观是白色晶体状,其来源主要是在海水中,是食盐的主要成分。易溶于水、甘油,微溶于乙醇、液氨;不溶于浓盐酸。在空气中微有潮解性。稳定性比较好,工业上用于制造纯碱和烧碱及其他化工产品,矿石冶炼,生活上可用于调味品。
物理性质
熔点:801°C(1074K) 沸点:1465°C(1738K)
3
密度:2.165g/cm
氯化钠的晶体形成立体对称。其晶体结构中,较大的氯离子排成立方最密堆积,较小的钠离子则填充氯离子之间的八面体的空隙。每个离子周围都被六个其他的离子包围着。这种结构也存在于其他很多化合物中,称为氯化钠型结构或石盐结构。
氯化钠是白色无臭结晶粉末。熔点801℃,沸点1465℃微溶于乙醇、丙醇、丁烷,在和丁烷互溶后变为等离子体,易溶于水。NaCl 分散在酒精中可以形成胶体. ,其水中溶解度因氯化氢存在而减少,几乎不溶于浓盐酸
化学性质 制取金属钠
2NaCl=电解=2Na+Cl2↑ 电解食盐水
2NaCl+2H2O=电解=H2↑+Cl2↑+2NaOH 与硝酸银反应
NaCl+AgNO3=NaNO3+AgCl↓ 与浓硫酸反应
2NaCl+H2SO 4(浓)=加热=2HCl↑+Na2SO 4 NaCl+H2SO 4(浓)=微热=HCl↑+NaHSO4 NaCl 检验方法
一:向氯化钠溶液中滴入硝酸酸化过的硝酸银溶液,有白色沉淀
-(氯化银沉淀) 产生,证明有Cl 。
二:用铂丝蘸取少量溶液,臵于酒精灯上灼烧,火焰呈黄色,可
+
证含有Na 。
三:为了消除干扰,可取原试液加饱和氢氧化钡至呈明显碱性,
3−3−
这时大部分阳离子和PO 4、AsO 4等阴离子都将被沉淀。引入试液中的2+
Ba 应继以碳酸铵除之,最后用灼烧法除去铵盐。残渣用水加热浸取后,取溶液以HAc 酸化,按1:8的滴数加乙酸铀酰锌试剂,并用玻璃棒摩
+
擦管壁,如有柠檬黄色结晶形沉淀生成,示有Na 存在。
5、碳酸氢钠
碳酸氢钠(NaHCO ₃),白色细小晶体,在水中的溶解度小于碳酸钠。是一种工业用化学品,可能存在毒性。固体50℃以上开始逐渐分解生成碳酸钠、二氧化碳和水,440℃时完全分解。碳酸氢钠是强碱与弱酸中和后生成的酸式盐,溶于水时呈现弱碱性。此特性可使其作为
食品制作过程中的膨松剂。碳酸氢钠在作用后会残留碳酸钠,使用过多会使成品有碱味。
物理性质
碳酸氢钠为白色晶体,或不透明单斜晶系细微结晶。比重2.15。无臭、味咸,可溶于水,微溶于乙醇。其水溶液因水解而呈微碱性,常温中性质稳定,受热易分解,在50℃以上逐渐分解,在440℃时完全失去二氧化碳,在干燥空气中无变化,在潮湿空气中缓慢分解。溶解度:易溶,18℃;16.0g ,60℃。
化学性质
受热易分解。在潮湿空气中缓慢分解。约在50℃开始反应生成CO ₂,在100℃全部变为碳酸钠。在弱酸中迅速分解,其水溶液在20℃时开始分解出二氧化碳和碳酸钠,到沸点时全部分解。25℃时溶于10份水,约18℃时溶于12份水,不溶于乙醇。其冷水制成的没有搅动的溶液,对酚酞试纸仅呈微碱性反应,放臵或升高温度,其碱性增加。25℃新鲜配制的0.1mol/L水溶液pH 值为8.3。低毒,半数致死量(大鼠,经口)4420mg/kg。
与酸反应
与HCl 反应:NaHCO ₃+HCl=NaCl+H₂O+CO₂↑
与CH ₃COOH 反应:NaHCO ₃+CH₃COOH=CH₃COONa+H₂O+CO₂↑ 与碱反应
与氢氧化钠反应:NaHCO ₃+NaOH=Na₂CO ₃+H₂O 与氢氧化钙反应:碳酸氢钠的剂量要分过量和少量。 少量:NaHCO ₃+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+NaOH+H₂O
过量:2NaHCO ₃+Ca(OH)₂=Na₂CO ₃+CaCO₃↓+2H₂O 与盐反应
与CuSO ₄反应:生成碱式碳酸铜和硫酸钠
2CuSO 4+4NaHCO3=CuCO3.Cu(OH)2↓+2Na2SO 4+3CO2↑+H2O 水解
与氯化铝双水解:
3NaHCO ₃+AlCl₃=Al(OH)₃↓+3CO₂↑+3NaCl 与硫酸铝双水解:
Al ₂(SO₄) ₃+6NaHCO₃==3Na₂SO ₄+2Al(OH)₃↓+6CO₂↑ 加热
受热分解:2NaHCO ₃==△==Na₂CO ₃+H₂O+CO₂↑
电离
+-碳酸氢钠电离方程式NaHCO ₃=Na+HCO3
6、碳酸钠
碳酸钠(Na 2CO 3),俗名苏打、石碱、纯碱、洗涤碱,化学式:Na ₂CO ₃,为强电解质,具有盐的通性和热稳定性,易溶于水,水溶液呈碱性,在水溶液或熔融状态下能导电,常温下为白色无气味的粉末或颗粒。
物理性质
性状
碳酸钠常温下为白色无气味的粉末或颗粒。有吸水性,露臵空气中逐渐吸收1mol/L水分(约15%)。
溶解性
碳酸钠易溶于水和甘油。20℃时每一百克水能溶解20克碳酸钠,35.4℃时溶解度最大,100克水中可溶解49.7克碳酸钠,微溶于无水乙醇,难溶于丙醇。
化学性质
碳酸钠的相对分子质量为105.99,一般取106,水溶液呈强碱性(pH=11.6)且有一定的腐蚀性,能与酸发生复分解反应,也能与一些钙盐、钡盐发生复分解反应。含有结晶水的碳酸钠有3种:Na 2CO 3·H 2O 、Na 2CO 3·7H 2O 和Na 2CO 3·10H 2O 。
稳定性
稳定性较强,但高温下也可分解,生成氧化钠和二氧化碳:
高温Na 2CO 3=Na 2O+CO2↑
长期暴露在空气中能吸收空气中的水分及二氧化碳,生成碳酸氢钠,并结成硬块:
高温Na 2CO 3+H2O+CO2=2NaHCO 3
碳酸钠的结晶水合物石碱(Na2CO 3·10H 2O) 在干燥的空气中易风化: Na 2CO 3·10H 2O=Na2CO 3+10H2O
水溶液
由于碳酸钠在水溶液中水解,电离出的碳酸根离子与水中氢离子结合成碳酸氢根离子,导致溶液中氢离子减少,剩下电离的氢氧根离子,所以溶液pH 显碱性。
+2-Na 2CO 3=2Na+CO3
CO 3+H2O ⇋HCO 3+OH
-HCO 3+H2O ⇋H 2CO 3+OH
由于碳酸根可以结合水中的质子(即氢离子)生成碳酸氢根和碳酸,并且能结合酸中的质子释放二氧化碳。所以碳酸钠在酸碱质子理论中属于布朗斯特碱。
碳酸钠有腐蚀性,故盛放溶液的瓶子用橡胶塞
与酸反应
以盐酸为例。当盐酸足量时,生成氯化钠和碳酸,不稳定的碳酸立刻分
解成二氧化碳和水。这个反应可以用来制备二氧化碳:
Na 2CO 3+HCl=NaCl+H2CO 3↑
H 2CO 3=H2O+CO2↑
总的化学方程式是:
Na 2CO 3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑
当盐酸少量时发生如下反应:
Na 2CO 3+HCl=NaCl+NaHCO3
碳酸钠与其他种类的酸也能发生类似的反应。
与碱反应
碳酸钠能和氢氧化钙、氢氧化钡等碱发生复分解反应,生成沉淀和氢氧化钠。工业上常用这种反应制备烧碱(俗称苛化法):
Na 2CO 3+Ca(OH)2=2NaOH+CaCO3↓
与盐反应
碳酸钠能和钙盐、钡盐等发生复分解反应,生成沉淀和新的钠盐: Na 2CO 3+BaCl2=2NaCl+BaCO3↓
Na 2CO 3+CaCl2=2NaCl+CaCO3↓
由于碳酸钠在水中水解生成氢氧化钠和碳酸,它与某些盐的反应则会推动化学平衡向正方向移动,生成相应的碱和二氧化碳:
Al 2(SO4) 3+3Na2CO 3+3H2O=3Na2SO 4+2Al(OH)₃↓+3CO2↑
2--
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