ПРИМЕНЕНИЕ

Натрий и его соединения

Ежегодное потребление натрия и его соединений во всем мире превосходит 100 млн. т. Натрий и его соединения имеют многочисленные применения. Здесь будут перечислены лишь наиболее важные из них.

Металлический натрий. Из-за высокой реакционной способности натрия и сравнительно высокой стоимости его производства этот металл не вырабатывают в больших количествах. Однако значительные количества натрия находят применение в следующих целях:

в качестве газа-наполнителя для уличных светильников;

в качестве хладагента, в виде сплава с калием, в ядерных реакторах-размножителях на быстрых нейтронах;

в металлургических процессах, например для удаления мышьяка из свинца; для производства тетраэтилсвинца (IV), который используется в качестве антидето-наторной присадки к бензину;

в качестве катализатора в органической химии, в виде тонкого слоя, нанесенного на углеродную подложку;

в производстве неорганических продуктов, например цианида натрия.

Гидроксид натрия. Мировое производство гшгооксида натрия превышает 30 млн. т в год. Он используется для изготовления мыла, синтетических моющих средств и других очищающих средств, красителей, косметики и фармацевтических препаратов. Приблизительно 15% гидроксида натрия, получаемого в Великобритании, используется для производства искусственного волокна. Гидроксид натрия используется также для получения органических соединений, например фенола и нафтола.

Карбонат натрия. Мировой объем производства карбоната натрия достигает 26 млн. т в год. Только стекольная промышленность потребляет ежегодно 7 млн. т кальцинированной соды. Большие количества карбоната натрия расходуются также для обработки сточных вод и умягчения воды. Кроме того, он используется для рафинирования металлов, крашения текстильных материалов и дубления кож. Карбонат

натрия применяется также для получения таких соединений, как арсенат натрия и силикат натрия.

Другие соединения натрия. Силикат натрия известный под названием жидкое стекло, используется как модифицирующая добавка в мылах и синтетических моющих средствах. Он применяется в качестве смазочного средства, осушителя, а также в качестве клея в производстве листовой фибры и коробок из гофрированного картона.

Арсенат (V) натрия и арсенат (III) натрия применяются в качестве пестицидов. Алюминийфторид натрия, в природной форме криолита, используется в производстве алюминия. Поскольку объемы добычи криолита недостаточны для этой цели, ежегодно приходится получать большие количества алюминийфторида натрия синтетическим путем.

Другие щелочные металлы и их соединения

Калий. Калий является одним из незаменимых питательных веществ для растений. Поэтому он используется в качестве удобрения в больших количествах в форме нитрата калия. Нитрат калия используется также в производстве взрывчатых веществ и стекла.

Поташ используется в производстве стекла и жидкого мыла. калия используется в качестве модифицирующей добавки, усиливающей поверхностную активность синтетических моющих средств.

Литий. Литий в виде металла используется в различных сплавах. Карбонат лития, представляюший собой белый порошок, используется как антидепрессивное лекарственное средство. Его назначают пить для предотвращения и лечения шизофрении и родственных психических заболеваний. Гидроксид лития используется в вентиляционных системах подводных лодок и космических кораблей для поглощения диоксида углерода.

Применения рубидия и цезия ограничены из-за их высокой стоимости и очень высокой реакционной способности. Однако оба они используются для изготовления фотоэлементов.

Соединения кальция

Самым важным соединением кальция является карбонат кальция. Он представляет собой главную составную часть известняка, мрамора и мела, а также входит в состав доломита наряду с карбонатом магния. В Великобритании ежегодно добывают свыше 100 млн. т известняка. Он используется в строительной промышленности, в дорожном строительстве и в производстве стали, карбоната натрия и стекла.

Кроме того, карбонат кальция используется в производстве оксида кальция, или негашеной извести. С этой целью карбонат кальция нагревают приблизительно до 1200 °С в обжиговой печи:

Гидроксид кальция получают из негашеной извести, добавляя к ней воду. Этот процесс называется гашением извести:

Применение соединении кальция в строительной промышленности. Строительный раствор получают, добавляя воду к смеси песка и гашеной извести до образования густой массы. По мере ее высыхания гашеная известь реагирует с диоксидом углерода, содержащимся в атмосферном воздухе, образуя карбонат кальция:

В результате образования карбоната кальция происходит затвердевание строительного раствора.

Цемент представляет собой смесь силиката кальция и алюмината кальция. Он образуется при нагревании глины с известняком либо с оксидом кальция, полученным при нагревании сульфата кальция с коксом; например

Алебастр (штукатурный гипс), используемый в строительной промышленности, представляет собой гидратированную форму сульфата кальция с формулой . Его получают частичным обезвоживанием гипса

Другие применения соединений кальция. Обычное стекло представляет собой смесь силиката кальция и силиката натрия. Его другое название — натриевое стекло. Это стекло получают, нагревая в печи специально подобранную смесь песка, карбоната натрия и известняка.

Гашеная известь используется для получения отбеливателей (см. разд. 16.3). а также гидросульфата кальция Последний используется в бумажной промышленности. Его получают, пропуская диоксид серы через гашеную известь.

Гашеная известь используется также для нейтрализации кислот в промышленных сточных водах, для умягчения воды и для обработки канализационных сточных вод.

Дикарбид кальция получают нагреванием негашеной извести с коксом в электрической печи:

Дикарбид кальция в больших количествах используется в производстве апетилена:

Другие металлы II группы и их применения

Магний. Магний используется для получения легких сплавов, особенно с алюминием. Эти сплавы применяются в автомобиле- и авиастроении. Магний используется также в качестве протекторного анода для защиты от коррозии стальных трубопроводов (см. гл. 10). Оксид магния является составной частью некоторых косметических средств и зубной пасты. Взвесь гидроксида магния в воде называют магнезией. Она используется для нейтрализации избыточной кислотности в желудке. Горькая (английская) соль, представляющая собой сульфат магния, используется как мягкое слабительное средство.

Барий. «Бариевая каша», применяемая для рентгеноскопической диагностики, содержит малорастворимый сульфат бария. Это соединение используется также для приготовления некоторых красок и пигментов. Карбонат бария применяется в качестве ядохимиката для уничтожения крыс. Бетон и алебастр, содержащие соли бария, используются в производстве стройматериалов, обладающих защитными свойствами от радиации.

Бериллий и стронций. Бериллий включается в состав различных сплавов. Стронций и его соединения не имеют широкого применения, однако соли стронция используются в пиротехнике для получения малиново-красных огней в фейерверках.

Роль s-элементов в биологии и сельском хозяйстве

Четыре металла из числа s-элементов - калий, натрий, кальций и магний - играют жизненно важную роль в структуре живых организмов и в биохимических процессах, протекающих в этих организмах. Все растения и животные содержат эти элементы. Поэтому им уделяется большое внимание в биологических и сельскохозяйственных науках.

Получение соли из растений

Один из древнейших способов получения соли для приготовления пищи заключается в ее экстрагировании из растений. Этот метод до сих пор применяется в некоторых частях Африки, лишенных залежей соли, либо удаленных на большое расстояние от морского побережья.

Различные племена, населяющие Африку, предпочитают использовать для приготовления соли разные виды растении, например папирус, некоторые травы, листья и кожуру бананов. В Восточной Африке некоторые племена получают соль из золы сухих листьев, сжигаемых на земле, а точнее из смеси черной золы и частично обуглившихся листьев. Для экстрагирования солей в золу добавляют воду, которая растворяет соли, а затем подвергается фильтрованию (рис. 13.12).

Для получения соли используется глиняный котел с отверстиями в нижней части. Эти отверстия изнутри покрывают полосками банановых листьев. В листьях прорезают щели, которые действуют как примитивный фильтр. Котел загружают золой, которую заливают холодной водой. Вода медленно просачивается через прорези в банановых листьях и стекает в подставленный снизу кувшин. Время от времени в котел добавляют воду и приминают золу. Полученный в результате соляной раствор сразу же используется для варки овощей.

Растительная зола содержит не только поваренную соль (хлорид натрия), но и другие соли. Зола папируса имеет сравнительно высокую концентрацию хлорида натрия, до 40% от всех присутствующих в ней солей. Кроме того, в растительной

(см. скан)

Рис. 13.12. Один из способов получения соли в африканской деревне.

золе содержатся хлорид калия, карбонат натрия и карбонат калия. Несмотря на то что в северной части Ганы, в Западной Африке, вполне доступна поваренная соль, там все еще предпочитают пользоваться солью из растительной золы, потому что она нейтрализует горький вкус некоторых овощных супов, смягчает бобы и помогает дольше хранить вареную пищу. Попаренную соль тоже добавляют в пищу для улучшения ее вкуса.

Биологические жидкости и гомеостаз. Биологические жидкости в организмах всех животных содержат такие ионы, как . К числу биологических жидкостей относятся плазма крови, пот и внутриклеточные жидкости. Плазма крови, например, имеет сравнительно высокую концентрацию ионов другими словами, высокую концентрацию «соли». Наличие соли в крови обусловливает ее осмотическое давление. Чтобы клетки живого организма могли правильно функционировать, это осмотическое давление должно регулироваться. Функцию регулировки осмотического давления, а следовательно, поддержания должного содержания воды и электролитов в крови, выполняют главным образом почки. Этот процесс называется осморегуляция. Он входит в общий процесс гомеостаза, при помощи которого живые организмы поддерживают свои внутренние системы в равновесии, несмотря на изменения внешних условий.

Хлорид натрия является также одной из главных составных частей пота. Потение - тоже одно из проявлений гомеостаза. Когда тело человека перегревается, он потеет, и благодаря этому снижается температура тела.

Гомеостаз играет жизненно важную роль во всех живых организмах. Он охватывает все системы живого организма, включая нервную систему. А центральную роль в центральной нервной системе играют опять-таки ионы s-металлов, в данном случае

Нервная система животных состоит из миллионов нервных клеток. Сигналы, передаваемые нервной системой от мозга животного и к нему, представляют собой слабые электрические импульсы, распространяющиеся по нервным клеткам. Эти электрические импульсы возникают из-за внезапных изменений конпентрации ионов в нервных клетках. Внутриклеточная жидкость, в том числе и в нервных клетках, имеет сравнительно высокую концентрацию ионов а межклеточные жидкости - более высокую концентрацию ионов Когда ионы диффундируют за пределы нервной клетки, на ее стенках возникает разность потенциалов, обусловленная отрицательным зарядом внутри клетки, где остается избыточное количество ионов После стимулирования нервной клетки она пропускает в себя ионы Это приводит к обращению знака разности потенциалов. Таким образом происходит передача электрического импульса от одной клетки к другим клеткам нервного волокна.

Кальций. Организм взрослого человека должен ежедневно потреблять около 1 г кальция. Главным источником этого элемента служит молочная пища - молоко и сыр. Кальций незаменим для нормального роста и функционирования человеческого организма. В среднем организм взрослого человека содержит около 1 кг кальция. Приблизительно 99% этого количества содержится в виде фосфата кальция в костных и зубных тканях.

Кальций совершенно необходим для правильного функционирования многих процессов в организме человека. Без кальция невозможны свертывание крови, сокращения мышц и функционирование нервной системы. Концентрация кальция в крови человека составляет приблизительно Этот уровень поддерживается гормонами. Усвоению кальция из пищи в желудочно-кишечном тракте способствует витамин D, недостаток которого, особенно в детском возрасте, может приводить к развитию такого заболевания, как рахит. Хорошими источниками витамина D служат печень и рыбий жир.

Рис. 13.13. Скелет молекулы хлорофилла. Символами R, RB обозначены побочные органические группы, например метил или этил.

Магний. Магний тоже играет жизненно важную роль в организме человека. Он необходим для правильного функционирования мышц и нервной системы. В среднем организм взрослого человека содержит около 25 г магния. Большая его часть сконцентрирована в костях. Мы усваиваем магний, поедая зеленые листья овощей. Все зеленые растения содержат хлорофилл, без которого невозможен фотосинтез - процесс синтеза зелеными растениями простейших углеводов из воды и диоксида углерода под действием солнечной энергии. Хлорофилл представляет собой смесь четырех пигментов. Два из них, хлорофилл а и хлорофилл b, являются металлоорганическими комплексами, которые содержат магний, связанный четырьмя атомами азота в центре плоской органической циклической системы, носящей название порфирин (рис. 13.13).

Почва. Здоровый рост и хороший урожай сельскохозяйственных растений зависят от целого ряда факторов. К ним относятся доступность питательных веществ в почве и ее состояние.

Питательные вещества для сельскохозяйственных растений можно подразделить на две группы. К первой относятся так называемые макроэлементы - азот, фосфор и калий, которые необходимы растениям в больших количествах. Другую группу образуют микроэлементы, необходимые растениям в микродозах. К этой группе относятся бор, медь, железо, марганец, молибден и цинк. Для здорового роста сельскохозяйственных растений им также необходимы кальций, магний и сера. Эти три элемента могут рассматриваться как промежуточные между первой и второй группой питательных веществ.

Из четырех элементов, чаше всего вносимых в почву для повышения ее плодородия (азот, фосфор, калий и кальций), два принадлежат к числу s-элементов. Все они, за исключением кальция, вносятся в почву в качестве удобрений, т. е. для повышения в ней концентрации питательных веществ.

Все калийные удобрения получают из природных минеральных отложений, как, например, сильвин и карналлит (см. табл. 13.16). Калий обычно вносят в почву в виде хлорида калия. Однако качество некоторых сельскохозяйственных культур, как, например, картофеля, томатов и мягких фруктов, страдает, если концентрация хлоридов в почве слишком высока. При возделывании таких культур приходится использовать в качестве удобрения сульфат калия.

Наиболее распространенным азотным удобрением является сульфат аммония. Однако применение сульфата аммония сопряжено с двумя проблемами, особенно на влажных почвах. Во-первых, его применение приводит к удалению кальция из почвы. Во-вторых, он уменьшает pH почвы. Дело в том, что глина, входящая в состав почвы, обладает ионообменными свойствами (см. разд. 8.2). Глина содержит ионы кальция, которые вытесняются ионами аммония при внесении в почву сульфата аммония (см. рис. 13-14, а). Ионы кальция вымываются из почвы и уносятся из нее сточными водами, а остающиеся на глине ионы аммония медленно окисляются и превращаются в кислоту (см. рис. 13.14, б).

Рис. 13.14. Нежелательные явления при удобрении почвы сульфатом аммония.

Аммонийные и родственные им удобрения, например мочевина (другое название - карбамид), часто называют «кислыми» удобрениями. Для устранения нежелательной кислотности в такие удобрения добавляют карбонат кальция. Вместо этого можно пользоваться такими нитратными удобрениями, как нитрат калия либо нитрат натрия.

Фосфорные удобрения получают из фосфатных минералов, например из апатита. Однако фосфатные минералы нерастворимы в воде и поэтому недоступны растениям при внесении в почву. В связи с этим фосфатные минералы обрабатывают концентрированной серной кислотой, превращая их в кальция, который растворим в воде. Продукт такой обработки называется суперфосфат:

Суперфосфат

Тройной суперфосфат представляет собой концентрированную форму получаемую при обработке фосфатного минерала фосфорной кислотой.

Кальций вносят в почву для повышения ее pH; этот процесс называется известкованием почвы. Необходимость в этом процессе возникает очень часто, потому что усвоение из почвы растениями всех необходимых питательных веществ, включая микроэлементы, зависит от pH. Оптимальные значения pH почвы для большинства культурных растений находятся в пределах от 6,0 до 7,0, хотя одни растения предпочитают более кислую почву, а другие - слабощелочную почву. В табл. 13.17 указаны оптимальные интервалы значений pH для шести различных сельскохозяйственных растений.

Таблица 13.17. Оптимальные диапазоны значений pH почвы для выращивания различных сельскохозяйственных культур

Кальций вносят в почву в одной из следующих форм:

1) оксид кальция (это вещество называется негашеной известью, жженой известью или просто известью);

2) гидроксид кальция (это вещество называется гашеной известью);

3) карбонат кальция (его обычно вносят в почву в виде мелкоизмельченного известняка или мела).

Название известь часто применяют вообще к любым соединениям кальция.

Итак, повторим еще раз!

1. s-Металлы не встречаются в природных условиях в свободном виде, но широко распространены в виде соединений в минеральных отложениях и в виде ионов в морской воде.

2. Большинство s-металлов могут быть получены путем электролиза их расплавленных галогенидов. Для понижения температуры плавления к ним добавляется какая-либо примесь.

3. Промышленное получение натрия основано на электролизе расплавленного хлорида натрия в электролизере Даунса.

4. Магний получают либо восстановлением обожженного доломита в процессе Пиджеона, либо из морской воды.

5. Гидроксид натрия получают путем электролиза рассола в электролизере с ртутным катодом либо в диафрагменном электролизере.

6. Карбонат натрия получают с помощью аммиачно-содового процесса Сольве. Сырьем для этого процесса служат рассол, известняк и аммиак. Процесс Сольве состоит из двух основных стадий: I) осаждение гидрокарбоната натрия; 2) превращение гидрокарбоната натрия в карбонат натрия (кальцинированная сода). Хлорид кальция представляет собой отходный продукт этого процесса.

7. Гидроксид натрия используется для получения чистящих средств, красителей и искусственного волокна.

8. Нитрат калия используется в качестве удобрения.

9. Соединения кальция используются в строительной промышленности.

10. Калий, натрий, кальций и магний играют исключительно важную роль в структуре живых организмов и в биохимических процессах.

11. Удобрение суперфосфат получают из минеральных фосфатов.

12. Для повышения pH почвы применяется процесс, называемый известкованием. В этом случае термин известь означает оксид кальция либо какое-то родственное соединение.