НАПРЯЖЕНИЕ РАЗЛОЖЕНИЯ
НАТРИЙ, ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
Натрий можно выделить электролизом водных растворов на ртутном катоде. Поскольку стандартный электродный потенциал натрия составляет —2,71 В, на катоде гораздо легче протекает разряд воды с образованием водорода даже при условии высокого водородного перенапряжения (см.), имеющего место на ртутном катоде. Однако то обстоятельство, что натрий образует интерметаллические соединения со ртутью, которые растворимы в ртути и диффундируют в объем ртутного электрода, настолько уменьшает активность натрия у поверхности катода и его способность к обратной ионизации, что процесс разряда иона натрия становится преобладающим. Этот метод получения натрия не применяется в промышленности вследствие высокой стоимости извлечения натрия из амальгамы, и поэтому вернулись к использованию расплавов в качестве электролитов.
Металлический натрий плавится при 370,5 К и кипит при 1153 К. Поэтому желательно иметь низкие рабочие температуры. Гидроокись натрия плавится при 591 К, тогда как хлорид натрия — при 1073 К. В ранее применявшемся процессе, который сейчас используется весьма редко, работали с гидроокисью натрия при температуре несколько выше ее температуры плавления. Первичные электродные реакции следующие:
Образующаяся вода подвергается электролизу и на катоде выделяется водород; выход по току для процесса образования натрия не превышает 0,5. Он становится еще меньше вследствие окисления разрядившегося натрия, который хорошо растворим в расплавленной массе. В настоящее время в качестве электролита предпочитают хлорид натрия.
Одна из трудностей, с которой сталкиваются при работе с расплавами электролитов, — это растворимость металла в электролите и образование металлических «облачков», состоящих из коллоидной дисперсии металла и одного из его соединений. В итоге с повышением температуры возрастают потери и при 1073 К выход натрия становится чрезвычайно низким. Температуру расплава поэтому понижают, используя смесь хлоридов натрия и кальция (или карбэната натрия), плавящуюся приблизительно при 873 К. Стандартный электродный потенциал кальция несколько более отрицателен, чем натрия. На катоде выделяется лишь около 1 % кальция, большая его часть отделяется при переходе натрия в твердое состояние.
Электролиз проводят в стальной емкости, футерованной огнеупорным кирпичом. В центре сосуда расположен графитовый анод, где выделяется газообразный хлор, который затем отводится Анод помещен в кольцеобразный железный катод, где и образуется металлический натрий (в расплавленном состоянии), который затем поднимается в коллектор и транспортируется в охлаждающую емкость. Напряжение разложения хлорида натрия составляет около 3,3 В, но на практике берут вдвое большую величину, а температуру поднимают до 873 К. Выход по току равен примерно 80%, и, следовательно, потребление энергии при электролизе хлорида натрия не больше, чем при электролизе гидроокиси натрия.
См. также [21, 23].