Жидкий натрий это что такое
Презентация к защите
АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
С НАТРИЕВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
16.1. Жидкий натрий как теплоноситель
Атомные электростанции с жидкометаллическим теплоносителем могут работать как на тепловых, так и на быстрых нейтронах, в последнем случае с коэффициентом воспроизводства ядерного горючего более единицы. Преимущество такого теплоносителя — возможность работы при низком давлении в первом контуре. Значительная в сравнении с водным и газовым теплоносителями плотность жидких металлов позволяет перекачивать относительно малые объемы, то есть уменьшить диаметры трубопроводов и расходы на собственные нужды, а также обеспечивать высокий коэффициент теплоотдачи от поверхности оболочки твэла к теплоносителю, что позволяет при той же температуре оболочки получать более высокую температуру теплоносителя. Пока для АЭС наиболее пригоден жидкий натрий.
Жидкометаллический теплоноситель значительно осложняет оборудование АЭС и выдвигает довольно большое число инженерно-технических проблем. Поэтому АЭС с жидкометаллическим теплоносителем разрабатывают только применительно к реакторам на быстрых нейтронах. Важность этих реакторов показана в гл. 2. Атомная энергетика Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции, хотя в настоящее время они вносят весьма незначительный вклад в суммарное облучение населения. При нормальной работе ядерных установок выбросы радиоактивных материалов в окружающую среду очень невелики.
Жидкий натрий как теплоноситель выдвигает ряд требований к оборудованию и эксплуатации. Температура плавления натрия высока (97 ℃), поэтому для пуска станции с нуля необходим предварительный электроразогрев всего оборудования и трубопроводов. В зависимости от тепловой схемы
пуск станции с нуля может потребовать от трех до пяти недель.
Бурная реакция натрия с водой в условиях радиоактивного натрия может иметь особо негативные последствия, поэтому обязателен промежуточный натриевый контур, давление в котором поддерживается большим, чем в первом контуре: в случае нарушения плотности между первым и промежуточным контурами невозможно перетекание радиоактивного натрия в промежуточный, а может иметь место только переток нерадиоактивного натрия из промежуточного в первый контур. Тем самым обеспечивается отсутствие радиоактивности в промежуточном контуре, а в случае нарушения плотности между вторым и промежуточным контурами контакт воды возможен только с нерадиоактивным натрием.
Оборудование первого и промежуточного натриевых контуров существенно отличается от применяемого при других теплоносителях. Так, в системе трубопроводов должны быть предусмотрены установки для очистки натрия от оксидов и гидридов, так называемые «холодные ловушки», обеспечивающие охлаждение некоторой части теплоносителя до температуры, при которой оксиды выпадают в осадок и могут быть отфильтрованы.
Особые требования предъявляются к арматуре и циркуляционным насосам. Арматура при использовании натриевого теплоносителя должна быть кованой для предупреждения межкристаллитной коррозии. Учитывая высокую теплопроводность натрия, приходится выдвигать такое требование, как стойкость арматуры против теплового удара, а малая вязкость натрия требует применения для арматуры твердых материалов, препятствующих задиранию.
Важное требование к арматуре для жидких металлов — полное отсутствие утечек через сальники. Оно объясняется высокой стоимостью теплоносителя, а также тем, что протечка даже небольшого количества его опасна. Обычные набивки в данном случае при высокой температуре нестойки, поэтому переходят к бессальниковым конструкциям с сильфонными уплотнениями, иногда в комбинации с замораживаемыми уплотнениями и сальниками.
Для АЭС с жидкометаллическим теплоносителем очень большое значение имеет надежность работы реактора, так как ликвидация последствий аварий в условиях таких реакторов наиболее сложна. Так, реактор АЭС «Энрико Ферми» (США) после аварии с расплавлением горючего, происшедшей в октябре 1966 г., вновь достиг критичности только в июле 1970 г. Последующая эксплуатация была неудовлетворительной — коэффициент использования мощности в 1971 г. составил всего 3,4%. В 1972 г. было вынесено решение о прекращении работ на реакторе, а в 1974 г. — решение об его демонтаже.
Рис. 16.1. Петлевая (контурная) компоновка реактора БН-350:
1 — корпус реактора; 2 — большая поворотная пробка; 3 — малая поворотная пробка; 4 — центральная колонна с механизмами СУЗ; 5 — механизм подачи сборок; 6 — перегрузочный бокс; 7 — элеватор загрузки-выгрузки; 8 — верхняя неподвижная защита; 9 — механизм перегрузки; 10 — активная зона; 11 — опора реактора; 12 — боковая защита (железорудный концентрат); 13 — бетонная защита
Среди пяти реакторов с натриевым теплоносителем, находящихся в эксплуатации в мире, четыре — бакового типа (интегральная компоновка) — по одному в России (БН-600) и Великобритании и два во Франции; один реактор — петельный (контурная компоновка) — в Казахстане (БН-350). Таким образом, в атомной энергетике СНГ имеется опыт эксплуатации обоих типов компоновки реактора и его систем, это даст возможность сделать определенный выбор между двумя вариантами, для которого в настоящее время нет достаточных оснований.
Относительные сложности эксплуатации АЭС с жидкометаллическим теплоносителем и наиболее высокая их стоимость побуждают вести поиск и других теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах. К их числу относятся, например, разработка АЭС на свинце и предложения использовать в качестве теплоносителя гелий (см. гл. 17).
Натрий
Натрий/Natrium (Na), 11
На́трий — элемент главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 11. Обозначается символом Na (лат. Natrium ). Простое вещество натрий (CAS-номер: 7440-23-5) — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.
Содержание
История и происхождение названия
Натрий (а точнее, его соединения) использовался с давних времён. Например, сода (натрон), встречается в природе в водах натронных озёр в Египте. Природную соду древние египтяне использовали для бальзамирования, отбеливания холста, при варке пищи, изготовлении красок и глазурей. Плиний Старший пишет, что в дельте Нила соду (в ней была достаточная доля примесей) выделяли из речной воды. Она поступала в продажу в виде крупных кусков, из-за примеси угля окрашенных в серый или даже чёрный цвет.
Натрий впервые был получен английским химиком Хемфри Дэви в 1807 году электролизом расплава гидроксида натрия.
Нахождение в природе
Получение
Первым промышленным способом получения натрия стала карботермическая реакция восстановления карбоната натрия углем при нагревании тесной смеси этих веществ в железной ёмкости до 1000 °C (способ Девилля) [6] :
С появлением электроэнергетики стал более практичен другой способ получения натрия — электролиз расплава едкого натра или хлорида натрия. В настоящее время электролиз — основной способ получения натрия.
Натрий также можно получить циркониетермическим методом, а также термическим разложением азида натрия.
Физические свойства
Химические свойства
Щелочной металл, на воздухе легко окисляется. Для защиты от кислорода воздуха металлический натрий хранят под слоем керосина.
При горении на воздухе или в кислороде образуется пероксид натрия:
С водой натрий реагирует очень бурно, реакция идёт с выделением водорода, который может самовоспламениться или взорваться, куски металла всплывают на поверхность и могут расплавиться:
Как и все щелочные металлы, натрий является сильным восстановителем и энергично взаимодействуют со многими неметаллами (за исключением азота, иода, углерода, благородных газов):
Натрий более активный чем литий. С азотом реагирует крайне плохо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество — нитрид натрия (в противоположность нитриду лития):
С разбавленными кислотами взаимодействует как обычный металл:
С концентрированными окисляющими кислотами выделяются продукты восстановления:
Растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор:
С газообразным аммиаком взаимодействует при нагревании
С ртутью образует амальгаму натрия, которая используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла. При сплавлении с калием даёт жидкий сплав.
Алкилгалогениды с избытком металла могут давать натрийорганические соединения — высокоактивные соединения, которые обычно самовоспламеняются на воздухе и взрываются с водой.
Применение
Металлический натрий широко используется в препаративной химии и промышленности как сильный восстановитель, в том числе в металлургии. Используется для осушения органических растворителей, например, эфира. Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. Его также применяют в выпускных клапанах грузовиков как теплоотвод. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.
В сплаве с калием, а также с рубидием и цезием используется в качестве высокоэффективного теплоносителя. В частности, сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % имеет рекордно низкую температуру плавления −78 °C и был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для атомных энергоустановок.
Натрий также используется в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) очень широко применяются в уличном освещении. Они дают ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12-24 тысяч часов. Поэтому газоразрядные лампы типа ДНаТ незаменимы для городского, архитектурного и промышленного освещения. Также существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути).
Металлический натрий применяется в качественном анализе органического вещества. Сплав натрия и исследуемого вещества нейтрализуют этанолом, добавляют несколько миллилитров дистиллированной воды и делят на 3 части, проба Ж. Лассеня (1843), направлена на определение азота, серы и галогенов (проба Бейльштейна)
Хлорид натрия (поваренная соль) — древнейшее применяемое вкусовое и консервирующее средство.
Азид натрия (NaN3) применяется в качестве азотирующего средства в металлургии и при получении азида свинца.
Цианид натрия (NaCN) применяется при гидрометаллургическом способе выщелачивания золота из горных пород, а также при нитроцементации стали и в гальванотехнике (серебрение, золочение).
Хлорат натрия (NaClO3) применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне.
Изотопы натрия
В настоящее время (2012 г.) известно 20 изотопов с массовыми числами от 18 до 37 и 2 ядерных изомера натрия. Единственный стабильный изотоп 23 Na. У большинства изотопов период полураспада меньше одной минуты. Существуют также 2 радиоактивных изотопа с большим периодом полураспада. Это претерпевающий позитронный распад 22 Na с периодом полураспада 2,6027 года, его используют в качестве источника позитронов и в научных исследованиях. 24 Na, с периодом полураспада электронного типа 15 часов, используется в медицине для диагностики и для лечения некоторых форм лейкемии.
Биологическая роль
В высших организмах натрий находится большей частью в межклеточной жидкости клеток (примерно в 15 раз больше чем в цитоплазме клетки). Разность концентраций поддерживает встроенный в мембраны клетки натрий-калиевый насос, откачивающий ионы натрия из цитоплазмы в межклеточную жидкость.
Совместно с калием натрий выполняет следующие функции:
Рекомендуемая доза натрия составляет для детей от 600 до 1700 миллиграммов, для взрослых от 1200 до 2300 миллиграммов в день. В виде поваренной соли это составляет от 3 до 6 граммов в день.
Натрий содержится практически во всех продуктах, хотя большую его часть организм получает из поваренной соли. Усвоение в основном происходит в желудке и тонкой кишке. Витамин Д улучшает усвоение натрия, однако, чрезмерно солёная пища и пища богатая белками препятствуют нормальному всасыванию. Количество поступившего с едой натрия показывает содержание натрия в моче. Для богатой натрием пищи характерна ускоренная экскреция.
Дефицит натрия у питающегося сбалансированной пищей человека не встречается, однако, некоторые проблемы могут возникнуть при вегетарианских диетах и голодании. Временный дефицит может быть вызван использованием мочегонных препаратов, поносом, обильным потением или избыточным употреблением воды. Симптомами нехватки натрия являются потеря веса, рвота, образование газов в желудочно-кишечном тракте, и нарушение усвоения аминокислот и моносахаридов. Продолжительный дефицит вызывает мышечные судороги и невралгию.
Переизбыток натрия вызывает отек ног и лица, а также повышенное выделение калия с мочой. Максимальное количество соли, которое может быть переработано почками составляет примерно 20-30 граммов, большее количество уже опасно для жизни.
Меры предосторожности
В лабораториях небольшие количества натрия (примерно до 1 кг) хранят в закрытых стеклянных банках под слоем керосина, так, чтобы керосин покрывал весь металл. Банка с натрием должна храниться в металлическом несгораемом шкафу (сейфе). Натрий берут пинцетом или щипцами, отрезают скальпелем (натрий пластичен и легко режется ножом) на сухой поверхности (не на столе, а в стеклянной чашке) необходимое количество и остаток тут же возвращают в банку под слой керосина, а отрезанный кусок либо помещают в сухой керосин, либо тут же вводят в реакцию. Прежде чем приступить к работе с натрием, необходимо пройти инструктаж по технике безопасности, лица, впервые приступающие к работе с натрием, должны производить эту работу под наблюдением сотрудников, имеющих опыт такой работы. Обычно в лабораторных условиях для реакций используют количества натрия, не превышающие нескольких десятков грамм. Для демонстративных опытов, например, в школе на уроках химии стоит брать не более одного грамма натрия. После работы с металлическим натрием всю посуду и остатки натрия заливают неразбавленным спиртом и полученный раствор нейтрализуют слабым раствором кислоты. Следует обратить особое внимание, чтобы все остатки и обрезки натрия были полностью нейтрализованы до их выбрасывания, так как натрий в мусорном ведре может вызвать пожар, а в канализационном сливе может вызвать разрушение трубы. Хранить натрий дома и производить с ним какие-либо опыты не рекомендуется.
Натрий (Na, Natrium)
История натрия
Натрий в чистом виде получил в 1807 году Хемфри Дэви – английский химик, который незадолго до натрия открыл калий. Дэви проводил процесс электролиза одного из соединений натрия – гидроксида, расплавив который и получил натрий. Соединениями натрия человечество пользовалось со времён глубокой древности, содой природного происхождения пользовались ещё в Древнем Египте (calorizator). Называли элемент содий (sodium), иногда именно это название можно встретить даже сейчас. Привычное название натрий (от латинского natrium – сода) было предложено шведом Йенсом Берцелиусом.
Общая характеристика натрия
Натрий является элементом I группы III третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, имеет атомный номер 11 и атомную массу 22,99. Принятое обозначение – Na (от латинского natrium).
Нахождение в природе
Соединения натрия содержатся в земной коре, морской воде, в виде примеси, имеющей свойство окрашивать каменную соль в синий цвет из-за действия радиации.
Физические и химические свойства
Натрий является мягким пластичным щелочным металлом, имеет серебристо-белый цвет и блеск на свежем срезе (натрий вполне возможно разрезать ножом). При применении давления превращается в прозрачное вещество красного цвета, при обычной температуре кристаллизуется. При взаимодействии с воздухом быстро окисляется, поэтому хранить натрий необходимо под слоем керосина.
Суточная потребность в натрии
Натрий – важный для организма человека микроэлемент, суточная потребность в нём для взрослых составляет 550 мг, для детей и подростков – 500-1300 мг. В период беременности норма натрия в сутки составляет 500 мг, а в некоторых случаях (обильное потоотделение, обезвоживание, приём мочегонных препаратов) должна быть увеличена.
Продукты питания богатые натрием
Натрий содержится практически во всех морепродуктах (раках, крабах, осьминогах, кальмарах, мидиях, морской капусте), рыбе (анчоусах, сардинах, камбале, корюшке и т.д.), куриных яйцах, крупах (гречневой, рисе, перловой, овсяной, пшённой), бобовых (горохе, фасоли), овощах (томатах, сельдерее, моркови, капусте, свёкле), молочных продуктах и мясных субпродуктах.
Полезные свойства натрия и его влияние на организм
Полезными для организма свойствами натрия являются:
Усвояемость натрия
Натрий содержится практически во всех продуктах, хотя большую его часть (около 80%) организм получает из поваренной соли. Усвоение в основном происходит в желудке и тонком кишечнике. Витамин D улучшает усвоение натрия, однако, чрезмерно соленая пища и пища богатая белками препятствуют нормальному всасыванию.
Взаимодействие с другими
Повышенное потребление натрия вызывает накопление жидкости в организме, отеки, повышает кровяное давление. Большой прием натрия (соли) приведет к истощению запасов калия, кальция и магния.
Применение натрия в жизни
Применение металлического натрия – химическая и металлургическая промышленность, где он выступает в роли сильнейшего восстановителя. Хлоридом натрия (поваренной солью) пользуются все без исключения жители нашей планеты, это самое известное вкусовое средство и древнейший консервант.
Признаки нехватки натрия
Нехватка натрия обычно случается при чрезмерном потоотделении – в жарком климате или при физических нагрузках. Недостаток натрия в организме характеризуется ухудшением памяти и потерей аппетита, головокружением, быстрой утомляемостью, обезвоживанием, мышечной слабостью, а иногда – судорогами, кожными высыпаниями, желудочными спазмами, тошнотой, рвотой.
Признаки избытка натрия
Излишнее количество натрия в организме даёт о себе знать постоянной жаждой, отёками и аллергическими реакциями.
Натрий
B6 : Легковоспламеняющийся реактивный материал
выделяет горючий газ при контакте с водой: водород
E : Коррозионный материал
при контакте с водой образует коррозионное вещество: гидроксид натрия
Раскрытие при 1,0% в соответствии с критериями классификации
Резюме
История
Изотопы
Примечательные особенности
Химические характеристики
Тепла, выделяемого в результате экзотермической реакции разложения воды, в присутствии кислорода обычно достаточно для детонации производимого водорода.
Этот металл горит на воздухе желтым пламенем (но горит только при температуре выше 388 K или 115 ° C ).
Натрия спектр имеет особенность представления очень яркий спектральный дублет в желтый. Эти две линии, расположенные на 589,00 и 589,59 нм, обычно обозначаются соответственно D2 и D1. Их вмешательство является причиной феномена биений по интенсивности.
Физические характеристики
Использование натрия
Другие применения металлического натрия:
Атомная промышленность
Жидкий натрий является опасным продуктом, в частности, из-за риска возгорания натрия, тушение которого особенно трудно. Но он представляет интерес для ядерной промышленности по двум причинам: его теплопередача и тот факт, что он не очень хорошо улавливает тепловые нейтроны (сечение 0,4 барн) и тем более быстрые нейтроны. Однако в процессе работы образуется некоторое количество натрия 24, однако натрий 24 является бета- и гамма-излучателем с энергией 4 МэВ с периодом 15 ч, давая стабильный магний 24. Это предотвращает приближение цепей до недели после отключения.
Производство
Основными производителями натрия в металлической форме в мире являются:
Соединения натрия
Также встречаются соединения натрия:
Воздействие на окружающую среду
Воздействие на здоровье
Ион натрия является одним из важнейших элементов для организма, но, когда он присутствует в избытке (обычно из-за слишком богатой солью диеты), он является фактором гипертонии и нарушения функции почек (в канальцах). Биохимия: присутствует в организме в основном в сосудистой среде, его концентрация в крови составляет от 136 до 145 мэкв / л. Натрий в его пестицидной форме ( метам-натрий ), который используется, в частности, производителями жевательных продуктов, вызывает отравление.
Торговля
Согласно французской таможне, в 2014 году Франция была нетто-импортером натрия. Средняя импортная цена за тонну составляла 2000 евро.
Вездесущий натрий
Кристаллы обычной соли, или хлорида натрия. Фото: Edal Anton Lefterov / Wikimedia Сommons / CC BY-SA 3.0
Крупинки натрий хлора в солонке, бензоат в газировке и лаурилсульфат в шампуне — натрий окружает нас если не повсюду, то, по крайней мере, на кухне и в ванной. Он есть и внутри нашего организма, для которого поддержание баланса натрия и калия жизненно необходимо. Но это всё натрий, входящий в состав химических соединений, а совсем не тот кусок мягкого легкоплавкого металла, с помощью которого некоторые горе-экспериментаторы устраивают опасные фейерверки. Такое применение натрия, конечно, далеко не единственное: расплавленный металл используется как теплоноситель для охлаждения атомных реакторов, а это уже, согласитесь, совсем не игрушки.
Начнём с натрия, баланс которого так тщательно контролируют наши клетки, и на это у них есть веские причины: нарушение натрий-калиевого баланса в организме крайне опасно для здоровья.
О том, что в живых организмах не последнюю роль играют электрические явления, учёные серьёзно задумались после знаменитых экспериментов Луиджи Гальвани с лягушками, которые он проводил в конце XVIII века. Мышцы препарированных им земноводных сокращались, когда экспериментатор включал их в электрическую цепь. А поскольку металлические провода в лягушачьих мышцах, очевидно, отсутствовали, то и электрические процессы в них должны чем-то отличаться от забега электронов по проводникам (см. «Науку и жизнь» № 4, 2017 г., статья «Сказка об электрической лягушке и итальянском физике Алессандро Вольте, основоположнике учения об электричестве»). Шаг за шагом к началу ХХ века исследователи выяснили, что главную «электрическую» функцию в клетке выполняет её оболочка — мембрана, а электрические явления в организме имеют химическую природу, связанную с движением ионов сквозь неё.
Памятник Луиджи Гальвани в Болонье, Италия. Фото: Michele Ursino / Flickr.com / СС BY-SA 2.0
Ионы могут проникать сквозь мембрану только по специально предназначенным для этого проходам — ионным каналам. Конечно, можно представить, что каналы — это своего рода трубы, по которым внутрь или наружу клетки двигаются ионы. Но тогда непонятно, как клетка может поддерживать внутри себя высокую концентрацию ионов калия и низкую концентрацию ионов натрия — тот самый жизненно необходимый натрий-калиевый баланс. Ведь если внутрь клетки по каналу может пройти большой ион калия, то логично предположить, что вслед за ним с лёгкостью пройдёт маленький ион натрия, и не будет тогда никакого баланса. Но клетки умеют как-то отличать калий от натрия — явно не по размеру. Проблема настолько волновала учёный мир, что за открытие структуры ионных каналов в 2003 году была присуждена Нобелевская премия.
Структура альфа-гемолизина — токсичного белка, выделяемого золотистым стафилококком. Встраиваясь в мембрану, этот белок создаёт канал, по которому ионы натрия и калия начинают бесконтрольно перемещаться, нарушая нормальную работу клетки. Фото: Bassophile / Wikimedia Commons / CC B4-SA 3.0
Оказалось, что на внутренних стенках канала в строго определённых местах находятся атомы кислорода, имитирующие молекулы воды вокруг иона. В результате ион, попадая внутрь такого канала, чувствует себя «как дома», точнее, как в растворе. Дело в том, что в растворе у разных ионов образуется разная оболочка из молекул воды, и даже у таких похожих ионов, как натрий и калий, их водяная «шуба» чуть-чуть, да отличается. Поэтому натрий, попав внутрь канала, предназначенного для калия, чувствует себя в нём неуютно и возвращается туда, откуда приплыл. Подобный принцип реализован в особом виде ионных каналов — натрий-калиевых насосах. Это встроенные в мембрану специальные белки, которые поочерёдно выпускают из клетки ионы натрия, а внутрь пропускают ионы калия.
Кристаллы хлорида натрия, выращенные на Международной космической станции. Фото: NASA / CC BY-NC 2.0
От натрия внутри нас перейдём к натрию, который мы едим. Разумеется, никто не готовит себе десерты из мелко нарезанных ломтиков металлического натрия — в организм он поступает в виде соединений с другими элементами и веществами. Например, в виде обычной поваренной соли, которая есть не что иное, как хлорид натрия. Кстати говоря, такой соли нашему организму нужно не больше пяти граммов в сутки, а всё, что выше, идёт во вред, приводя к проблемам с давлением.
Другое вещество — бензоат натрия — часто можно встретить в составе пищевых продуктов с пометкой на упаковке «консервант». Оно относительно безвредно для человека, но весьма эффективно подавляет рост микроорганизмов, благодаря чему пища может храниться дольше. У бензоата натрия есть ещё одна особенность: разные люди по-разному воспринимают вкус этого вещества. Для кого-то оно сладкое, кому-то кажется солёным, а кто-то чувствует горечь, причём зависит это от генов конкретного человека. Говорят, один химик часто предлагал своим гостям стакан воды, куда предварительно добавлял чуть-чуть бензоата натрия, и просил определить, какого она вкуса. В большинстве случаев споры об «истинном» вкусе воды надолго занимали гостей. Эксперимент вполне в стиле самого известного научного «тролля», физика-экспериментатора и писателя Роберта Вуда. Шутки шутками, но сейчас тестовые полоски с бензоатом натрия используют для определения генетических различий между людьми.
Тест-полоски с бензоатом натрия помогают определять генетические различия между людьми. Фото: Jhayne / Flickr.com
Помимо бензоата натрий входит в состав двух других популярных консервантов: нитрита натрия и бисульфита натрия. Нужно сразу оговориться: антимикробное действие оказывает не катион натрия, а вторая «половинка» молекулы соли — анион бензойной (бензоат), азотистой (нитрит) или сернистой (бисульфит) кислоты. Натрий же выбран как самый безвредный компонент для этих соединений. Кстати, совсем не обязательно использовать консервант в виде соли. Можно, например, растворить в жидкости диоксид серы — так поступают при изготовлении вина ещё со времён Древнего Рима. Однако у этого метода есть один отрицательный эффект: вино со временем может приобрести неприятный запах сероводорода.
Позволим себе ещё одну небольшую ремарку по поводу консервантов. Может показаться, что еда без «химии» и консервантов полезна и экологична. В этом действительно есть своя правда. Но если на другую чашу весов положить ту массу продуктов без консервантов, которая испортится и будет выброшена, а также те ресурсы, которые требуются, чтобы эти продукты произвести, может получиться, что польза от «химии» с лихвой перекроет её вред.
От биохимии и еды перейдём к «химическим» сферам. Но сначала расскажем о таком соединении, как хлорат натрия, и о том, как безответственно его применяли новозеландские животноводы в начале прошлого века. Фермеры из страны бескрайних лугов столкнулись с двумя проблемами: сначала их знаменитые коровы начали болеть и умирать, а потом некоторые владельцы пастбищ обратили внимание на другую напасть — их одежда стала неожиданным образом самовоспламеняться.
Крестовник луговой, или якобея обыкновенная (Jacobaea vulgaris). Это растение, содержащее токсичные алкалоиды, вызвало падёж скота на пастбищах Новой Зеландии. Фото: AnRo0002 / Wikimedia Commons / CC0 1.0
Первая проблема — падёж скота — была вызвана растением крестовник луговой, занесённым в Новую Зеландию в конце ХIХ века, и, как это случается, с некоторыми инвазивными (от лат. invasio — ‘нашествие’) видами, слишком уж успешно прижившимся на местных лугах. Всё бы ничего, но в этом растении содержатся токсичные алкалоиды, от которых, собственно, и гибли бурёнки. Наступление крестовника стало настоящим бедствием для фермеров. Они были вынуждены бросить немалые силы на уничтожение ядовитого сорняка: на прополку полей выходили все — от мала до велика. Поэтому новость о том, что существует химическое вещество — хлорат натрия, от которого крестовник вянет и сохнет, была воспринята с большим воодушевлением. Новозеландские фермеры принялись с излишним рвением поливать луга и пастбища раствором хлората натрия. Вот тут-то и появилась неожиданная проблема со штанами. Оказалось, что пропитанная этим веществом одежда сельскохозяйственных рабочих через некоторое время становилась взрывоопасной, причём не спасала даже стирка.
Пока что мы говорили о натрии как об элементе, который входит в состав других химических веществ или плавает в виде ионов в растворе. А как обстоят дела с настоящим металлическим натрием, который эффектно взрывается, если его бросить в воду? Он, как мы уже упоминали, нашёл неожиданное применение в атомной энергетике — используется в качестве теплоносителя для охлаждения реакторов.
В обычной жизни мы можем столкнуться с такими теплоносителями, как вода или антифриз из этиленгликоля, в батареях центрального отопления или в системе охлаждения двигателя автомобиля. Представить, что нужно расплавить металл и прокачивать его по трубам для того, чтобы что-то охладить, довольно сложно. Тем не менее использовать жидкий натрий для отвода тепла от атомного реактора — отличная идея, и вот почему. Во-первых, жидкий натрий хорошо проводит тепло, обладает высокой теплоёмкостью и, что немаловажно, высокой температурой кипения. Одно дело, когда жарким летом вдруг «закипит» на дороге автомобиль, и совсем другое, если это будет атомный реактор. Во-вторых, в отличие от воды, натрий слабо замедляет нейтроны, в результате активная зона реактора может работать эффективнее. И наконец, от соприкосновения с натрием не ржавеют трубы и он не деградирует со временем, как различные органические вещества. Главное — не допустить, чтобы натрий вступил в контакт с водой!
На третьем энергоблоке Белоярской АЭС работает реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БН-600. Фото: Rosenergoatom / Flickr.com / CC BY-NC-ND 2.0
Отыскать месторождение металлического натрия на Земле невозможно — таких мест на нашей планете нет. Объяснение этому очень простое: натрий моментально прореагировал бы с водой, а, как известно, даже в самом засушливом месте на Земле, в пустыне Атакама, иногда бывают дожди. Однако есть одно необычное местечко, где можно повстречать чистый натрий, правда, для этого придётся подняться в небо. На высоте порядка 80–100 км существует слой, состоящий из атомарного натрия, который попал туда из падающих на Землю метеоритов. Толщина этого слоя около 5 км, но если у вас появилась идея начать промышленную разработку натрия на небесах, то ничего не выйдет: содержание натрия там исчисляется несколькими тысячами атомов на кубический сантиметр. Для сравнения: если посчитать количество молекул в таком же объёме воды, то для записи этого числа потребуется 22 нуля. Тем не менее даже такое небольшое количество натрия можно обнаружить с помощью лазерной спектроскопии.
Поднявшись над Землёй ещё на три сотни километров, можно найти место, тоже связанное с натрием, — Международную космическую станцию. Исследования влияния невесомости на человеческий организм выявили один неожиданный эффект. Оказалось, что у космонавтов, длительное время пребывающих на орбите, в коже и соединительных тканях накапливается натрий, причём не в виде ионов, а в связанной с белками форме. Кажется, что на фоне проблем, возникающих из-за низкой гравитации, таких как снижение минеральной плотности костей и уменьшение объёма крови, наличие натрия в коже не так уж и важно. Однако этот факт показывает, насколько чутко человеческий организм реагирует на такие чуждые для него условия обитания, как космическое пространство.
Тренировочный полёт астронавтов на специальном самолёте НАСА, имитирующем состояние невесомости. Эксперименты и длительные пилотируемые полёты показали, что долгое пребывание в невесомости серьёзно сказывается на здоровье астронавтов. Фото: Steve Jurvetson / Flickr.com / CC BY 2.0
Вернёмся от космических проблем к земным. Например, к всё более широкому использованию электрических аккумуляторов, которые в скором времени появятся на самых разных транспортных средствах — от самоката до грузовика. Перед человечеством стоит вопрос: из чего их делать? Пока что ничего лучше, чем литий-ионные батареи, мы придумать не смогли. Но одно дело, когда литиевые аккумуляторы используются в небольших гаджетах, и совсем другое, если нужно будет переделывать под электротягу весь автотранспорт. В мире просто может не хватить запасов лития, и его цена взлетит до небес. Решением проблемы, как сделать ёмкий аккумулятор из доступных материалов, мировое научное сообщество занято, наверное, не первый десяток лет. Одно из направлений — замена лития на более дешёвый натрий. Время от времени в научных журналах появляются сообщения об успешно работающих натриевых аккумуляторах, но до практической реализации подобных технологий ещё довольно далеко.
Литиевый аккумулятор. Без таких топливных элементов невозможно представить ни один современный гаджет. Фото: Adafruit Industries / Flickr.com / CC BY-NC-SA-2.0
С натрием связаны интересные эксперименты как химиков, так и физиков. Первые, к примеру, стремятся получить новые необычные соединения, что в наше время совсем не просто, особенно если речь идёт о простых молекулах, состоящих из нескольких атомов. Поэтому современным химикам приходится идти на весьма неординарные эксперименты. Взять хотя бы синтезированное недавно соединение натрия и самого инертного элемента из всей периодической таблицы — гелия. Чтобы натрий вступил в химическую реакцию с гелием, оба вещества поместили в алмазную наковальню — это специальная конструкция, внутри которой можно создать экстремально высокое давление, в миллионы раз большее, чем атмосферное. Только в таких условиях благородный газ гелий вступает в химическую реакцию, чего в обычных условиях не произошло бы никогда.
Детали алмазной наковальни, внутри которой можно синтезировать соединение натрия с самым инертным элементом периодической системы — гелием. Фото: Dawn Harmer / SLAC / CC BY-NC-SA 2.0
Физики не отстают от химиков и идут на «нарушение» общепризнанных аксиом. Всем известно, что самое быстрое во Вселенной — это скорость света в вакууме. Ничто не может распространяться быстрее. При этом нет формального запрета на то, чтобы свет распространялся с меньшей скоростью в каких-нибудь прозрачных средах. Если свет пропустить, скажем, через алмаз, то его скорость уменьшится почти в два с половиной раза, хотя для обычной жизни она так и останется чудовищно большой. Но существует ли такая среда, в которой свет снизил бы свою скорость до «земных» значений? Оказывается, это возможно! В 1999 году физикам удалось замедлить свет до скорости 17 м/с — такой лучик света смог бы убежать от самого быстрого бегуна, но не смог бы обогнать велосипедиста, едущего даже на средней скорости. Правда, чтобы наблюдать этот эффект, исследователям пришлось пропускать лазерные импульсы сквозь сверххолодный газ из атомов натрия.
Вот такой он, натрий — элемент периодической таблицы под номером одиннадцать: даёт живым клеткам электричество, охлаждает горячие реакторы и даже останавливает свет!