История

Свойства

Применение

Опыты

         Натрий

 
    Как известно из школьного курса химии, натрий очень быстро окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой, поэтому для моего маленького набора-таблицы я запаял образец в вакуумированную ампулу.    Сначала я сделал ампулу с перетяжкой, затем поместил туда маленькую воронку, сделанную из стеклянной пипетки (с запрессованным в нее кусочком натрия) – так, чтобы носик воронки оказался ниже перетяжки. Потом я вакуумировал ампулу до остаточного давления примерно 10^-4 мм рт. ст. и нагрел феном до плавления натрия. Металл расплавился и стек через воронку в ампулу, причем практически весь оксид остался на стенках воронки. После затвердевания метала, я перевернул ампулу и вытряхнул воронку, освободив таким образом перетяжку. После чего просто отпаял ампулу при непрерывной откачке насосом.

    На следующем фото – куски натрия, хранившегося под керосином. Как правило, под слоем керосина или вазелинового масла (последнее предпочтительнее из-за низкой летучести) натрий довольно устойчив, но все-таки он покрывается плотной пленкой оксида, гидроксида и карбоната.

 
    Ну и самый красивый образец - ампулы натрия заводского изготовления, с разбиваемым клапаном. Поверхность метала в них абсолютно чистая, без малейших следов окисления. Кстати, по цвету натрий очень похож на серебро – тот же слегка желтоватый оттенок и блеск. Такие ампулы применяются для введения в реакцию металла при проведении синтезов на вакуумных линиях. Ампула припаивается к установке своей трубкой, затем магнитным бойком разбивается стеклянный шарик и натрий переливается или перегоняется под вакуумом в установку.

 
    В одной из таких ампул я попробовал (довольно успешно) показать, что из натрия тоже можно вырастить кристаллы. Я расплавил натрий в ампуле на масляной бане, затем медленно охладил и, в момент когда затвердело примерно 80% металла, повернул ампулу и слил расплав с выросших кристаллов. Ни в коем случае не стоит нагревать ампулу на водяной бане или на открытом огне, фен тоже не желателен, поскольку в случае растрескивания ампулы поток воздуха расплескает расплавленный натрий вокруг, что почти наверняка вызовет его загорание и прочие неприятные последствия (вряд ли кто-то захотел бы оказаться под дождем из расплавленного натрия ).

 
    А при изготовлении этих ампулок с натрием для школьного набора, видимо решили не заморачиваться с перегонкой натрия и просто запихнули в стеклянный капилляр натриевую проволоку в масле. Не могу сказать, что мне нравится такое решение (поскольку натрий все равно успел окислиться и выглядит неважно) но зато дешево и сердито.

 
    Многие видели желтую окраску пламени, которая возникает если внести в него соли натрия (ну например просто "посолить" его). Но не все знают, что это свойство паров натрия используется в лампах с самой высокой светоотдачей. Принцип работы такой лампы достаточно простой: пропускаем через пары натрия электрический ток и они светятся давая желто-оранжевый свет. Но чтобы создать надежно работающий вариант лампы, пришлось решить немало проблем.
    Ну например, возьмем кусочек натрия и запяем его в вакуумированную стеклянную трубку с двумя электродами. Если мы подключим трубку к источнику тока, ничего не произойдет. При комнатной температуре давление паров натрия очень маленькое и ток через трубку не пойдет. Можно сделать отключаемую систему разогрева натрия но это достаточно сложно, а надо сделать так, чтобы лампа поджигалась, нагревалась и продолжала работать сама по себе.
    При разработке лампы, эту проблему решили таким образом: трубка с кучоском натрия (его хорошо видно на втором фото), заполнена смесью пеннинга (неоном с небольшим количеством аргона). В этой смеси, электрический разряд возбуждается легко и при напряжении более низком, чем для каждого инертного газа в отдельности. Как только в трубке загорелся разряд, вступает в силу закон Джоуля-Ленца и трубка начинает нагреваться. Нагрев вызывает плавление натрия, и его частичное испарение. Поскольку атомы щелочных металлов ионизируется легче инертных газов, как только в трубке появляются пары натрия, они "берут" пропускание электрического тока на себя и начинают испускать свет. Кстати эти процессы заметно в момент зажигания лампы. Сразу после включения, натриевые лампы низкого давления светятся розоватым светом (газовая смесь), а после разогрева - желто-оранжевым.
    Итак, у нас есть работающая внутренняя трубка натриевой лампы. Для нормальной работы, необходимо, чтобы она была постоянно нагрета до достаточно высокой температуры. Но ведь такие лампы установлены на улицах и часто в открытых светильниках. Что делать зимой и в ветренную погоду, когда трубка будет охлаждаться слишком сильно или просто треснет от попадания дождя?
    Чтобы трубка чувствовала себя тепло и уютно, её запаивают в стеклянную колбу из которой откачан воздух. Причем не просто откачан, а его следы удалены геттером (зеркалный слой около цоколя) для создания внутри высокого вакуума. Но это еще не все! Как известно, нагретое тело может терять тепло не только за счет конвекции и теплопроводности (которые в вакуумированной колбе отсутствуют) но и за счет отдачи тепла излучением. Чтобы этого не происходило, надо отражать излучение обратно (вспомним например, что стенки термосов серебрят, для лучшей теплоизоляции). Но ведь если покрыть колбу лампы серебром, она совсем не будет светить, так как серебро будет отражать весь свет обратно. Что же делать? А надо просто подобрать такое покрытие, которое бы отражало только ИК (тепловое) излучение но выпускало наружу видимый свет.
    Звучит необычно, но на самом деле таки покрытия известны, используются достаточно давно и чаще всего представляют собой смешанный оксид индия-олова. Тонкий слой ITO (Indium Tin Oxide) нанесенный на внутреннюю поверхность колбы, практически полностью пропускает видимый свет от газоразрядной трубки наружу но отражает обратно ИК излучение дополнительно снижая тепловые потери.
    В итоге, после применения всех этих конструкционных решений, получается источник света с рекордной светоотдачей составляющей 200 люмен на ватт (для сравнения, светоотдача лампы накаливания составляет 15 люмен на ватт, галогенки - 25-30), очень большим сроком службы (до 18000 часов) и постоянным световым потоком в течении всего срока службы. Разумеется у натриевых ламп низкого давления есть и недостатки ограничивающие их повсеместное применение. Главный из них, это желтый и практически монохроматический свет (с длиной волны 589.3 нм). То есть различить цвета при свете такой лампы очень сложно, большинство объектов выгляит как в черно-белом (точнее черно-оранжевом) кино. Из-за этого, натриевые лампы используются в основном для освещения автострад, стоянок и промышленных объектов.

 
    А вот натриевые лампы высокого давления, хоть и имеют несколько меньшую светоотдачу (около 120 люмен на ватт) но дают более приемлемый свет, с бОльшим количеством спектральных линий. Соответственно хоть свет этой лампы и выглядит оранжевым, при нем уже можно различать цвета. Разрядная трубка такой лампы сделана из спеченой керамики (которая в основном состоит из оксида алюминия и не разъедается парами натрия). Токовводы разрядной трубки часто делают из ниобия. Поскольку он имеет такой же коэффициент теплового разширения как и керамика, герметичкость трубки при нагревании не нарушается. Внутри находится металлический натрий, небольшое количество аргона для зажигания разрядя и еще в некоторых типах ламп есть немного ртути, для улучшения цветовых характеристик света. .

 
    Наверное многие слышали, что расплавленный натрий (или его сплавы) используются в качестве теплоносителей в ядерных реакторах. Но существуют и менее экзотические штуки, в которых натрий используется для тех же целей. Это поршневые двигатели. Точнее выпускные клапана этих двигателей (на фото - выпускной клапан авиационного мотора).
    Как известно, в четырехтактных двигателях существует два типа клапанов (ну скажем так в большинстве двигетелей, кто его знает, что там бывает в экспериментальных моделях). Через впускной клапан, топливная смесь поступает в цилиндр, а через выпускной, продукты сгорания выходят наружу.
    Условия работы клапанов довольно жесткие (высокая температура и большие механические нагрузки), но если впускной клапан может хоть как-то охлаждаться топливной смесью, выпускной наоборот "подогревается" выхлопными газами. Чтобы не произошло перегрева клапана, его надо как-то охлаждать и отводить тепло от тарелки клапана на более массивные части двигателя. Сделать это можно только через шток (длинная палка на фото ).
    Сталь обладает довольно низкой теплопроводностью и сможет отвести очень немного тепла, поэтому для того чтобы улучшить охдаждение, шток делают полым и помещают внутрь небольшое количество натрия. При работе двигателя, клапан очень быстро двигается взад-вперед, натрий бултыхается внутри клапана и отводит тепло от его тарелки.
    А почему натрий?
    Попробуем подобрать другие варианты. Ну например вода. Она имеет высокую теплоемкость, что очень неплохо, но вот температура кипения у воды слишком низкая. При работе двигателя, клапана нагреваются выше 600 градусов. Вода при такой температуре создаст очень высокое давление (сотни атмосфер) и клапан может разорвать. Масло при высокой температуре будет разлагаться и осмоляться, расплавы солей имеют высокую температуру плавления, а ртуть плохо смачивает железо (не будет хорошего теплового контакта), имеет низкую теплоемкость и очень высокую плотность (то есть возрастет масса клапана и вибрации мотора). В общем натрий самый подходящий вариант, к тому же он стоит очень дешево (в несколько раз дешевле например той же ртути).
   
    - А где бы мне найти такой клапан, чтобы наковырять оттуда натрия...?
    - Перчислить все двигатели, в которых есть натриевые клапана я не могу, но например, они использовались в мощных авиационных двигателях, говорят, что так же есть в двигателях грузовиков (ЗИЛ, МАЗ, КАМАЗ).
    Небольшую статью про извлечение натрия из клапанов можно прочитать в интернет журнале "Химия и химики".