Химия и Химики № 7 2016. Рассказ о натрии, калии, рубидии и цезии (художественное произведение из области химии). Story about sodium, potassium, rubidium and cesium

Уничтожение отходов металлического натрия. (Натрий, гексан и вода)
Destruction of sodium metal waste. (Sodium, hexane and water)

После многочисленных попыток получить "ампулы с блестящим натрием", которые продолжались неделю, осталось много отходов натрия. Учитывая мое решение прекратить дальнейшую работу, которая все больше становилась похожа на мазохизм, с этими отходами нужно было что-то делать.

Обрезки натрия просто лежали в металлическом лотке, такие лотки обычно используют стоматологи. Накопилось их много - учитывая масштабы работ. Натрий окислялся, продукты окисления поглощали воду и превращались в раствор едкого натра и соды, раствор стекал и попадал на поверхность других кусков натрия. Результатом стали периодические вспышки и взрывы.

Лучше всего было собрать все эти отходы натрия в банку, залить вазелиновым маслом - так и оставить. Моя предшественница вон оставила отходы калия в тетралине, который был налит в ПЭТФ бутылку - и ничего (если не считать сильного запаха тетралина в помещении).

Но любопытство опять взяло верх: решил отходы натрия уничтожить. Обычно отходы металлического натрия в химической лаборатории уничтожают двумя способами: с помощью этилового спирта или с помощью воды и бензина.

Первый способ основан на том, что натрий сравнительно спокойно реагирует с этанолом: без вспышек и взрывов, как в случае воды. Спирта не было. Можно было сбегать в аптеку, но я не стал: помешала усталость (роль "мальчика на побегушках" утомляет не только морально, а и физически).

Во втором случае поверх воды наливают толстый слой бензина и добавляют в этот сосуд отходы натрия (небольшими порциями). Металлический натрий тяжелее бензина, но легче воды. В бензине кусочки натрия тонут, опускаясь к поверхности воды. При контакте натрия с водой начинается бурная реакция, пузырьки водорода прилипают к кусочкам натрия, и он всплывает на поверхность бензина. Контакт натрия с водой прекращается, реакция замедляется, пузырьки водорода отрываются от поверхности натрия. В результате натрий опять тонет в бензине - до тех пор, пока он не достигнет поверхности воды. Снова начинается бурная реакция, натрий всплывает, реакция замедляется и т.д.

В результате натрий плавает вверх-вниз в бензине, время от времени контактируя со слоем воды. Постепенно кусочки натрия расходуются. Тепло реакции отводят жидкости (вода и бензин): за счет теплоемкости и за счет образования пара. Поэтому сильного разогрева и воспламенения (взрыва) не происходит.

Кстати, данный процесс - пример химической колебательной реакции.

Если налить просто воду (без бензина), натрий будет плавать по поверхности, расплавится, загорится и взорвется. Без воспламенения и взрыва с водой реагируют только самые маленькие кусочки натрия (с горошину и меньше). Не верите на слово? Тогда посмотрите статьи [1].

Бензина не было, зато была целая канистра ксилола. Я решил, что подойдет и ксилол. Налил в банку воды, сверху - слой ксилола и стал добавлять туда кусочки натрия (отходы).

Вскоре оказалось, что ксилол не подходит. Кусочки натрия тонули в ксилоле, опускались к слою воды, бурно реагировали, плавились, превращались в шарики, всплывали и... больше не тонули. - Вот так. Натрий плавал у поверхности ксилола, хотя его плотность выше, чем плотность жидкости. Даже невооруженным глазом было видно, что натрий "вспучен": пузырьки водорода попали в саму массу (монолит) металла, в результате чего они не отделяются после прекращения бурной реакции и натрий не тонет. Кусочки натрия выделяли водород и на поверхности ксилола: вода ведь хотя и слабо, но растворима в ксилоле, плюс на натрий попадали брызги воды. Но это не дело: реакция была слабой.

Сначала я подумал: все дело в том, что ксилол - более плотный и вязкий, чем бензин. И лишь намного позже понял, что дело не в этом, а в температуре кипения жидкости. У бензина она ниже, чем температура плавления натрия (98°С), а у ксилола - выше. В результате в ксилоле натрий в ходе реакции плавился, а затем всплывал и застывал. Когда натрий застывал, пузырьки водорода оказывались заключенными внутри натрия и понижали его плотность. Такой "пенометалл" был легче, чем ксилол и не тонул (т.е. он плавал сверху в ксилоле и больше не опускался к слою воды). В результате даже крупные куски натрия часами плавали у поверхности ксилола.

В случае бензина жидкость закипает ДО того, как должен расплавиться натрий, в результате в массе натрия не захватываются пузырьки водорода.

Если быть более точным: исключить плавление натрия в этих условиях нельзя. Забегая наперед, скажу: если вместо ксилола взять гексан (аналог бензина), то на видео заметно, что натрий и в этих условиях частично плавится (пока он находится в слое воды), но все равно это качественно иные условия, чем в случае ксилола.

Бензина не было, зато был гексан. По характеристикам эта жидкость аналогична. н-Гептан (ближайший гомолог гексана), кстати, служит эталоном бензина с октановым числом ноль (а изооктан - эталон бензина с октановым числом сто). Октановое число самого гексана примерно равно двадцать пять.

Налил в стакан воду, потом - слой гексана толщиной несколько сантиметров. Бросил небольшой обрезок натрия. Натрий утонул в гексане, опустился к поверхности воды. Началась бурная реакция. Натрий всплыл, потом снова утонул, потом всплыл - и т.д. Эти циклы прекратились только тогда, когда маленький остаток натрия прилип к стенкам.

Бросил еще несколько кусков натрия. Наблюдения были аналогичны: куски натрия тонули в гексане, соприкасались с водой, начинали бурно реагировать и всплывали. У поверхности гексана реакция замедлялась, пузырьки водорода отделялись, и натрий опять тонул. Тонул, реагировал с водой и опять всплывал с шипением.

Выглядело все это интересно, если не считать сильного испарения гексана. Под вытяжкой это бы не создало проблем, но без вытяжки пришлось нюхать гексан. Слой гексана постепенно уменьшался: т.е. тепло реакции натрия с водой утилизировалось скорее не за счет рассеяния его в окружающей среде, а за счет теплоты парообразования гексана.

Вместо того чтобы подождать, пока растворятся куски натрия, которые я уже поместил в стакан с гексаном и водой, а заодно и долить еще гексана, - вместо этого я стал добавлять все новые куски натрия. Делал это сознательно: чтобы посмотреть, насколько данная система устойчива к неосмотрительным действиям экспериментатора.

В результате реакция пошла бурно, слой гексана стал тоньше, чем высота некоторых кусочков натрия. Гексан вскипел, слой растворителя стал стремительно исчезать.

Что дальше? Дальше в стакане останется вода и большое количество натрия. Произойдет взрыв натрия и, возможно, объемный взрыв паров гексана. Объемный взрыв - штука красивая. Инструктор в "учебке" (сапер) рассказывал, что с помощью канистры солярки и черного пороха ему удалось получить огненный шар диаметром 8 метров. Однако наблюдать такие явления желательно с надлежащего расстояния, а в лаборатории - лучше и вовсе их не допускать.

Поэтому долил в стакан ксилол. Бурная реакция прекратилась, остатки натрия всплыли.

Собственно, это все. Уничтожать отходы натрия с помощью бензина и воды вполне реально. Требуется рабочая вытяжка. Если не спешить - процедура безопасна.

По возможности лучше все-таки уничтожать отходы натрия с помощью этилового спирта. Если кому-то из принципа жалко расходовать "священный" этанол - должен подойти и изо-пропанол.

__________________________________________________
¹ Реакция большого количества натрия с водой (0.5 кг) [ссылка] и Реакция натрия с водой (со взрывом) [ссылка]

Destruction of sodium metal waste. (Sodium, hexane and water)

Watch the video / Смотреть Видео (214 Мб, .avi )