NÁTRIUM: ELŐZMÉNYEK, SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK, KOCKÁZATOK ÉS FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A nátrium a periódusos rendszer 1. csoportjának alkálifémja. Atomszáma 11, és a Na kémiai szimbólum jelöli. Könnyűfém, kevésbé sűrű, mint a víz, ezüstfehér színű, szürkévé válik, amikor levegővel érintkezik; ezért tárolják paraffinokban vagy nemesgázokban.

Ezenkívül ez egy puha fém, amelyet késre lehet vágni, és alacsony hőmérsékleten törékenyé válik. Robbanásveszélyesen reagál vízzel, hogy nátrium-hidroxidot és hidrogén-gázt képezzen; Reagál nedves levegővel és meztelen kezek páratartalmával.

Fém-nátrium, palackban tárolva, olajba merítve, hogy ne reagáljon a levegővel. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

Ez a fém megtalálható a szikla-ásványokban, például a halitban (nátrium-klorid), a sós lében és a tengerben. A nátrium-klorid a tengerben oldott összes anyag 80% -át teszi ki, nátrium-tartalma 1,05%. Ez a hatodik elem a földkéregben.

A csillagokból származó fény spektrumának elemzése lehetővé tette a jelenlétük észlelését rájuk, beleértve a Napot. Hasonlóképpen meghatározták a meteoritokban való jelenlétüket.

A nátrium jó hő- és elektromos vezető, valamint nagy hőelnyelési képességgel rendelkezik. Megtapasztalja a fotoelektromos jelenséget, vagyis képes elektronokat kibocsátani, amikor megvilágul. Égéskor a láng erősen sárga fényt bocsát ki.

Az olvadt nátrium hőátadó anyagként működik, ezért hűtőközegként használják bizonyos nukleáris reaktorokban. Fémdeoxidálóként és redukálószerként is használják, ezért használják átmeneti fémek, például titán és cirkónium tisztítására.

Az extracelluláris rekesz ozmolaritásának és térfogatának a nátrium a fő szerepe. Hasonlóképpen, felelõs az ingerlõdõ sejtekben az akciópotenciálok generálásáért és az izom összehúzódásának megindításáért.

A túlzott nátriumbevitel: szív- és érrendszeri betegségeket, fokozott stroke-kockázatot, csontritkulást okozhat a csontok kalciumának mobilizálása és a vesék károsodása miatt.

Történelem

Az ember az ókorban használt nátriumvegyületeket, különösen a nátrium-kloridot (közönséges sót) és a nátrium-karbonátot. A só fontosságát bizonyítja a „szalárium” latin szó használata annak a sónak a jelölésére, amelyet a katonák a kifizetés részeként kaptak.

A középkorban nátriumvegyületet használtak latinul, "sodanum" néven, ami fejfájást jelentett.

1807-ben Sir Humprey Davy a nátriumot nátrium-hidroxid elektrolízisével izolálta. Davy káliumot is izolált abban az időben, amikor a nátrium-hidroxidot és a kálium-hidroxidot elemi anyagnak tekintették, és rögzített lúgnak nevezték.

Davy egy barátjának címzett levélben azt írta: „Bontottam és újracsomagoltam a rögzített lúgokat, és rájöttem, hogy ezek bázisai két új, nagyon gyúlékony anyag, hasonlóak a fémekhez; de egyikük gyúlékonyabb, mint a másik, és nagyon reakcióképes ”.

1814-ben Jöns Jakob a kémiai szimbólumok rendszerében a Na rövidítést használja a latin „natrium” szó számára a nátrium megnevezésére. Ez a szó az egyiptomi „natron” névből származik, amelyet nátrium-karbonátra utaltak.

A nátrium szerkezete és elektronkonfigurációja

A fém-nátrium test-központú köbös (bcc) struktúrává kristályosodik. Ezért a Na-atomjai kockák kialakítására vannak elrendezve, az egyik a közepén helyezkedik el, és mindegyik nyolc szomszédos.

Ezt a szerkezetet az jellemzi, hogy a legkevésbé sűrű, amely megegyezik a fém alacsony sűrűségével; annyira alacsony, hogy a lítiummal és a káliummal együttesen képesek az egyetlen fémek, amelyek folyékony vízben úszhatnak (természetesen a robbanás előtt). Alacsony atomos tömege, nagyobjektumához viszonyítva, szintén hozzájárul ehhez a tulajdonsághoz.

A kapott fémes kötés azonban meglehetősen gyenge, és az elektronikus konfigurációval magyarázható:

3s ¹

A zárt héjban lévő elektronok (legalább normál körülmények között) nem vesznek részt a fémkötésben; de az elektron a 3s körüli pályán van. A na-atomok átfedik a 3s-os pályájukat, hogy vegyérték-sávot hozzanak létre; és a 3p, üres, egy vezetősáv.

Ez a 3s-sáv, amely félig tele van, valamint a kristály alacsony sűrűsége miatt, gyengévé teszi az „elektronok tengere” által vezérelt erőt. Következésképpen a fém-nátrium fémmel vágható és csak 98ºC-on olvad.

Fázisátmenetek

A nátriumkristály szerkezetében változások történhetnek, amikor a nyomás megnövekszik; miközben hevítik, az alacsony olvadáspontja miatt nem valószínű, hogy fázistranszferekkel megy keresztül.

A fázisátmenetek megkezdésekor a fém tulajdonságai megváltoznak. Például az első átmenet arc-központú köbös (fcc) struktúrát hoz létre. Így a bcc ritka szerkezetet az fcc-hez tömörítik, amikor a fém-nátriumot megnyomják.

Ez a nátrium tulajdonságaiban csak sűrűségén kívül jelentősen megváltozhat. Ha azonban a nyomás nagyon magas, az allotrópok (nem polimorf alakúak, mivel tiszta fémek) meglepően szigetelőkké és elektridákká válnak; vagyis még az elektronok anionként vannak rögzítve a kristályban és nem szabadon keringnek.

A fentiek mellett színeik is megváltoznak; A nátrium nem szürkés, és sötétté, vörösesé vagy akár átlátszóvá válik, ahogy az üzemi nyomás növekszik.

Oxidációs számok

Tekintettel a 3s-os vegyértékű orbitalra, amikor a nátrium elveszíti egyetlen elektronját, gyorsan átalakul a Na ⁺ kationba, amely izoelektronikus neonra. Vagyis mind a Na ⁺, mind a Ne elektronak száma azonos. Ha feltételezzük, hogy a vegyületben Na ⁺ jelen van, akkor az oxidációs száma +1.

Mivel ha ellentétes történik, vagyis a nátrium elektronot nyer, annak elektronkonfigurációja 3s ²; most ez izoelektronos magnéziummal, hogy a Na-anion ^- úgynevezett nátrium. Ha feltételezzük, hogy a vegyületben jelen van Na ^-, akkor a nátrium oxidációs száma -1.

Tulajdonságok

Nátrium-klorid etil-oldata, amely ég, hogy ennek a fémnek a jellegzetes sárga színét nyilvánvalóvá tegye. Forrás: Der Messer

Fizikai leírás

Puha, elasztikus, formázható könnyűfém.

Atomsúly

22,989 g / mol.

Szín

A nátrium könnyű ezüstös fém. Frissen vágva fényes, de elveszíti fényét, amikor a levegővel érintkezik, és átlátszatlanná válik. Lágy a hőmérsékleten, de meglehetősen kemény -20 ° C-on.

Forráspont

880 ° C

Olvadáspont

97,82 ºC (majdnem 98 ºC).

Sűrűség

Szobahőmérsékleten: 0,968 g / cm ³.

A folyékony állapotban (olvadáspont): 0,927 g / cm ³.

Oldhatóság

Oldhatatlan benzolban, kerozinban és benzinben. Folyékony ammóniában oldódik, és kék színű oldatot kap. Oldódik a higanyban, amalgámot képezve.

Gőznyomás

802 K hőmérséklet: 1 kPa; vagyis gőznyomása magas hőmérsékleten is jóval alacsony.

bomlás

Hevesen bomlik vízben, nátrium-hidroxidot és hidrogént képezve.

Öngyulladási hőmérséklet

120-125 ° C.

Viszkozitás

0,680 cP 100 ° C-on

Felületi feszültség

192 dyne / cm az olvadáspontban.

Törésmutató

4.22.

elektronegativitás

0,93 a Pauling skálán.

Ionizációs energia

Első ionizáció: 495,8 kJ / mol.

Második ionizálás: 4562 kJ / mol.

Harmadik ionizáció: 6 910,3 kJ / mol.

Atomic radio

186 órakor.

Kovalens sugár

166 ± 9 óra.

Hőtágulás

71 μm (m · K) 26 ° C-on.

Hővezető

132,3 W / m K, 293,15 K.

Elektromos ellenállás

4,77 × 10 ^-8 Ωm 293 K hőmérsékleten.

Elnevezéstan

Mivel a nátrium egyedi oxidációs száma +1, vegyületeinek nevét, amelyeket a készletnómenklatúra szabályoz, egyszerűsíteni kell, mivel ezt a számot nem szerepeltetik zárójelben és római számokkal.

Ugyanígy a tradicionális nómenklatúra szerinti neveik mind -ico utótaggal végződnek.

Például a NaCl nátrium-klorid az állományi nómenklatúra szerint, hibás (I) nátrium-klorid. A szisztematikus nómenklatúra szerint nátrium-monokloridnak is hívják; és nátrium-klorid, a hagyományos nómenklatúra szerint. Leggyakoribb neve az asztali só.

Biológiai szerepe

Ozmotikus komponens

A nátrium extracelluláris koncentrációja 140 mmol / L, ionos formában (Na ⁺). Az extracelluláris elem elektroneutralitásának fenntartása érdekében az Na ^{+ -ot} klorid (Cl ^-) és bikarbonát (HCO ₃ ^-) anionok kísérik, amelyek koncentrációja 105 mmol / L, illetve 25 mmol / L.

A Na ⁺ kation a fő ozmotikus komponens, és a legnagyobb mértékben járul hozzá az extracelluláris rekesz ozmolaritásához, úgy, hogy az extracelluláris és az intracelluláris rekeszek között az ozmolaritás egyenlő, ami garantálja az intracelluláris rekesz integritását.

Másrészt a Na ⁺ intracelluláris koncentrációja 15 mmol / L. Tehát: Miért nem különböznek az extracelluláris és az intracelluláris Na ⁺ koncentrációk ?

Két oka van annak, hogy ez nem fordul elő: a) a plazmamembrán rosszul áteresztőképességű a Na ⁺ -hoz. b) a Na ⁺ -K ⁺ szivattyú létezése.

A szivattyú egy enzimatikus rendszer a plazmamembránban, amely az ATP-ben található energiát használja három Na ⁺ atom eltávolításához és két K ⁺ atom bevezetéséhez.

Ezen kívül létezik egy sor hormon, beleértve az aldoszteront, amely a renális nátrium-reabszorpció elősegítésével garantálja az extracelluláris nátrium-koncentráció fenntartását a megfelelő értéken. Az antidiurezikus hormon segít fenntartani az extracelluláris térfogatot.

Akciópotenciálok előállítása

Az ingerlékeny sejtek (idegsejtek és izomsejtek) azok, amelyek egy megfelelő ingerre reagálnak akciós potenciál vagy idegimpulzus kialakulásával. Ezek a sejtek feszültségkülönbséget tartanak fenn a plazmamembránon.

A cella belseje nyugvó körülmények között negatív töltéssel rendelkezik a cella külsejéhez képest. Bizonyos ingerlés mellett megnő a membrán Na ⁺ -permeabilitása, és kis mennyiségű Na ⁺ -ion ​​kerül a cellába, ami a sejt belsejének pozitív töltését okozza.

A fentiek úgynevezett akciópotenciálnak számítanak, amely terjedhet egy idegsejten keresztül, és amely az információ ezen keresztül halad.

Amikor az akciós potenciál eléri az izomsejteket, stimulálja őket, hogy többé-kevésbé összetett mechanizmusokon keresztül összehúzódjanak.

Összefoglalva: a nátrium felelős az ingerlékeny sejtekben az akciós potenciál előállításáért és az izomsejtek összehúzódásának megindításáért.

Hol található

Földkéreg

A nátrium a földkéreg hetedik leggyakoribb eleme, amely 2,8% -át teszi ki. A nátrium-klorid az ásványi halit része, amely a tengerben feloldott anyagok 80% -át képviseli. A tenger nátriumtartalma 1,05%.

A nátrium nagyon reaktív elem, ezért nem található meg natív vagy elemi formájában. Oldható ásványokban, például halitban, vagy oldhatatlan ásványokban, például kriolitban (nátrium-alumínium-fluorid) található.

Tenger és az ásványi halit

A Holt-tengert - általában a tenger mellett - jellemzi a különféle sók és ásványi anyagok, különösen a nátrium-klorid nagyon magas koncentrációja. Az Egyesült Államok Nagy Sós-tóban is magas a nátriumkoncentrációja.

A nátrium-klorid szinte tiszta az ásványi halitban, a tengerben és a kőzetszerkezetekben. A kőzet- vagy ásványi só kevésbé tiszta, mint a halit, ásványi lelőhelyekben található Nagy-Britanniában, Franciaországban, Németországban, Kínában és Oroszországban.

Sós lerakódások

A sót a sziklás lerakódásokból a sziklák fragmentációja útján extrahálják, amelyet a só tisztításának folyamata követ. Más esetekben vizet vezetnek a sótartályokba annak feloldásához és sóoldat kialakításához, amelyet ezután a felületre szivattyúznak.

A sót a tengerből nyerik a sekély medencékben, melyeket sószálaknak nevezünk, napenergiával. Az így kapott sót öböl-sónak vagy tengeri sónak nevezzük.

Downs cell

A nátriumot a nátrium-karbonát karbotermikus redukciójával állítottuk elő 1100 ° C-on. Jelenleg az olvadt nátrium-klorid elektrolízisével állítják elő, Downs cella felhasználásával.

Mivel azonban az olvadt nátrium-klorid olvadáspontja ~ 800 ° C, kalcium-kloridot vagy nátrium-karbonátot adunk az olvadáspont 600 ° C-ra való csökkentéséhez.

A Downs-kamrában a katód kör alakú vasból készül, szénanód körül. Az elektrolízis termékeket acélhálóval választják el, hogy megakadályozzák az elektrolízis termékek érintkezését: elemi nátrium és klór.

Az anódnál (+) a következő oxidációs reakció zajlik:

2 Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2 e ^-

Eközben a katódnál (-) a következő redukciós reakció zajlik:

2 Na ⁺ (l) + 2 e ^- → 2 Na (l)

reakciók

Oxidok és hidroxid képződés

Nagyon reaktív a levegőben, páratartalmától függően. Reagálva olyan nátrium-hidroxid-filmet képez, amely abszorbeálja a szén-dioxidot és végül nátrium-hidrogén-karbonátot képez.

Levegőben oxidál és nátrium-monoxidot (Na ₂ O) képez. Míg a nátrium-szuperoxidot (NaO ₂) úgy állítják elő, hogy a fém-nátriumot magas nyomáson oxigénnel 300 ° C-ra melegítik.

Folyékony állapotban 125 ° C-on meggyullad, és izgató fehér füstöt képez, amely köhögést okozhat. Erõteljesen reagál vízzel, hogy nátrium-hidroxidot és hidrogén-gázt állítson elõ, ami a reakció felrobbanásához vezet. Ez a reakció erősen exoterm.

Na + H ₂ O → NaOH + 1/2 H ₂ (3367 kilokalória / mol)

Halogénezett savakkal

A halogénezett savak, például a sósav, nátriummal reagálva a megfelelő halogenideket képezik. Eközben salétromsavval való reakciója nátrium-nitrátot eredményez; és kénsavval nátrium-szulfátot képez.

Kedvezmények

A Na redukálja az átmeneti fémek oxidjait, és a megfelelő fémeket az oxigén felszabadításával állítja elő. Ezenkívül a nátrium reagál az átmeneti fémek halogenideivel, és a fémek kiszorításával nátrium-klorid képződik, és felszabadítja a fémeket.

Ez a reakció átmenetifémek előállítását szolgálta, beleértve a titánt és a tantált.

Ammóniával

Nátrium reagál cseppfolyós ammóniával alacsony hőmérsékleten és lassan formában a nátrium-amid (NaNH ₂) és a hidrogén.

Na + NH ₃ → NaNH ₂ + 1/2 H ₂

A folyékony ammónia oldószerként szolgál a nátrium reagáltatásához különféle fémekkel, beleértve az arzént, tellúrot, antimonot és bizmutot.

Organikus

Reagál alkoholokkal, hogy alkoholátokat vagy alkoxidokat állítson elő:

Na + ROH → RONa + 1/2 H ₂

Előállítja a szerves vegyületek dehalogénezését, ami megkétszerezi a vegyület szénatomszámát:

2 Na + 2 RCl → RR + 2 NaCl

Az oktán előállítható a bután-bromid nátrium-hidrogénnel történő dehalogénezésével.

Fémekkel

A nátrium más alkálifémekkel reagálva eutektikát képezhet: ötvözet, amely alacsonyabb hőmérsékleten képződik, mint alkotóelemei; például a NaK, amelynek K% -a 78%. A nátrium szintén ötvözeteket alkot berilliummal, az előbbi kis százalékával.

Az olyan nemesfémek, mint az arany, ezüst, platina, palládium és irídium, valamint a fehérfémek, mint az ólom, ón és antimon, folyékony nátriummal képezik az ötvözeteket.

kockázatok

Ez egy fém, amely erősen reagál a vízzel. Ezért a vízzel bevont emberi szövetekkel való érintkezés súlyos károkat okozhat. Súlyos égési sérüléseket okoz a bőrre és a szemre kerülve.

Hasonlóképpen, lenyelve a nyelőcső és a gyomor perforációját okozhatja. Noha ezek a sérülések súlyosak, a lakosságnak csak kis része van kitéve ezeknek.

A legnagyobb károkat, amelyeket a nátrium okozhat, az okozza, hogy az emberek által készített ételekben vagy italokban túlzott mértékű bevitelre kerülnek.

Az emberi testnek az idegvezetésben és az izmok összehúzódásában betöltött funkciójának teljesítéséhez napi 500 mg nátriumbevitelre van szüksége.

De általában sokkal nagyobb mennyiségű nátrium kerül be az étrendbe, ami megnöveli a plazma és a vér koncentrációját.

Ez magas vérnyomást, szív- és érrendszeri betegségeket és stroke-ot okozhat.

A hipernatremia az oszteoporózis kialakulásával is jár, mivel kalcium kiáramlást indukál a csontszövetből. A veséknek nehézségekbe ütköznek a normál plazma nátriumkoncentráció fenntartása ellenére a túlzott bevitel, ami vesekárosodást okozhat.

Alkalmazások

Fém-nátrium

A kohászatban deoxidáló és redukálószerként használják kalcium, cirkónium, titán és más fémek előállításához. Például redukálja a titán-tetrakloridot (TiCl ₄) fémes titán előállítására.

Az olvadt nátriumot hőátadó szerként használják, ezért hűtőközegként használják egyes nukleáris reaktorokban.

Nyersanyagként használják a nátrium-lauril-szulfát gyártásában, amely a szintetikus mosószer fő alkotóeleme. Szintén részt vesz olyan polimerek, mint például a nejlon, és vegyületek, például cianid és nátrium-peroxid előállításában. Szintén a festékek előállításában és a parfüm szintézisben.

A nátriumot használják a szénhidrogének tisztításában és az oldhatatlan szénhidrogének polimerizálásában. Számos szerves redukcióban is felhasználják. Folyékony ammóniában oldva felhasználják az alinek transzalkénné redukálására.

Nátriumgőzlámpákat építenek a városok közvilágításához. Ezek sárga színűek, hasonló ahhoz, amit megfigyeltek, amikor a nátriumot öngyújtókban égetik.

A nátrium szárítószerként működik, amely benzofenon jelenlétében kék árnyalatot ad, jelezve, hogy a szárítási folyamatban lévő termék elérte a kívánt szárítást.

vegyületek

Klorid

Ételízesítésre és tartósításra használják. A nátrium-klorid elektrolízise során nátrium-hipokloritot (NaOCl) állítanak elő, amelyet klórként használnak a háztartási tisztításhoz. Ezenkívül ipari fehérítőként használják papír- és textilpéphez vagy vízfertőtlenítéshez.

A nátrium-hipokloritot bizonyos gyógyászati ​​készítményekben antiszeptikumként és gombaölő szerként használják.

Karbonát és bikarbonát

A nátrium-karbonátot poharak, tisztítószerek és tisztítószerek gyártásához használják. A nátrium-karbonát-monohidrátot a fényképezésben fejlesztő komponensként használják.

A szódabikarbóna a szén-dioxid forrása. Ezért sütőporokban, sókban és pezsgő italokban, valamint száraz vegyi tűzoltó készülékekben használják. A gyapjú cserzéséhez és előkészítéséhez is felhasználják.

A nátrium-hidrogén-karbonát egy lúgos vegyület, amelyet gyomor- és húgyúti túl savtartalom kezelésére használnak.

Szulfát

Nátronpapír, karton, üveg és tisztítószerek gyártásához használják. A nátrium-tioszulfátot a fotózásban használják a negatívok és a fejlett nyomatok kijavítására.

Hidroxid

Általában kaustikus szódanak vagy lúgnak nevezik, a savak kőolajfinomításkori semlegesítéséhez használják. Reagál zsírsavakkal a szappankészítés során. Ezenkívül cellulóz kezelésére is felhasználják.

nitrát

Műtrágyaként használják, amelyek nitrogént szolgáltatnak, mivel a dinamit része.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Nátrium. (2019). Nátrium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Nátrium. PubChem adatbázis. CID = 5360545. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ganong, WF (2003). Orvosi élettan 19. kiadás. Szerkesztői El Manual Moderno.
5. Wikipedia. (2019). Nátrium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
6. A Harvard Főiskola elnöke és munkatársai. (2019). Só és nátrium. Helyreállítva: hsph.harvard.edu
7. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019. június 07.). Nátrium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com