NATRIUM: HISTORIE, STRUKTUR, EGENSKABER, RISICI OG ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den natrium er et alkalimetal fra gruppe 1 i det periodiske system. Dets atomnummer er 11 og det er repræsenteret med det kemiske symbol Na. Det er et let metal, mindre tæt end vand, sølvhvid i farve, der bliver gråt, når det udsættes for luft; det er derfor, det opbevares i paraffiner eller ædelgasser.

Derudover er det et blødt metal, der kan skæres med en kniv og bliver sprødt ved lave temperaturer. Reagerer eksplosivt med vand til dannelse af natriumhydroxid og hydrogengas; Det reagerer også med fugtig luft og med bare hændernes fugtighed.

Metallisk natrium opbevaret i en flaske og nedsænket i olie, så det ikke reagerer med luft. Kilde: Hi-Res-billeder af kemiske elementer

Dette metal findes i klippesaltmineraler såsom halit (natriumchlorid), i saltlage og i havet. Natriumchlorid repræsenterer 80% af alle materialer, der er opløst i havet, natrium med en overflod på 1,05%. Det er det sjette element i overflod i jordskorpen.

Analysen af ​​spektraerne i lyset, der kommer fra stjernerne, har gjort det muligt at registrere deres tilstedeværelse i dem, inklusive Solen. Ligeledes er deres tilstedeværelse i meteoritter blevet bestemt.

Sodium er en god termisk og elektrisk leder samt har en stor varmeabsorptionskapacitet. Den oplever det fotoelektriske fænomen, det vil sige det er i stand til at udsende elektroner, når det er oplyst. Når det brændes, udsender dens flamme et intenst gult lys.

Smeltet natrium fungerer som et varmeoverføringsmiddel, hvorfor det bruges som kølemiddel i visse atomreaktorer. Det bruges også som metal deoxidizer og reduktionsmiddel, hvorfor det er blevet brugt til oprensning af overgangsmetaller, såsom titan og zirkonium.

Natrium er den største bidragyder til osmolariteten i det ekstracellulære rum og dets volumen. Ligeledes er det ansvarligt for frembringelsen af ​​handlingspotentialer i exciterbare celler og indledningen af ​​muskelkontraktion.

Overdreven natriumindtagelse kan forårsage: hjerte-kar-sygdomme, øget risiko for slagtilfælde, osteoporose på grund af mobilisering af benkalsium og nyreskade.

Historie

Mennesket har brugt natriumforbindelser siden oldtiden, især natriumchlorid (almindeligt salt) og natriumcarbonat. Saltets betydning fremgår af brugen af ​​det latinske ord "salarium" for at indikere en del salt, som soldaterne modtog som en del af betalingen.

I middelalderen blev en natriumforbindelse brugt med det latinske navn "sodanum", hvilket betød hovedpine.

I 1807 isolerede Sir Humprey Davy natrium ved elektrolyse af natriumhydroxid. Davy isolerede også kalium, på et tidspunkt, hvor natriumhydroxid og kaliumhydroxid blev betragtet som elementære stoffer og kaldte faste alkalier.

Davy skrev i et brev til en ven: ”Jeg nedbrydede og omkomponerede de faste alkalier og opdagede, at deres baser var to nye meget brandfarlige stoffer, der ligner metaller; men den ene er mere brandfarlig end den anden og meget reaktiv ”.

I 1814 brugte Jöns Jakob i sit system med kemiske symboler forkortelsen Na til det latinske ord 'natrium' for at navngive natrium. Dette ord kommer fra det egyptiske 'natron' navn, der bruges til at henvise til natriumcarbonat.

Struktur og elektronkonfiguration af natrium

Metallisk natrium krystalliserer til en krops-centreret kubisk (bcc) struktur. Derfor er dens Na-atomer positioneret til at danne terninger, med en placeret i midten og hver med otte naboer.

Denne struktur er kendetegnet ved at være den mindst tætte af alle, hvilket stemmer overens med den lave densitet for dette metal; så lav, at det er sammen med lithium og kalium, de eneste metaller, der kan flyde i flydende vand (selvfølgelig før de eksploderer). Dens lave atommasse i forhold til dens voluminøse atradius bidrager også til denne egenskab.

Den resulterende metalliske binding er imidlertid ganske svag og kan forklares ud fra den elektroniske konfiguration:

3s ¹

Elektronerne i den lukkede skal deltager ikke (i det mindste under normale forhold) i den metalliske binding; men elektronet i 3'erne orbital. Na-atomer overlapper deres 3'erne orbitaler for at skabe et valensbånd; og 3p, tomt, et ledningsbånd.

Dette 3'ere bånd, der er halvt fuldt såvel som på grund af den lave tæthed af krystallen, gør styrken, der styres af "havet af elektroner", svag. Følgelig kan metallisk natrium skæres med et metal og smelter kun ved 98 ° C.

Faseovergange

Natriumkrystallen kan gennemgå ændringer i dens struktur, når de oplever stigninger i trykket; når det opvarmes, er det usandsynligt, at det gennemgår faseovergange på grund af dets lave smeltepunkt.

Når faseovergange starter, skifter metalets egenskaber. For eksempel genererer den første overgang en ansigt-centreret kubisk (fcc) struktur. Således komprimeres den sparsomme struktur bcc til fcc, når det metalliske natrium presses.

Dette giver muligvis ikke en mærkbar ændring i egenskaberne af natrium, bortset fra i dens densitet. Når trykene er meget høje, bliver allotroperne (ikke polymorfe, da de er et rent metal) overraskende isolatorer og elektrider; dvs. elektronerne er fikseret i krystallen som anioner og cirkulerer ikke frit.

Ud over ovenstående ændres deres farver også; natrium stopper med at blive gråagtig til at blive mørk, rødlig eller endda gennemsigtig, når drifttrykket stiger.

Oxidationsnumre

I betragtning af 3'ernes valencekredsløb, når natrium mister sin eneste elektron, omdannes det hurtigt til Na ⁺ -kationen, som er isoelektronisk til neon. Det vil sige, at både Na ⁺ og Ne har det samme antal elektroner. Hvis man antager tilstedeværelsen af ​​Na ⁺ i forbindelsen, siges dets oxidationsnummer at være +1.

Der henviser til, at hvis det modsatte sker, dvs. at natrium får et elektron, er dens resulterende elektronkonfiguration 3s ²; nu er det isoelektronisk med magnesium, der er Na-anionen ^- kaldet natrium. Hvis der antages tilstedeværelse af Na ^- i forbindelsen, vil natrium have et oxidationsnummer på -1.

Ejendomme

En ethylopløsning af natriumchloridforbrænding for at manifestere den karakteristiske gule farve på flammen for dette metal. Kilde: Der Messer

Fysisk beskrivelse

Blødt, duktilt, formbart let metal.

Atomvægt

22,989 g / mol.

Farve

Natrium er et let sølvfarvet metal. Skinnende, når den er friskskåret, men mister sin glans, når den sættes i kontakt med luft og bliver uigennemsigtig. Blød ved temperatur, men ret hård ved -20 ºC.

Kogepunkt

880 ° C

Smeltepunkt

97,82 ºC (næsten 98 ºC).

Massefylde

Ved stuetemperatur: 0,968 g / cm ³.

I flydende tilstand (smeltepunkt): 0,927 g / cm ³.

Opløselighed

Uopløselig i benzen, parafin og naphtha. Det opløses i flydende ammoniak, hvilket giver en blåfarvet opløsning. Det opløses i kviksølv og danner et amalgam.

Damptryk

Temperatur 802 K: 1 kPa; det vil sige dens damptryk er betydeligt lavt selv ved høje temperaturer.

nedbrydning

Det nedbrydes voldsomt i vand og danner natriumhydroxid og brint.

Selvantændelsestemperatur

120-125 ° C

Viskositet

0,680 cP ved 100 ° C

Overfladespænding

192 dyner / cm ved smeltepunkt.

Brydningsindeks

4.22.

elektronegativitet

0,93 på Pauling-skalaen.

Ioniseringsenergi

Første ionisering: 495,8 kJ / mol.

Anden ionisering: 4.562 kJ / mol.

Tredje ionisering: 6.910,3 kJ / mol.

Atomradio

186.

Kovalent radius

166 ± 21:00.

Varmeudvidelse

71 um (m · K) ved 26 ° C

Varmeledningsevne

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

Elektrisk modstand

4,77 × ^10-8 Ωm ved 293 K.

nomenklatur

Da natrium har et unikt oxidationsnummer på +1, forenkles navnene på dets forbindelser, der styres af stamnomenklaturen, da dette antal ikke er specificeret i parenteser og med romertal.

På samme måde slutter deres navne i henhold til traditionel nomenklatur alle med suffikset -ico.

For eksempel er NaCl natriumchlorid ifølge stamnomenklaturen, idet natriumchlorid (I) er fejlagtigt. Det kaldes også natriummonochlorid i henhold til den systematiske nomenklatur; og natriumchlorid ifølge traditionel nomenklatur. Imidlertid er dets mest almindelige navn bordsalt.

Biologisk rolle

Osmotisk komponent

Natrium har en ekstracellulær koncentration på 140 mmol / l, idet den er i ionform (Na ⁺). For at opretholde den elektroniske neutralitet i det ekstracellulære rum ledsages Na ⁺ af chlorid (Cl ^-) og bicarbonat (HCO ₃ ^-) anioner med koncentrationer på henholdsvis 105 mmol / L og 25 mmol / L.

Na ⁺ -kationen er den vigtigste osmotiske komponent og har det største bidrag til osmolariteten i det ekstracellulære rum, således at der er en lighed mellem osmolaritet mellem det ekstracellulære og det intracellulære rum, der garanterer integriteten af ​​det intracellulære rum.

På den anden side er den intracellulære koncentration af Na ⁺ 15 mmol / L. Så: Hvorfor udlignes de ekstra og intracellulære Na ⁺ -koncentrationer ikke ?

Der er to grunde til, at dette ikke forekommer: a) Plasmamembranen er dårligt permeabel for Na ⁺. b) eksistensen af ​​Na ⁺ -K ⁺ pumpen.

Pumpen er et enzymatisk system i plasmamembranen, der bruger energien indeholdt i ATP til at fjerne tre Na ⁺ atomer og indføre to K ⁺ atomer.

Derudover er der et sæt hormoner, inklusive aldosteron, som ved at fremme den nyrerebsorption af natrium garanterer opretholdelse af den ekstracellulære natriumkoncentration til dens rette værdi. Antidiuretisk hormon hjælper med at opretholde ekstracellulært volumen.

Produktion af handlingspotentialer

Exciterbare celler (neuroner og muskelceller) er dem, der reagerer på en passende stimulus med dannelse af et handlingspotentiale eller nerveimpuls. Disse celler opretholder en spændingsforskel over plasmamembranen.

Celleindretningen er negativt ladet i forhold til celleets ydre under hvileforhold. Givet en bestemt stimulus er der en stigning i membranens permeabilitet for Na ^+, og en lille mængde Na ⁺ -ioner kommer ind i cellen, hvilket får cellens indre til at blive positivt ladet.

Det er det, der er kendt som et handlingspotentiale, der kan sprede sig gennem en neuron og er den måde, information rejser gennem det.

Når handlingspotentialet når muskelceller, stimulerer det dem til at trække sig sammen gennem mere eller mindre komplekse mekanismer.

I resumé er natrium ansvarlig for produktionen af ​​handlingspotentialer i exciterbare celler og for initieringen af ​​muskelcellekontraktion.

Hvor er det placeret

Jordskorpe

Natrium er det syvende hyppigste element i jordskorpen, hvilket repræsenterer 2,8% af det. Natriumchlorid er en del af mineralhalogen, der repræsenterer 80% af de opløste materialer i havet. Havets natriumindhold er 1,05%.

Natrium er et meget reaktivt element, hvorfor det ikke findes i dets oprindelige eller elementære form. Det findes i opløselige mineraler som halit eller uopløselige mineraler som kryolit (et natriumaluminiumfluorid).

Hav og mineralhalit

Udover havet generelt er Dødehavet kendetegnet ved at have en meget høj koncentration af forskellige salte og mineraler, især natriumchlorid. Great Salt Lake i USA har også en høj koncentration af natrium.

Natriumchlorid findes næsten rent i mineralhalogen, der findes i havet og i stenstrukturer. Klippe- eller mineralsalt er mindre rent end halit, som findes i mineralaflejringer i Storbritannien, Frankrig, Tyskland, Kina og Rusland.

Saltaflejringer

Salt ekstraheres fra dets stenede aflejringer ved fragmentering af klipperne, efterfulgt af en oprensningsproces af saltet. På andre tidspunkter indføres vand i saltbeholderne for at opløse det og danne en saltvand, som derefter pumpes til overfladen.

Salt fås fra havet i lavvandede bassiner, der kaldes salinas, gennem solafdampning. Saltet opnået på denne måde kaldes bugtsalt eller havsalt.

Downs celle

Natrium blev produceret ved den carbotermiske reduktion af natriumcarbonat, der blev udført ved 1100 ° C. For tiden produceres det ved elektrolyse af smeltet natriumchlorid ved hjælp af Downs-cellen.

Da smeltet natriumchlorid imidlertid har et smeltepunkt på ~ 800 ° C, tilsættes calciumchlorid eller natriumcarbonat for at sænke smeltepunktet til 600 ° C.

I Downs-kammeret er katoden lavet af jern i en cirkulær form omkring en kulstofanode. Elektrolyseprodukterne adskilles med et stålnet for at forhindre, at elektrolyseprodukterne kommer i kontakt: elementært natrium og klor.

Ved anoden (+) forekommer følgende oxidationsreaktion:

2 Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2 e ^-

I mellemtiden sker der ved katoden (-) følgende reduktionsreaktion:

2 Na ⁺ (l) + 2 e ^- → 2 Na (l)

Reaktioner

Dannelse af oxider og hydroxid

Den er meget reaktiv i luft afhængig af dens fugtighed. Det reagerer på dannelse af en film af natriumhydroxid, der kan absorbere kuldioxid og til sidst danne natriumbicarbonat.

Oxideres i luft til dannelse af natrium monoxide (Na ₂ O). Mens natriumsuperoxid (NaO ₂) fremstilles ved at opvarme metallisk natrium til 300 ºC med ilt ved højt tryk.

I flydende tilstand antændes det ved 125 ° C og frembringer en irriterende hvid røg, der er i stand til at producere hoste. Det reagerer også kraftigt med vand for at producere natriumhydroxid og brintgas, hvilket får reaktionen til at eksplodere. Denne reaktion er stærkt eksoterm.

Na + H ₂ O → NaOH + 1/2 H ₂ (3.367 kilokalorier / mol)

Med halogenerede syrer

Halogenerede syrer, såsom saltsyre, reagerer med natrium til dannelse af de tilsvarende halogenider. I mellemtiden genererer dens reaktion med salpetersyre natriumnitrat; og med svovlsyre frembringer det natriumsulfat.

reduktioner

Na reducerer oxiderne i overgangsmetallerne og producerer de tilsvarende metaller ved at frigøre dem fra ilt. Natrium reagerer også med halogeniderne i overgangsmetallerne, hvilket får forskydningen af ​​metaller til at danne natriumchlorid og frigiver metaller.

Denne reaktion har tjent til at opnå overgangsmetaller, herunder titan og tantal.

Med ammoniak

Natrium reagerer med flydende ammoniak ved lav temperatur og langsomt til udformningen natriumamid (NaNH ₂) og hydrogen.

Na + NH ₃ → NaNH ₂ + 1/2 H ₂

Flydende ammoniak tjener som et opløsningsmiddel til reaktion af natrium med forskellige metaller, herunder arsen, tellur, antimon og vismut.

Økologisk

Reagerer med alkoholer for at producere alkoholater eller alkoxider:

Na + ROH → RONa + 1/2 H ₂

Det producerer dehalogenering af organiske forbindelser, hvilket forårsager en fordobling i antallet af carbonatomer i forbindelsen:

2 Na + 2 RCI → RR + 2 NaCl

Octan kan produceres ved dehalogenering af butanbromid med natrium.

Med metaller

Natrium kan reagere med andre alkalimetaller til dannelse af en eutektikum: en legering, der dannes ved lavere temperaturer end dens komponenter; for eksempel NaK, der har en K-procentdel på 78%. Også natrium danner legeringer med beryllium med en lille procentdel af førstnævnte.

Ædelmetaller som guld, sølv, platin, palladium og iridium samt hvide metaller som bly, tin og antimon danner legeringer med flydende natrium.

Risici

Det er et metal, der reagerer kraftigt med vand. Derfor kan kontakt med humant væv belagt med vand forårsage alvorlig skade. Producerer alvorlige forbrændinger ved kontakt med hud og øjne.

På samme måde kan det ved indtagelse forårsage perforering af spiserøret og maven. Skønt disse skader er alvorlige, er kun en lille del af befolkningen udsat for dem.

Den største skade, som natrium kan forårsage, skyldes dens store indtag i fødevarer eller drikkevarer foretaget af mennesker.

Den menneskelige krop kræver et natriumindtag på 500 mg / dag for at udføre sin funktion i nerveledelse såvel som i muskelsammentrækning.

Men normalt indtages en meget højere mængde natrium i kosten, hvilket producerer en stigning i plasma og blodkoncentration af den.

Dette kan forårsage forhøjet blodtryk, hjerte-kar-sygdom og slagtilfælde.

Hypernatræmi er også forbundet med frembringelsen af ​​osteoporose ved at inducere en udstrømning af calcium fra knoglevævet. Nyrerne har problemer med at opretholde en normal plasma-natriumkoncentration trods overdreven indtagelse, hvilket kan føre til nyreskade.

Applikationer

Metallisk natrium

Det bruges i metallurgi som et deoxiderende og reducerende middel til fremstilling af calcium, zirkonium, titan og andre metaller. For eksempel, det reducerer titantetrachlorid (TiCl ₄) for at fremstille metallisk titan.

Smeltet natrium bruges som et varmeoverføringsmiddel, hvorfor det bruges som kølemiddel i nogle atomreaktorer.

Det bruges som råmateriale til fremstilling af natriumlaurylsulfat, den vigtigste ingrediens i syntetisk vaskemiddel. Det er også involveret i fremstillingen af ​​polymerer, såsom nylon og forbindelser, såsom cyanid og natriumperoxid. Også i produktionen af ​​farvestoffer og parfumsyntese.

Natrium anvendes til oprensning af carbonhydrider og til polymerisation af uopløselige carbonhydrider. Det bruges også i mange organiske reduktioner. Opløst i flydende ammoniak bruges det til at reducere alkyner til transalken.

Natriumdamplamper er bygget til offentlig belysning i byer. Disse giver en gul farve svarende til den, der observeres, når natrium brændes i lightere.

Natrium fungerer som et tørremiddel, der tilvejebringer en blå farvetone i nærvær af benzophenon, hvilket indikerer, at produktet i tørreprocessen har nået den ønskede tørring.

forbindelser

chloride

Det bruges til at krydre og konservere mad. Elektrolysen af ​​natriumchlorid producerer natriumhypochlorit (NaOCl), der bruges til husholdningsrensning som klor. Derudover bruges det som en industriel blegemiddel til papir og tekstilmasse eller til vanddesinfektion.

Natriumhypochlorit bruges i visse medicinske præparater som et antiseptisk middel og fungicid.

Carbonat og bikarbonat

Natriumcarbonat bruges til fremstilling af briller, vaskemidler og rengøringsmidler. Natriumcarbonatmonohydrat bruges i fotografering som en udviklerkomponent.

Bagepulver er en kilde til kuldioxid. Af denne grund bruges det i bagepulver, i salte og brusende drikkevarer og også i tørre kemiske ildslukkere. Det bruges også i processen med garvning og klargøring af uld.

Natriumbicarbonat er en alkalisk forbindelse, der bruges til medicinsk behandling af mave- og urinhyperacitet.

sulfat

Det bruges til fremstilling af kraftpapir, pap, glas og rengøringsmidler. Natriumthiosulfat bruges i fotografering for at korrigere negativer og udviklede tryk.

hydroxid

Almindeligvis kaldet kaustisk soda eller lut, bruges det til neutralisering af syrer i petroleumraffinaderi. Reagerer med fedtsyrer ved fremstilling af sæbe. Derudover bruges det til behandling af cellulose.

Nitrat

Det bruges som en gødning, der leverer kvælstof, der er en bestanddel af dynamit.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Natrium. (2019). Natrium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. National Center for Biotechnology Information. (2019). Natrium. PubChem-database. CID = 5360545. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ganong, WF (2003). Medicinsk fysiologi 19. udgave. Redaktionel El Manual Moderno.
5. Wikipedia. (2019). Natrium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
6. Præsident og stipendiater på Harvard College. (2019). Salt og natrium. Gendannes fra: hsph.harvard.edu
7. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (7. juni 2019). Natrium. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com