NATRIUM: GESCHICHTE, STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, RISIKEN UND VERWENDUNGEN - CHEMIE - 2025

Das Natrium ist ein Alkalimetall der Gruppe 1 des Periodensystems. Seine Ordnungszahl ist 11 und es wird durch das chemische Symbol Na dargestellt. Es ist ein Leichtmetall, weniger dicht als Wasser, von silberweißer Farbe, das an der Luft grau wird. Deshalb wird es in Paraffinen oder Edelgasen gelagert.

Darüber hinaus ist es ein weiches Metall, das mit einem Messer geschnitten werden kann und bei niedrigen Temperaturen spröde wird. Reagiert explosionsartig mit Wasser unter Bildung von Natriumhydroxid und Wasserstoffgas; Es reagiert auch mit feuchter Luft und mit der Feuchtigkeit von bloßen Händen.

Metallisches Natrium wird in einer Flasche aufbewahrt und in Öl getaucht, damit es nicht mit Luft reagiert. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

Dieses Metall kommt in Steinsalzmineralien wie Halit (Natriumchlorid), in Salzlaken und im Meer vor. Natriumchlorid macht 80% aller im Meer gelösten Materialien aus, Natrium mit einer Häufigkeit von 1,05%. Es ist das sechste Element im Überfluss in der Erdkruste.

Die Analyse der Spektren des von den Sternen kommenden Lichts hat es ermöglicht, ihre Anwesenheit in ihnen, einschließlich der Sonne, zu erfassen. Ebenso wurde ihre Anwesenheit in Meteoriten bestimmt.

Natrium ist ein guter thermischer und elektrischer Leiter und hat ein großes Wärmeabsorptionsvermögen. Es erfährt das photoelektrische Phänomen, das heißt, es kann Elektronen emittieren, wenn es beleuchtet wird. Beim Verbrennen strahlt die Flamme ein intensives gelbes Licht aus.

Geschmolzenes Natrium wirkt als Wärmeübertragungsmittel, weshalb es in bestimmten Kernreaktoren als Kühlmittel verwendet wird. Es wird auch als Metalldesoxidationsmittel und -reduzierer verwendet, weshalb es bei der Reinigung von Übergangsmetallen wie Titan und Zirkonium verwendet wurde.

Natrium trägt hauptsächlich zur Osmolarität des extrazellulären Kompartiments und seines Volumens bei. Ebenso ist es für die Erzeugung von Aktionspotentialen in erregbaren Zellen und die Initiierung der Muskelkontraktion verantwortlich.

Übermäßige Natriumaufnahme kann verursachen: Herz-Kreislauf-Erkrankungen, erhöhtes Schlaganfallrisiko, Osteoporose aufgrund der Mobilisierung von Knochencalcium und Nierenschäden.

Geschichte

Der Mensch hat seit der Antike Natriumverbindungen verwendet, insbesondere Natriumchlorid (Kochsalz) und Natriumcarbonat. Die Bedeutung von Salz wird durch die Verwendung des lateinischen Wortes "Salarium" belegt, um einen Teil des Salzes anzuzeigen, den die Soldaten als Teil der Zahlung erhalten haben.

Im Mittelalter wurde eine Natriumverbindung mit dem lateinischen Namen "Sodanum" verwendet, was Kopfschmerzen bedeutete.

1807 isolierte Sir Humprey Davy Natrium durch Elektrolyse von Natriumhydroxid. Davy isolierte auch Kalium zu einer Zeit, als Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid als elementare Substanzen angesehen und als feste Alkalien bezeichnet wurden.

Davy schrieb in einem Brief an einen Freund: „Ich habe die fixierten Alkalien zersetzt und wieder zusammengesetzt und festgestellt, dass ihre Basen zwei neue, sehr brennbare Substanzen sind, die Metallen ähnlich sind. aber einer von ihnen ist brennbarer als der andere und sehr reaktiv. “

1814 verwendete Jöns Jakob in seinem System chemischer Symbole die Abkürzung Na für das lateinische Wort 'natrium', um Natrium zu benennen. Dieses Wort stammt vom ägyptischen "Natron" -Namen, der für Natriumcarbonat verwendet wird.

Struktur und Elektronenkonfiguration von Natrium

Metallisches Natrium kristallisiert zu einer körperzentrierten kubischen (bcc) Struktur. Daher sind seine Na-Atome so positioniert, dass sie Würfel bilden, von denen sich eines in der Mitte befindet und jedes acht Nachbarn hat.

Diese Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass sie am wenigsten dicht ist, was mit der geringen Dichte dieses Metalls übereinstimmt. so niedrig, dass es zusammen mit Lithium und Kalium die einzigen Metalle sind, die in flüssigem Wasser schwimmen können (natürlich vor der Explosion). Zu dieser Eigenschaft trägt auch seine im Verhältnis zu seinem voluminösen Atomradius geringe Atommasse bei.

Die resultierende metallische Bindung ist jedoch ziemlich schwach und kann aus der elektronischen Konfiguration erklärt werden:

3s ¹

Die Elektronen in der geschlossenen Hülle nehmen (zumindest unter normalen Bedingungen) nicht an der Metallbindung teil; aber das Elektron im 3s-Orbital. Na-Atome überlappen ihre 3s-Orbitale, um ein Valenzband zu erzeugen. und das 3p, leer, ein Leitungsband.

Dieses halb volle 3s-Band sowie die geringe Dichte des Kristalls machen die Kraft, die vom "Elektronenmeer" beherrscht wird, schwach. Folglich kann metallisches Natrium mit einem Metall geschnitten werden und schmilzt nur bei 98 ° C.

Phasenübergänge

Der Natriumkristall kann bei Druckanstieg Änderungen in seiner Struktur erfahren; Beim Erhitzen ist es aufgrund seines niedrigen Schmelzpunktes unwahrscheinlich, dass es zu Phasenübergängen kommt.

Sobald Phasenübergänge beginnen, ändern sich die Eigenschaften des Metalls. Beispielsweise erzeugt der erste Übergang eine flächenzentrierte kubische Struktur (fcc). Somit wird die dünn besetzte Struktur bcc zu fcc verdichtet, wenn das metallische Natrium gepresst wird.

Dies führt möglicherweise nicht zu einer nennenswerten Änderung der Eigenschaften von Natrium außer seiner Dichte. Wenn die Drücke jedoch sehr hoch sind, werden die Allotrope (nicht polymorph, da sie ein reines Metall sind) überraschenderweise zu Isolatoren und Elektriden; Das heißt, sogar die Elektronen sind als Anionen im Kristall fixiert und zirkulieren nicht frei.

Zusätzlich zu den oben genannten ändern sich auch ihre Farben; Natrium hört auf, grau zu werden, um dunkel, rötlich oder sogar transparent zu werden, wenn der Betriebsdruck steigt.

Oxidationszahlen

Wenn Natrium im 3s-Valenzorbital sein einziges Elektron verliert, wandelt es sich schnell in das Na ⁺ -Kation um , das für Neon isoelektronisch ist. Das heißt, sowohl Na ⁺ als auch Ne haben die gleiche Anzahl von Elektronen. Wenn das Vorhandensein von Na ⁺ in der Verbindung angenommen wird , wird seine Oxidationszahl als +1 bezeichnet.

Wenn das Gegenteil der Fall ist, dh Natrium ein Elektron gewinnt, beträgt seine resultierende Elektronenkonfiguration 3s ² ; Jetzt ist es isoelektronisch mit Magnesium, dem Na-Anion ^- Natrium genannt. Wenn das Vorhandensein von Na ^- in der Verbindung angenommen wird , hat Natrium eine Oxidationszahl von -1.

Eigenschaften

Eine Ethyllösung von Natriumchlorid, die brennt, um die charakteristische gelbe Farbe der Flamme für dieses Metall zu manifestieren. Quelle: Der Messer

Physische Beschreibung

Weiches, duktiles, formbares Leichtmetall.

Atomares Gewicht

22,989 g / mol.

Farbe

Natrium ist ein leicht silbriges Metall. Glänzt, wenn es frisch geschnitten wird, verliert aber seinen Glanz, wenn es mit Luft in Kontakt gebracht wird und wird undurchsichtig. Weich bei Temperatur, aber ziemlich hart bei -20 ºC.

Siedepunkt

880 ° C.

Schmelzpunkt

97,82 ºC (fast 98 ºC).

Dichte

Bei Raumtemperatur: 0,968 g / cm ³ .

Im flüssigen Zustand (Schmelzpunkt): 0,927 g / cm ³ .

Löslichkeit

Unlöslich in Benzol, Kerosin und Naphtha. Es löst sich in flüssigem Ammoniak und ergibt eine blau gefärbte Lösung. Es löst sich in Quecksilber und bildet ein Amalgam.

Dampfdruck

Temperatur 802 K: 1 kPa; das heißt, sein Dampfdruck ist selbst bei hohen Temperaturen beträchtlich niedrig.

Zersetzung

Es zersetzt sich in Wasser heftig und bildet Natriumhydroxid und Wasserstoff.

Selbstentzündungstemperatur

120-125 ° C.

Viskosität

0,680 cP bei 100 ° C.

Oberflächenspannung

192 Dyn / cm am Schmelzpunkt.

Brechungsindex

4.22.

Elektronegativität

0,93 auf der Pauling-Skala.

Ionisationsenergie

Erste Ionisation: 495,8 kJ / mol.

Zweite Ionisation: 4.562 kJ / mol.

Dritte Ionisation: 6.910,3 kJ / mol.

Atomradio

186 Uhr.

Kovalenter Radius

166 ± 21 Uhr.

Wärmeausdehnung

71 um (m · K) bei 26ºC.

Wärmeleitfähigkeit

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

Elektrischer widerstand

4,77 × 10 ^–8 Ωm bei 293 K.

Nomenklatur

Da Natrium eine eindeutige Oxidationszahl von +1 hat, werden die Namen seiner Verbindungen, die durch die Bestandsnomenklatur bestimmt werden, vereinfacht, da diese Zahl nicht in Klammern und mit römischen Ziffern angegeben ist.

Ebenso enden ihre Namen nach traditioneller Nomenklatur alle mit dem Suffix -ico.

Zum Beispiel ist NaCl Natriumchlorid gemäß der Stammnomenklatur, wobei Natriumchlorid (I) fehlerhaft ist. Nach der systematischen Nomenklatur wird es auch Natriummonochlorid genannt. und Natriumchlorid gemäß traditioneller Nomenklatur. Der gebräuchlichste Name ist jedoch Tafelsalz.

Biologische Rolle

Osmotische Komponente

Natrium hat eine extrazelluläre Konzentration von 140 mmol / l und liegt in ionischer Form (Na ⁺ ) vor. Um die Elektroneutralität des extrazellulären Kompartiments aufrechtzuerhalten, wird Na ⁺ von Chlorid- (Cl ^- ) und Bicarbonat- (HCO ₃ ^- ) Anionen mit Konzentrationen von 105 mmol / l bzw. 25 mmol / l begleitet.

Das Na ⁺ -Kation ist die osmotische Hauptkomponente und trägt am meisten zur Osmolarität des extrazellulären Kompartiments bei, so dass zwischen dem extrazellulären und dem intrazellulären Kompartiment eine Gleichheit der Osmolarität besteht, die die Integrität des intrazellulären Kompartiments garantiert.

Andererseits beträgt die intrazelluläre Konzentration von Na ⁺ 15 mmol / l. Also: Warum werden die extra- und intrazellulären Na ⁺ -Konzentrationen nicht ausgeglichen ?

Es gibt zwei Gründe, warum dies nicht auftritt: a) Die Plasmamembran ist für Na ⁺ schlecht durchlässig . b) die Existenz der Na ⁺ -K ⁺ -Pumpe .

Die Pumpe ist ein enzymatisches System in der Plasmamembran, das die in ATP enthaltene Energie nutzt, um drei Na ⁺ -Atome zu entfernen und zwei K ⁺ -Atome einzuführen .

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Hormonen, einschließlich Aldosteron, die durch Förderung der renalen Natriumresorption die Aufrechterhaltung der extrazellulären Natriumkonzentration auf ihrem richtigen Wert gewährleisten. Antidiuretisches Hormon hilft, das extrazelluläre Volumen aufrechtzuerhalten.

Produktion von Aktionspotentialen

Erregbare Zellen (Neuronen und Muskelzellen) sind solche, die auf einen geeigneten Reiz mit der Bildung eines Aktionspotentials oder eines Nervenimpulses reagieren. Diese Zellen halten eine Spannungsdifferenz über der Plasmamembran aufrecht.

Das Zellinnere ist unter Ruhebedingungen relativ zum Zelläußeren negativ geladen. Bei einem bestimmten Reiz steigt die Permeabilität der Membran für Na ⁺ und eine kleine Menge Na ⁺ -Ionen tritt in die Zelle ein , wodurch das Zellinnere positiv geladen wird.

Das Obige ist ein sogenanntes Aktionspotential, das sich in einem Neuron ausbreiten kann und die Art und Weise, wie Informationen durch dieses Neuron wandern.

Wenn das Aktionspotential Muskelzellen erreicht, regt es sie an, sich durch mehr oder weniger komplexe Mechanismen zusammenzuziehen.

Zusammenfassend ist Natrium für die Produktion von Aktionspotentialen in erregbaren Zellen und für die Initiierung der Muskelzellkontraktion verantwortlich.

Wo befindet es sich?

Erdkruste

Natrium ist das siebthäufigste Element in der Erdkruste und macht 2,8% davon aus. Natriumchlorid ist Teil des Minerals Halit, das 80% der im Meer gelösten Stoffe ausmacht. Der Natriumgehalt des Meeres beträgt 1,05%.

Natrium ist ein sehr reaktives Element, weshalb es nicht in seiner natürlichen oder elementaren Form vorkommt. Es kommt in löslichen Mineralien wie Halit oder unlöslichen Mineralien wie Kryolith (einem Natriumaluminiumfluorid) vor.

Meer und das Mineral Halit

Neben dem Meer im Allgemeinen zeichnet sich das Tote Meer durch eine sehr hohe Konzentration verschiedener Salze und Mineralien aus, insbesondere Natriumchlorid. Der Great Salt Lake in den Vereinigten Staaten hat auch eine hohe Konzentration an Natrium.

Natriumchlorid ist im Mineral Halit, das im Meer und in Gesteinsstrukturen vorhanden ist, fast rein. Gesteins- oder Mineralsalz ist weniger rein als Halit und kommt in Mineralvorkommen in Großbritannien, Frankreich, Deutschland, China und Russland vor.

Salzablagerungen

Salz wird aus seinen felsigen Ablagerungen durch Fragmentierung der Gesteine ​​extrahiert, gefolgt von einem Reinigungsprozess des Salzes. Zu anderen Zeiten wird Wasser in die Salztanks eingeführt, um es aufzulösen und eine Salzlösung zu bilden, die dann an die Oberfläche gepumpt wird.

Salz wird aus dem Meer in flachen Becken, die als Salinen bekannt sind, durch Sonnenverdampfung gewonnen. Das auf diese Weise erhaltene Salz wird Lorbeersalz oder Meersalz genannt.

Downs Zelle

Natrium wurde durch die bei 1.100ºC durchgeführte carbothermische Reduktion von Natriumcarbonat hergestellt. Derzeit wird es durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid unter Verwendung der Downs-Zelle hergestellt.

Da jedoch geschmolzenes Natriumchlorid einen Schmelzpunkt von ~ 800 ° C hat, wird Calciumchlorid oder Natriumcarbonat zugesetzt, um den Schmelzpunkt auf 600 ° C zu senken.

In der Downs-Kammer besteht die Kathode aus kreisförmigem Eisen um eine Kohlenstoffanode. Die Elektrolyseprodukte sind durch ein Stahlgitter getrennt, um zu verhindern, dass die Elektrolyseprodukte in Kontakt kommen: elementares Natrium und Chlor.

An der Anode (+) tritt folgende Oxidationsreaktion auf:

2 Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2 e ^-

Währenddessen tritt an der Kathode (-) die folgende Reduktionsreaktion auf:

2 Na ⁺ (l) + 2 e ^- → 2 Na (l)

Reaktionen

Bildung von Oxiden und Hydroxid

In Luft ist es je nach Luftfeuchtigkeit sehr reaktiv. Es reagiert unter Bildung eines Natriumhydroxidfilms, der Kohlendioxid absorbieren und schließlich Natriumbicarbonat bilden kann.

Es oxidiert an der Luft zu Natriummonoxid (Na ₂ O). Während Natrium-Superoxid (NaO ₂ ) durch Erhitzen von metallischem Natrium auf 300 ° C mit Sauerstoff bei hohem Druck hergestellt wird.

Im flüssigen Zustand entzündet es sich bei 125 ° C und erzeugt einen reizenden weißen Rauch, der Husten erzeugen kann. Es reagiert auch heftig mit Wasser unter Bildung von Natriumhydroxid und Wasserstoffgas, wodurch die Reaktion explodiert. Diese Reaktion ist stark exotherm.

Na + H ₂ O → NaOH + 1/2 H ₂ (3.367 Kilokalorien / Mol)

Mit halogenierten Säuren

Halogenierte Säuren wie Salzsäure reagieren mit Natrium unter Bildung der entsprechenden Halogenide. Währenddessen erzeugt seine Reaktion mit Salpetersäure Natriumnitrat; und mit Schwefelsäure erzeugt es Natriumsulfat.

Ermäßigungen

Na reduziert die Oxide der Übergangsmetalle und erzeugt die entsprechenden Metalle, indem es sie von Sauerstoff befreit. Natrium reagiert auch mit den Halogeniden der Übergangsmetalle, wodurch die Verdrängung der Metalle unter Bildung von Natriumchlorid erfolgt und die Metalle freigesetzt werden.

Diese Reaktion hat dazu gedient, Übergangsmetalle, einschließlich Titan und Tantal, zu erhalten.

Mit Ammoniak

Natrium reagiert mit flüssigem Ammoniak bei niedriger Temperatur und langsam unter Bildung von Sodamid (NaNH ₂ ) und Wasserstoff.

Na + NH ₃ → NaNH ₂ + 1/2 H ₂

Flüssiges Ammoniak dient als Lösungsmittel für die Reaktion von Natrium mit verschiedenen Metallen, einschließlich Arsen, Tellur, Antimon und Wismut.

Bio

Reagiert mit Alkoholen unter Bildung von Alkoholaten oder Alkoxiden:

Na + ROH → RONa + 1/2 H ₂

Es bewirkt die Dehalogenierung organischer Verbindungen, wodurch sich die Anzahl der Kohlenstoffe der Verbindung verdoppelt:

2 Na + 2 RCl → RR + 2 NaCl

Octan kann durch Dehalogenierung von Butanbromid mit Natrium hergestellt werden.

Mit Metallen

Natrium kann mit anderen Alkalimetallen unter Bildung eines Eutektikums reagieren: eine Legierung, die sich bei niedrigeren Temperaturen als ihre Bestandteile bildet; Zum Beispiel NaK mit einem K-Prozentsatz von 78%. Auch Natrium bildet mit Beryllium Legierungen mit einem geringen Prozentsatz des ersteren.

Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin, Palladium und Iridium sowie Weißmetalle wie Blei, Zinn und Antimon bilden mit flüssigem Natrium Legierungen.

Risiken

Es ist ein Metall, das stark mit Wasser reagiert. Daher kann der Kontakt mit mit Wasser beschichtetem menschlichem Gewebe schwere Schäden verursachen. Erzeugt schwere Verbrennungen bei Kontakt mit Haut und Augen.

Ebenso kann es durch Verschlucken zu einer Perforation der Speiseröhre und des Magens kommen. Obwohl diese Verletzungen schwerwiegend sind, ist nur ein kleiner Teil der Bevölkerung ihnen ausgesetzt.

Der größte Schaden, den Natrium verursachen kann, ist auf die übermäßige Aufnahme von Lebensmitteln oder Getränken zurückzuführen, die von Menschen hergestellt werden.

Der menschliche Körper benötigt eine Natriumaufnahme von 500 mg / Tag, um seine Funktion bei der Nervenleitung sowie bei der Muskelkontraktion zu erfüllen.

Normalerweise wird jedoch eine viel höhere Menge Natrium in die Nahrung aufgenommen, was zu einer Erhöhung der Plasma- und Blutkonzentration führt.

Dies kann zu Bluthochdruck, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Schlaganfällen führen.

Hypernatriämie ist auch mit der Entstehung von Osteoporose verbunden, indem ein Kalziumabfluss aus dem Knochengewebe induziert wird. Die Nieren haben trotz übermäßiger Aufnahme Probleme, eine normale Plasma-Natriumkonzentration aufrechtzuerhalten, was zu Nierenschäden führen kann.

Anwendungen

Metallisches Natrium

Es wird in der Metallurgie als Desoxidations- und Reduktionsmittel bei der Herstellung von Calcium, Zirkonium, Titan und anderen Metallen verwendet. Beispielsweise reduziert es Titantetrachlorid (TiCl ₄ ), um metallisches Titan herzustellen.

Geschmolzenes Natrium wird als Wärmeübertragungsmittel verwendet, weshalb es in einigen Kernreaktoren als Kühlmittel verwendet wird.

Es wird als Rohstoff bei der Herstellung von Natriumlaurylsulfat verwendet, dem Hauptbestandteil von synthetischen Waschmitteln. Es ist auch an der Herstellung von Polymeren wie Nylon und Verbindungen wie Cyanid und Natriumperoxid beteiligt. Auch bei der Herstellung von Farbstoffen und der Parfümsynthese.

Natrium wird zur Reinigung von Kohlenwasserstoffen und zur Polymerisation unlöslicher Kohlenwasserstoffe verwendet. Es wird auch in vielen organischen Reduktionen verwendet. In flüssigem Ammoniak gelöst wird es verwendet, um Alkine zu Transalken zu reduzieren.

Natriumdampflampen werden für die öffentliche Beleuchtung in Städten gebaut. Diese haben eine gelbe Farbe, ähnlich der, die beobachtet wird, wenn Natrium in Feuerzeugen verbrannt wird.

Natrium wirkt als Trockenmittel, das in Gegenwart von Benzophenon einen blauen Farbton liefert, was darauf hinweist, dass das Produkt im Trocknungsprozess die gewünschte Trocknung erreicht hat.

Verbindungen

Chlorid

Es wird verwendet, um Lebensmittel zu würzen und zu konservieren. Bei der Elektrolyse von Natriumchlorid entsteht Natriumhypochlorit (NaOCl), das bei der Haushaltsreinigung als Chlor verwendet wird. Darüber hinaus wird es als industrielles Bleichmittel für Papier und Textilzellstoff oder zur Wasserdesinfektion verwendet.

Natriumhypochlorit wird in bestimmten medizinischen Präparaten als Antiseptikum und Fungizid verwendet.

Carbonat und Bicarbonat

Natriumcarbonat wird zur Herstellung von Gläsern, Reinigungs- und Reinigungsmitteln verwendet. Natriumcarbonatmonohydrat wird in der Fotografie als Entwicklerkomponente verwendet.

Backpulver ist eine Kohlendioxidquelle. Aus diesem Grund wird es in Backpulvern, in Salzen und Brausegetränken sowie in trockenchemischen Feuerlöschern verwendet. Es wird auch beim Gerben und Vorbereiten von Wolle verwendet.

Natriumbicarbonat ist eine alkalische Verbindung, die zur medizinischen Behandlung von Magen- und Harnübersäuerung eingesetzt wird.

Sulfat

Es wird zur Herstellung von Kraftpapier, Pappe, Glas und Reinigungsmitteln verwendet. Natriumthiosulfat wird in der Fotografie verwendet, um Negative und entwickelte Drucke zu korrigieren.

Hydroxid

Im Allgemeinen als Ätznatron oder Lauge bezeichnet, wird es zur Neutralisation von Säuren bei der Erdölraffination verwendet. Reagiert mit Fettsäuren bei der Herstellung von Seife. Darüber hinaus wird es bei der Behandlung von Cellulose eingesetzt.

Nitrat

Es wird als Dünger verwendet, der Stickstoff liefert und Bestandteil von Dynamit ist.

Verweise

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