Natriumhistorie, struktur, egenskaber, risici og anvendelser

2860
Alexander Pearson

Det natrium Det er et alkalimetal fra gruppe 1 i det periodiske system. Dens atomnummer er 11, og det er repræsenteret af det kemiske symbol Na. Det er et let metal, mindre tæt end vand, sølvhvid i farven, der bliver grå, når den 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 skørt ved lave temperaturer. Reagerer eksplosivt med vand til dannelse af natriumhydroxid og hydrogengas; Det reagerer også med fugtig luft og med fugt fra bare hænder.

Metallisk natrium opbevaret i en flaske og nedsænket i olie, så den ikke reagerer med luft. Kilde: Hi-Res Images of Chemical Elements [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Dette metal findes i bergsaltmineraler som halit (natriumchlorid), i saltlage og i havet. Natriumchlorid udgør 80% af alle opløste materialer i havet, hvor natrium har en overflod på 1,05%. Det er det sjette element i overflod af jordskorpen.

Analysen af ​​lysets spektre, der kommer fra stjernerne, har gjort det muligt at detektere deres tilstedeværelse i dem, inklusive solen. Ligeledes er deres tilstedeværelse i meteoritter blevet bestemt.

Natrium er en god termisk og elektrisk leder, samt har en stor varmeabsorptionsevne. Det oplever det fotoelektriske fænomen, det vil sige, det er i stand til at udsende elektroner, når det er oplyst. Når den er brændt, udsender dens flamme et intens gult lys..

Smeltet natrium fungerer som et varmeoverføringsmiddel, hvorfor det bruges som kølemiddel i visse atomreaktorer. Det bruges også som deoxideringsmiddel og metalreduktionsmiddel, hvorfor det er blevet brugt til oprensning af overgangsmetaller, såsom titanium og zirconium..

Natrium er den største bidragyder til det ekstracellulære rums osmolaritet og dets volumen. Det er også ansvarligt for genereringen af ​​handlingspotentialer i ophidsede celler og initieringen af ​​muskelsammentrækning..

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

Artikelindeks

  • 1 Historie
  • 2 Struktur og elektronkonfiguration af natrium
    • 2.1 Faseovergange
    • 2.2 oxidationstal
  • 3 egenskaber
    • 3.1 Fysisk beskrivelse
    • 3.2 Atomvægt
    • 3.3 Farve
    • 3.4 Kogepunkt
    • 3.5 Smeltepunkt
    • 3.6 Tæthed
    • 3.7 Opløselighed
    • 3.8 Damptryk
    • 3.9 Nedbrydning
    • 3.10 Selvantændelsestemperatur
    • 3.11 Viskositet
    • 3.12 overfladespænding
    • 3.13 Brydningsindeks
    • 3.14 Elektronegativitet
    • 3.15 Ioniseringsenergi
    • 3.16 Atomeradius
    • 3.17 Kovalent radius
    • 3.18 Termisk ekspansion
    • 3.19 Varmeledningsevne
    • 3.20 Elektrisk modstand
  • 4 Nomenklatur
  • 5 Biologisk rolle
    • 5.1 Osmotisk komponent
    • 5.2 Produktion af handlingspotentialer
  • 6 Hvor kan man finde det?
    • 6.1 Jordskorpe
    • 6.2 Hav og mineralhalit
    • 6.3 Saltaflejringer
    • 6.4 Nedadgående celle
  • 7 Reaktioner
    • 7.1 Dannelse af oxider og hydroxid
    • 7.2 Med halogenerede syrer
    • 7.3 Reduktioner
    • 7.4 Med ammoniak
    • 7.5 Organisk
    • 7.6 Med metaller
  • 8 risici
  • 9 anvendelser
    • 9.1 Natriummetallisk
    • 9.2 Forbindelser
  • 10 Referencer

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 deres betaling..

I middelalderen blev der anvendt en natriumforbindelse 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 kaldet faste baser..

Davy skrev i et brev til en ven: “Jeg nedbrudte og komponerede de faste baser og opdagede, at deres baser var to nye stoffer, meget brandfarlige stoffer, der lignede metaller; men den ene er mere antændelig end den anden og meget reaktiv ".

I 1814 brugte Jöns Jakob i sit system med kemiske symboler forkortelsen Na for 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 kropscentreret kubisk (bcc) struktur. Derfor er dets Na-atomer positioneret til at danne terninger, hvor en er placeret i midten og hver med otte naboer..

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

Den resulterende metalliske binding er dog ret svag og kan forklares ud fra den elektroniske konfiguration:

[Ne] 3s1

Elektronerne i den lukkede skal deltager ikke (i det mindste under normale forhold) i den metalliske binding; men elektronen i 3'ers orbital. Na-atomer overlapper deres 3s-orbitaler for at skabe et valensbånd; Og 3p'erne, tomme, et drivende band.

Dette 3s-bånd, der er halvt fyldt såvel som på grund af krystalens lave tæthed, gør kraften, styret af "elektronhavet", svag. Derfor kan metallisk natrium skæres med et metal og smelter kun ved 98 ° C..

Faseovergange

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

Når faseovergange begynder, ændres metalets egenskaber. For eksempel genererer den første overgang en ansigt-centreret kubisk (fcc) struktur. Således komprimeres den sparsomme struktur bcc til fcc ved at trykke på det metalliske natrium.

Måske frembringer dette ikke en mærkbar ændring i egenskaberne af natrium andet end dens densitet. Når tryk imidlertid er meget høje, bliver allotroperne (ikke polymorfe, fordi de er et rent metal) overraskende isolatorer og elektroder; det vil sige, selv elektronerne er fastgjort i krystallen som anioner og cirkulerer ikke frit.

Ud over ovenstående ændres deres farver også; natrium ophører med at være gråligt til at blive mørkt, rødligt eller endda gennemsigtigt, når driftstrykket stiger.

Oxidationsnumre

I betragtning af 3s valens orbital, når natrium mister sin eneste elektron, omdannes det hurtigt til Na-kationen.+, som er isoelektronisk over for neon. Det vil sige både Na+ ligesom Ne har de samme antal elektroner. Hvis tilstedeværelsen af ​​Na antages+ i forbindelsen siges dens oxidationsnummer derefter at være +1.

Mens det modsatte sker, det vil sige natrium får en elektron, er dens resulterende elektronkonfiguration [Ne] 3sto; nu er det isoelektronisk med magnesium, idet det er Na-anionen- kaldes soduro. Hvis tilstedeværelsen af ​​Na antages- i forbindelsen, så vil natrium have oxidationstal på -1.

Ejendomme

En ethylnatriumchloridopløsning, der brænder for at manifestere den karakteristiske gule farve på flammen for dette metal. Kilde: Der Messer [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Fysisk beskrivelse

Blødt, duktilt, formbart let metal.

Atomvægt

22,989 g / mol.

Farve

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

Kogepunkt

880 ºC.

Smeltepunkt

97,82 ºC (næsten 98 ºC).

Massefylde

Ved stuetemperatur: 0,968 g / cm3.

I flydende tilstand (smeltepunkt): 0,927 g / cm33.

Opløselighed

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

Damptryk

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

Nedbrydning

Det nedbrydes voldsomt i vand og danner natriumhydroxid og brint.

Selvantændelsestemperatur

120-125 ºC.

Viskositet

0,680 cP ved 100 ºC

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.

Atomic radio

186 pm.

Kovalent radius

166 ± 9 pm.

Varmeudvidelse

71 µm (mK) ved 26 ºC.

Varmeledningsevne

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

Elektrisk modstand

4,77 × 10-8 Ωm ved 293 K.

Nomenklatur

Da natrium har et unikt oxidationsnummer på +1, er navnene på dets forbindelser, der er reguleret af stamnomenklaturen, forenklet, da dette tal ikke er angivet i parentes og med romertal..

På samme måde slutter deres navne ifølge den traditionelle nomenklatur alle med suffikset -ico.

For eksempel er NaCl natriumchlorid i henhold til stamnomenklaturen, hvor natriumchlorid (I) er fejlagtigt. Det kaldes også natriummonochlorid ifølge den systematiske nomenklatur; og natriumchlorid ifølge den traditionelle nomenklatur. Det mest almindelige navn er dog 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, Na+ ledsages af chloridanioner (Cl-) og bicarbonat (HCO3-) med koncentrationer på henholdsvis 105 mmol / L og 25 mmol / L.

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

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

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

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

Derudover er der et sæt hormoner, herunder aldosteron, som ved at fremme renal natriumreabsorption garanterer opretholdelsen af ​​den ekstracellulære natriumkoncentration til sin rette værdi. Antidiuretisk hormon hjælper med at opretholde ekstracellulært volumen.

Produktion af handlingspotentialer

Spændende celler (neuroner og muskelceller) er dem, der reagerer på en passende stimulus med dannelsen af ​​et handlingspotentiale eller nerveimpuls. Disse celler opretholder en spændingsforskel på tværs af plasmamembranen..

Celleindretningen er negativt ladet i forhold til celleudvendigheden under hvileforhold. Givet en vis stimulus er der en stigning i permeabiliteten af ​​membranen for Na+ og en lille mængde Na-ioner kommer ind i cellen+, hvilket får celleindretningen til at oplades positivt.

Ovenstående er det, der er kendt som et handlingspotentiale, som kan sprede sig gennem en neuron og er den måde, hvorpå information bevæger sig gennem den..

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

Sammenfattende er natrium ansvarlig for produktionen af ​​handlingspotentialer i exciterende celler og for initieringen af ​​muskelcellekontraktion..

Hvor er det placeret

Jordskorpe

Natrium er det syvende mest forekommende element i jordskorpen og repræsenterer 2,8% af det. Natriumchlorid er en del af mineralet halit, som 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. Findes i opløselige mineraler som halit eller uopløselige mineraler som kryolit (et natriumaluminiumfluorid).

Hav og mineralhalit

Ud over havet generelt er Det Døde Hav præget af 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 mineralet halit, der er til stede i havet og i stenstrukturer. Sten- eller mineralsalt er mindre rent end halit, der findes i mineralforekomster i Storbritannien, Frankrig, Tyskland, Kina og Rusland.

Saltvandaflejringer

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

Salt opnås fra havet i lavvandede bassiner kendt som saliner gennem solfordampning. Saltet opnået på denne måde kaldes bay salt eller havsalt..

Nedadgående celle

Natrium blev produceret ved den carbotermiske reduktion af natriumcarbonat udført ved 1.100 ° C. I øjeblikket produceres det ved elektrolyse af smeltet natriumchlorid ved hjælp af Downs-cellen.

Da smeltet natriumchlorid har et smeltepunkt på ~ 800 ° C, tilsættes imidlertid 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 er adskilt af et stålnet for at forhindre, at elektrolyseprodukterne kommer i kontakt: elementært natrium og klor..

Ved anoden (+) opstår følgende oxidationsreaktion:

2 Cl- (l) → Clto (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

Det er meget reaktivt i luft afhængigt af dets fugtighed. Reagerer for at danne en film af natriumhydroxid, som kan absorbere kuldioxid og til sidst danne natriumbicarbonat..

Det oxiderer i luft til dannelse af natriummonoxid (NatoELLER). Mens natriumsuperoxid (NaOto) fremstilles ved opvarmning af metallisk natrium til 300 ° C med ilt under højt tryk.

I flydende tilstand antænder den ved 125 ºC og frembringer en irriterende hvid røg, der kan forårsage hoste. På samme måde reagerer det kraftigt med vand for at producere natriumhydroxid og brintgas, hvilket forårsager reaktionens eksplosivitet. Denne reaktion er stærkt eksoterm..

Na + HtoO → NaOH + 1/2 Hto  (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 genererer det natriumsulfat.

Reduktioner

Na reducerer oxiderne fra overgangsmetalerne og producerer de tilsvarende metaller ved at frigive dem fra ilt. Ligeledes reagerer natrium med halogeniderne i overgangsmetallerne, hvilket får fortrængningen af ​​metallerne til at danne natriumchlorid og frigiver metallerne..

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

Med ammoniak

Natrium reagerer langsomt med flydende ammoniak ved lav temperatur for at danne sodamid (NaNHto) og hydrogen.

Na + NH3    → NaNHto     +       1/2 Hto

Flydende ammoniak fungerer som opløsningsmiddel til omsætning af natrium med forskellige metaller, herunder arsen, tellur, antimon og vismut..

Økologisk

Reagerer med alkoholer til dannelse af alkoholater eller alkoxider:

Na + ROH → RONa + 1/2 Hto

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

2 Na + 2 RCl → R-R + 2 NaCl

Octan kan produceres ved dehalogenering af butanbromid med natrium.

Med metaller

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

Ædle metaller 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 intenst med vand. Kontakt med humant væv overtrukket med vand kan derfor forårsage alvorlig skade. Producerer svære forbrændinger ved kontakt med hud og øjne.

Hvis det sluges, kan det også forårsage perforering af spiserøret og maven. Men selv om disse skader er alvorlige, er kun en lille del af befolkningen udsat for dem..

Den største skade, som natrium kan forårsage, skyldes det overdrevne indtag i mad eller drikkevarer, der er fremstillet af mennesker.

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

Men normalt indtages en meget større mængde natrium i kosten, hvilket producerer en stigning i plasma- og blodkoncentrationen af ​​den samme.

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

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

Ansøgninger

Metallisk natrium

Det bruges i metallurgi som et deoxiderings- og reduktionsmiddel til fremstilling af calcium, zirconium, titanium og andre metaller. For eksempel reducerer det titantetrachlorid (TiCl4) til fremstilling af metallisk titanium.

Smeltet natrium bruges som 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.

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

Natrium fungerer som et tørremiddel, der giver en blå farve i nærværelse af benzophenon, hvilket indikerer, at produktet i tørringsprocessen har nået den ønskede tørring.

Forbindelser

Chlorid

Det bruges til at krydre og opbevare mad. Elektrolysen af ​​natriumchlorid producerer natriumhypochlorit (NaOCl), der bruges til rengøring i hjemmet som klor. Derudover bruges det som en industriel blegemiddel til papir- og tekstilmasse eller til desinfektion af vand..

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

Carbonat og bicarbonat

Natriumcarbonat anvendes til fremstilling af briller, rengøringsmidler og rengøringsmidler. Natriumcarbonatmonohydrat anvendes i fotografering som en fremkalderkomponent.

Bagepulver er en kilde til kuldioxid. Af denne grund bruges det i bagepulver, i salte og brusende drikkevarer og også i tørkemiske ildslukkere. Det bruges også til garvning og forberedelse af uld.

Natriumbicarbonat er en alkalisk forbindelse, der anvendes til medicinsk behandling af gastrisk og urinhyppig syre.

Sulfat

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

Hydroxid

Almindeligvis kaldet kaustisk soda eller lud, det bruges til neutralisering af syrer i råraffinering. 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. Gendannet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  4. Ganong, W. F. (2003). Medical Physiology 19. udgave. Editorial The Modern Manual.
  5. Wikipedia. (2019). Natrium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
  6. Præsident og stipendiater for Harvard College. (2019). Salt og natrium. Gendannet fra: hsph.harvard.edu
  7. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (7. juni 2019). Natrium. Encyclopædia Britannica. Gendannet fra: britannica.com

Endnu ingen kommentarer