NATRIJ: ZGODOVINA, STRUKTURA, LASTNOSTI, TVEGANJA IN UPORABE - KEMIJA - 2025

Natrijev alkalijske kovine skupine 1 periodnega sistema. Njegova atomska številka je 11 in je predstavljena s kemijskim simbolom Na. Je lahka kovina, manj gosta od vode, srebrno bele barve, ki ob izpostavljenosti zraku postane siva; zato se hrani v parafinih ali žlahtnih plinih.

Poleg tega je to mehka kovina, ki jo lahko razrežemo z nožem in pri nizkih temperaturah postane krhka. Eksplozivno reagira z vodo, da tvori natrijev hidroksid in vodikov plin; Prav tako reagira z vlažnim zrakom in z vlago golih rok.

Kovinski natrij je shranjen v steklenici in potopljen v olje, da ne reagira z zrakom. Vir: Hi-Res slike kemičnih elementov

Ta kovina se nahaja v mineralih kamene soli, kot so halit (natrijev klorid), v slanici in v morju. Natrijev klorid predstavlja 80% vseh materialov, raztopljenih v morju, natrij pa v obilju 1,05%. Je šesti element v številčnosti v zemeljski skorji.

Analiza spektra svetlobe, ki prihaja od zvezd, je omogočila zaznavanje njihove prisotnosti v njih, vključno s Soncem. Prav tako je bila ugotovljena njihova prisotnost v meteoritih.

Natrij je dober toplotni in električni prevodnik, poleg tega pa ima veliko sposobnost absorpcije toplote. Doživlja fotoelektrični pojav, torej je sposoben oddajati elektrone, ko je osvetljen. Ko gori, njegov plamen oddaja močno rumeno svetlobo.

Staljeni natrij deluje kot sredstvo za prenos toplote, zato se v nekaterih jedrskih reaktorjih uporablja kot hladilno sredstvo. Uporablja se tudi kot kovinski deoksidizator in reduktor, zato se je uporabljal pri čiščenju prehodnih kovin, kot sta titan in cirkonij.

Natrij največ prispeva k osmolarnosti zunajceličnega predela in njegove prostornine. Prav tako je odgovoren za ustvarjanje akcijskih potencialov v vznemirljivih celicah in za začetek krčenja mišic.

Prekomerni vnos natrija lahko povzroči: srčno-žilne bolezni, povečano tveganje za kap, osteoporozo zaradi mobilizacije kostnega kalcija in poškodbe ledvic.

Zgodovina

Človek že od antičnih časov uporablja natrijeve spojine, zlasti natrijev klorid (običajna sol) in natrijev karbonat. O pomenu soli dokazuje uporaba latinske besede "salarium", ki označuje del soli, ki so ga vojaki prejeli v okviru plačila.

V srednjem veku so uporabljali natrijevo spojino z latinskim imenom "sodanum", kar je pomenilo glavobol.

Leta 1807 je sir Humprey Davy izoliral natrij z elektrolizo natrijevega hidroksida. Davy je izoliral tudi kalij, in sicer v času, ko sta bili natrijev hidroksid in kalijev hidroksid smatrani kot elementarni snovi in ​​imenovani fiksne alkalije.

Davy je v pismu prijatelju zapisal: "Razgradil sem in ponovno sestavil fiksne alkalije in odkril, da sta njuni bazi dve novi vnetljivi snovi, podobni kovinam; vendar je eden od njih bolj vnetljiv kot drugi in je zelo reaktiven ”.

Leta 1814 je Jöns Jakob v svojem sistemu kemijskih simbolov uporabil kratico Na za latinsko besedo natrium, da bi imenoval natrij. Ta beseda izvira iz egipčanskega imena natron, ki se je nanašalo na natrijev karbonat.

Struktura in elektronska konfiguracija natrija

Kovinski natrij kristalizira v kubično (bcc) strukturo v telesu. Zato so njegovi atomi Na nameščeni tako, da tvorijo kocke, pri čemer je ena nameščena v središču in vsaka z osmimi sosedi.

Za to strukturo je značilno, da je najmanj gosta od vseh, kar se strinja z nizko gostoto te kovine; tako nizka, da je skupaj z litijem in kalijem edina kovina, ki lahko plava v tekoči vodi (seveda preden eksplodira, seveda). K tej lastnosti prispeva tudi njegova nizka atomska masa glede na obsežen atomski polmer.

Vendar je nastala kovinska vez precej šibka, kar je mogoče razložiti iz elektronske konfiguracije:

3s ¹

Elektroni v zaprti lupini ne sodelujejo (vsaj pod normalnimi pogoji) v kovinski vezi; ampak elektron v orbiti 3s. Na atomi prekrivajo svoje 3s orbitale, da ustvarijo valenčni pas; in 3p, prazen, prevodni pas.

Zaradi 3-kratnega pasu, ki je napol poln, pa tudi zaradi majhne gostote kristala je sila, ki jo upravlja "morje elektronov", šibka. Posledično lahko kovinski natrij razrežemo s kovino in se topi le pri 98 ° C.

Fazni prehodi

Natrijev kristal se lahko spremeni v svoji strukturi, kadar se poviša tlak; medtem ko je pri segrevanju malo verjetno, da bo prišlo do faznih prehodov zaradi nizkega tališča.

Ko se začnejo fazni prehodi, se lastnosti kovine spremenijo. Na primer, prvi prehod ustvari kicno (fcc) strukturo, usmerjeno v obraz. Tako se pri stiskanju kovinskega natrija redka struktura bcc stisne v fcc.

To morda ne bo bistveno spremenilo lastnosti natrija, razen njegove gostote. Ko pa so tlaki zelo visoki, alotropi (ne polimorfni, ker so čista kovina) presenetljivo postanejo izolatorji in elektrode; to pomeni, da so celo elektroni v kristalu fiksirani kot anioni in ne krožijo prosto.

Poleg omenjenega se spremenijo tudi njihove barve; natrij preneha biti sivkast, da postane temen, rdečkast ali celo prozoren, ko se obratovalni pritiski dvigajo.

Oksidacijske številke

Glede na 3s valenčno orbitolo, ko natrij izgubi svoj edini elektron, se hitro pretvori v Na ⁺ kation , ki je izoelektronski do neona. Se pravi, da imata Na ⁺ in Ne isto število elektronov. Če predpostavljamo prisotnost Na ⁺ v spojini, potem naj bi bilo njeno oksidacijsko število +1.

Ker če se zgodi obratno, to je, da natrij pridobi elektron, je njegova konfiguracija elektronov 3s ² ; Zdaj je isoelectronic z magnezijem, pri čemer je Na anionsko ^- imenuje natrij. Če predpostavljamo prisotnost Na ^- v spojini, bo natrij oksidacijsko število -1.

Lastnosti

Etilna raztopina natrijevega klorida, ki kaže značilno rumeno barvo plamena za to kovino. Vir: Der Messer

Fizični opis

Mehka, nodularna, lahka kovina.

Atomska teža

22.989 g / mol.

Barva

Natrij je lahka srebrna kovina. Sijoč, ko je sveže rezan, ob stiku z zrakom pa izgubi sijaj in postane moten. Mehko pri temperaturi, vendar precej trdo pri -20 ºC.

Vrelišče

880 ° C.

Tališče

97,82 ºC (skoraj 98 ºC).

Gostota

Pri sobni temperaturi: 0,968 g / cm ³ .

V tekočem stanju (tališče): 0,927 g / cm ³ .

Topnost

Netopen v benzenu, kerozinu in nafti. Raztopi se v tekočem amoniaku, kar daje raztopino modre barve. Raztopi se v živem srebru in tvori amalgam.

Parni tlak

Temperatura 802 K: 1 kPa; to pomeni, da je njegov parni tlak občutno nizek tudi pri visokih temperaturah.

Razgradnja

V vodi se razgradi silovito, tvori natrijev hidroksid in vodik.

Temperatura samodejnega vžiga

120-125 ° C.

Viskoznost

0,680 cP pri 100 ° C

Površinska napetost

192 din / cm pri tališču.

Lomni količnik

4.22.

Elektronegativnost

0,93 po Paulingovi lestvici.

Ionizacijska energija

Prva ionizacija: 495,8 kJ / mol.

Druga ionizacija: 4,562 kJ / mol.

Tretja ionizacija: 6,910,3 kJ / mol.

Atomski radio

186 popoldne.

Kovalentni polmer

166 ± 21.00.

Toplotno raztezanje

71 µm (m · K) pri 26 ° C.

Toplotna prevodnost

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

Električni upor

4,77 × 10 ^-8 Ωm pri 293 K.

Nomenklatura

Ker ima natrij enotno oksidacijsko številko +1, so imena njegovih spojin, ki jih ureja nomenklatura zalog, poenostavljena, saj ta številka ni navedena v oklepajih in z rimskimi številkami.

Na enak način se njihova imena po tradicionalni nomenklaturi končajo s pripono -ico.

NaCl je na primer natrijev klorid v skladu z nomenklaturo zalog, saj je natrijev klorid (I) napačen. Po sistematski nomenklaturi se imenuje tudi natrijev monoklorid; in natrijev klorid, v skladu s tradicionalno nomenklaturo. Vendar je njegovo najpogostejše ime namizna sol.

Biološka vloga

Osmotska komponenta

Natrij ima zunajcelično koncentracijo 140 mmol / L v ionski obliki (Na ⁺ ). Za vzdrževanje elektro-nevtralnosti zunajceličnega predela Na ⁺ spremljajo kloridni (Cl ^- ) in bikarbonatni (HCO ₃ ^- ) anioni s koncentracijo 105 mmol / L oziroma 25 mmol / L.

Kation Na ⁺ je glavna osmotska komponenta in največ prispeva k osmolarnosti zunajceličnega predela, tako da obstaja enakost osmolarnosti med zunajceličnim in medceličnim oddelkom, ki zagotavlja celovitost medceličnega oddelka.

Po drugi strani je znotrajcelična koncentracija Na ⁺ 15 mmol / L. Torej: Zakaj ekstra in znotrajcelične koncentracije Na ⁺ niso izenačene ?

Razloga, da se to ne zgodi, sta dva: a) plazemska membrana je slabo prepustna za Na ⁺ . b) obstoj črpalke Na ⁺ -K ⁺ .

Črpalka je encimski sistem v plazemski membrani, ki porabi energijo iz ATP za odstranjevanje treh atomov Na ⁺ in uvajanje dveh atomov K ⁺ .

Poleg tega obstaja nabor hormonov, vključno z aldosteronom, ki s spodbujanjem reabsorpcije ledvic v sodu zagotavlja vzdrževanje zunajcelične koncentracije natrija v ustrezni vrednosti. Antidiuretični hormon pomaga vzdrževati zunajcelični volumen.

Proizvodnja akcijskih potencialov

Razburljive celice (nevroni in mišične celice) so tiste, ki se odzovejo na ustrezen dražljaj s tvorbo akcijskega potenciala ali živčnega impulza. Te celice vzdržujejo napetostno razliko v plazemski membrani.

Notranjost celice je v stanju počitka negativno napolnjena glede na zunanjost celice. Ob določenem dražljaju se poveča prepustnost membrane za Na ⁺ in majhna količina Na ⁺ ionov vstopi v celico , zaradi česar se notranjost celice pozitivno napolni.

To je tisto, kar je znano kot akcijski potencial, ki se lahko širi po nevronu in je način, kako informacije potujejo po njem.

Ko akcijski potencial doseže mišične celice, jih spodbudi, da se krčijo prek bolj ali manj zapletenih mehanizmov.

Če povzamemo, natrij je odgovoren za proizvodnjo akcijskih potencialov v vzdražnih celicah in za začetek krčenja mišičnih celic.

Kje je

Zemeljska skorja

Natrij je sedmi najpogostejši element v zemeljski skorji, ki ga predstavlja 2,8%. Natrijev klorid je del minerala halite, ki predstavlja 80% raztopljenih snovi v morju. Vsebnost natrija v morju je 1,05%.

Natrij je zelo reaktiven element, zato ga ne najdemo v svoji naravni ali elementarni obliki. Najdemo ga v topnih mineralih, kot so halit ali netopni minerali, kot je kriolit (natrijev aluminijev fluorid).

Morje in mineralni halit

Poleg morja na splošno je za Mrtvo morje značilna zelo visoka koncentracija različnih soli in mineralov, zlasti natrijevega klorida. Veliko slano jezero v ZDA ima tudi visoko koncentracijo natrija.

Natrijev klorid je skoraj čist v mineralnem halitu, ki je prisoten v morju in kamnitih strukturah. Kamnita ali mineralna sol je manj čista od halita, ki jo najdemo v nahajališčih mineralov v Veliki Britaniji, Franciji, Nemčiji, na Kitajskem in v Rusiji.

Depoziti soli

Sol se iz svojih skalnih nahajališč pridobiva z drobljenjem kamnin, čemur sledi postopek čiščenja soli. V drugih časih se v posode za sol vnese voda, da se raztopi in nastane slanica, ki jo nato izčrpajo na površino.

Sol se pridobiva iz morja v plitvih bazenih, znanih kot salinas, s sončnim izhlapevanjem. Tako dobljena sol se imenuje lovorjeva sol ali morska sol.

Downs celica

Natrij je bil ustvarjen s karbotermično redukcijo natrijevega karbonata pri 1.100 ° C. Trenutno se proizvaja z elektrolizo staljenega natrijevega klorida s pomočjo Downsove celice.

Ker pa ima staljeni natrijev klorid tališče ~ 800 ° C, dodamo kalcijev klorid ali natrijev karbonat za znižanje tališča na 600 ° C.

V Downsovi komori je katoda izdelana iz železa v okrogli obliki, okoli ogljikove anode. Produkte elektrolize ločimo z jekleno mrežico, da preprečimo stik produktov elektrolize: elementarnega natrija in klora.

Na anodi (+) pride do naslednje oksidacijske reakcije:

2 Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2 e ^-

Medtem pri katodi (-) pride do naslednje redukcijske reakcije:

2 Na ⁺ (l) + 2 e ^- → 2 Na (l)

Reakcije

Nastajanje oksidov in hidroksida

Na zraku je zelo reaktiven, odvisno od njegove vlažnosti. Reagira in tvori film natrijevega hidroksida, ki lahko absorbira ogljikov dioksid in na koncu tvori natrijev bikarbonat.

To oksidira na zraku, da nastane natrijev monoksida (Na ₂ O). Medtem ko natrijev superoksid (NaO ₂ ) pripravimo s segrevanjem kovinskega natrija na 300 ° C s kisikom pri visokem tlaku.

V tekočem stanju se vžge pri 125 ° C in ustvari dražljiv beli dim, ki lahko povzroči kašelj. Prav tako močno reagira z vodo, da ustvari natrijev hidroksid in vodikov plin, kar povzroči, da reakcija eksplodira. Ta reakcija je močno eksotermična.

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

S halogeniranimi kislinami

Halogenirane kisline, kot je klorovodikova kislina, reagirajo z natrijem in tvorijo ustrezne halogenide. Medtem njegova reakcija z dušikovo kislino ustvarja natrijev nitrat; in z žveplovo kislino ustvarja natrijev sulfat.

Znižanja

Na zmanjšuje okside prehodnih kovin, pri čemer proizvaja ustrezne kovine, tako da jih osvobodi iz kisika. Natrij reagira tudi s halogenidi prehodnih kovin, kar povzroči premestitev kovin v tvorbo natrijevega klorida in sproščanje kovin.

Ta reakcija je služila pridobivanju prehodnih kovin, vključno s titanom in tantalom.

Z amoniakom

Natrij reagira s tekočim amonijakom pri nizki temperaturi in počasi tvori sodamid (NaNH ₂ ) in vodik.

Na + NH ₃ → NaNH ₂ + 1/2 H ₂

Tekoči amoniak služi kot topilo za reakcijo natrija z različnimi kovinami, vključno z arzenom, telurjem, antimonom in bizmutom.

Ekološko

Reagira z alkoholi, da proizvaja alkohole ali alkokside:

Na + ROH → RONa + 1/2 H ₂

Proizvaja dehalogenizacijo organskih spojin, kar povzroči podvojitev števila ogljikovih spojin:

2 Na + 2 RCl → RR + 2 NaCl

Oktan lahko dobimo z dehalogenizacijo butan bromida z natrijem.

S kovinami

Natrij lahko reagira z drugimi alkalnimi kovinami in tvori evtektiko: zlitino, ki tvori pri nižjih temperaturah kot njene sestavine; na primer NaK, ki ima K odstotek 78%. Tudi natrij tvori zlitine z berilijem z majhnim odstotkom prejšnjega.

Plemenite kovine, kot so zlato, srebro, platina, paladij in iridij, kot tudi bele kovine, kot so svinec, kositer in antimona, tvorijo zlitine s tekočim natrijem.

Tveganja

To je kovina, ki močno reagira z vodo. Zato lahko stik s človeškimi tkivi, prevlečenimi z vodo, povzroči hudo škodo. Pri stiku s kožo in očmi povzroči hude opekline.

Prav tako lahko z zaužitjem povzroči perforacijo požiralnika in želodca. Kljub temu, da so te poškodbe resne, jim je izpostavljen le majhen del populacije.

Največja škoda, ki jo lahko povzroči natrij, je zaradi njegovega čezmernega vnosa v hrano ali pijače, ki jih pripravijo ljudje.

Človeško telo potrebuje vnos natrija v odmerku 500 mg / dan, da izpolni svojo funkcijo pri prevodnosti živcev, pa tudi pri krčenju mišic.

Toda ponavadi se v prehrani zaužije veliko večja količina natrija, kar povzroči zvišanje plazemske koncentracije in koncentracije v krvi.

To lahko povzroči visok krvni tlak, srčno-žilne bolezni in možganske kapi.

Hipernatremija je povezana tudi z nastajanjem osteoporoze z indukcijo odliva kalcija iz kostnega tkiva. Ledvice imajo težave pri ohranjanju normalne koncentracije natrija v plazmi kljub pretiranemu vnosu, kar lahko privede do okvare ledvic.

Prijave

Kovinski natrij

Uporablja se v metalurgiji kot deoksidacijsko in redukcijsko sredstvo pri pripravi kalcija, cirkonija, titana in drugih kovin. Na primer, zmanjšuje titanov tetraklorid (TiCl ₄ ), da ustvari kovinski titan.

Staljeni natrij se uporablja kot sredstvo za prenos toplote, zato se v nekaterih jedrskih reaktorjih uporablja kot hladilno sredstvo.

Uporablja se kot surovina pri izdelavi natrijevega lavril sulfata, glavne sestavine sintetičnega detergenta. Sodeluje tudi pri proizvodnji polimerov, kot so najlon in spojin, kot sta cianid in natrijev peroksid. Tudi pri proizvodnji barvil in sinteti parfumov.

Natrij se uporablja pri čiščenju ogljikovodikov in pri polimerizaciji netopnih ogljikovodikov. Uporablja se tudi pri številnih organskih redukcijah. Raztopljen v tekočem amoniaku se uporablja za zmanjšanje alkinov do transalkena.

Natrijeve žarnice so vgrajene za javno razsvetljavo v mestih. Te dajejo rumeno barvo, podobno tisti, ki je opažena, ko natrij gori v vžigalnicah.

Natrij deluje kot sušilno sredstvo, ki ob prisotnosti benzofenona zagotavlja modri odtenek, kar kaže, da je izdelek v procesu sušenja dosegel želeno sušenje.

Spojine

Klorid

Uporablja se za začinjanje in konzerviranje hrane. Elektroliza natrijevega klorida ustvari natrijev hipoklorit (NaOCl), ki se uporablja pri čiščenju gospodinjstev kot klor. Poleg tega se uporablja kot industrijsko belilo za papirno in tekstilno kašo ali za dezinfekcijo vode.

Natrijev hipoklorit se v nekaterih zdravilih uporablja kot antiseptik in fungicid.

Karbonat in sodo bikarbono

Natrijev karbonat se uporablja pri izdelavi kozarcev, detergentov in čistil. Natrijev karbonat monohidrat se v fotografiji uporablja kot komponenta razvijalca.

Soda bikarbona je vir ogljikovega dioksida. Zaradi tega se uporablja v pecilnih praških, v soli in šumečih pijačah, pa tudi v suhih kemičnih gasilnih aparatih. Uporablja se tudi pri strojenju in pripravi volne.

Soda bikarbona je alkalna spojina, ki se uporablja pri medicinskem zdravljenju hiperidnosti želodca in sečil.

Sulfat

Uporablja se pri izdelavi kraft papirja, kartona, stekla in detergentov. Natrijev tiosulfat se uporablja v fotografiji za popravljanje negativnosti in razvitih odtisov.

Hidroksid

Običajno ga imenujemo kavstična soda ali lug, uporablja pa se pri nevtralizaciji kislin pri rafiniranju nafte. Pri izdelavi mila reagira z maščobnimi kislinami. Poleg tega se uporablja pri zdravljenju celuloze.

Nitrati

Uporablja se kot gnojilo, ki zagotavlja dušik, saj je sestavina dinamita.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Natrij. (2019). Natrij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Natrij. Baza podatkov PubChem. CID = 5360545. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ganong, WF (2003). Medicinska fiziologija 19. izdaja. Uredništvo El Manual Moderno.
5. Wikipedija. (2019). Natrij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
6. Predsednik in sodelavci Harvard Collegea. (2019). Sol in natrij. Pridobljeno: hsph.harvard.edu
7. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (7. junij 2019). Natrij. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com