SODIO: STORIA, STRUTTURA, PROPRIETÀ, RISCHI E USI - CHIMICA - 2024

Il sodio è un metallo alcalino del gruppo 1 della tavola periodica. Il suo numero atomico è 11 ed è rappresentato dal simbolo chimico Na. È un metallo leggero, meno denso dell'acqua, di colore bianco-argento che diventa grigio se esposto all'aria; ecco perché è immagazzinato in paraffine o gas nobili.

Inoltre, è un metallo morbido che può essere tagliato con un coltello e diventa fragile a basse temperature. Reagisce in modo esplosivo con l'acqua formando idrossido di sodio e idrogeno gassoso; Reagisce anche con l'aria umida e con l'umidità delle mani nude.

Sodio metallico conservato in una bottiglia e immerso nell'olio in modo che non reagisca con l'aria. Fonte: immagini ad alta risoluzione di elementi chimici

Questo metallo si trova nei minerali di salgemma come l'alite (cloruro di sodio), nelle salamoie e nel mare. Il cloruro di sodio rappresenta l'80% di tutti i materiali disciolti in mare, il sodio ha un'abbondanza dell'1,05%. È il sesto elemento in abbondanza nella crosta terrestre.

L'analisi degli spettri della luce proveniente dalle stelle ha permesso di rilevarne la presenza in esse, compreso il Sole. Allo stesso modo è stata determinata la loro presenza nei meteoriti.

Il sodio è un buon conduttore termico ed elettrico, oltre ad avere una grande capacità di assorbimento del calore. Sperimenta il fenomeno fotoelettrico, cioè è in grado di emettere elettroni quando è illuminato. Quando viene bruciato, la sua fiamma emette una luce gialla intensa.

Il sodio fuso agisce come un agente di trasferimento del calore, motivo per cui viene utilizzato come refrigerante in alcuni reattori nucleari. Viene anche utilizzato come disossidante e riduttore di metalli, motivo per cui è stato utilizzato nella purificazione dei metalli di transizione, come il titanio e lo zirconio.

Il sodio è il principale contributore all'osmolarità del compartimento extracellulare e al suo volume. Allo stesso modo, è responsabile della generazione di potenziali d'azione nelle cellule eccitabili e dell'inizio della contrazione muscolare.

Un eccessivo apporto di sodio può causare: malattie cardiovascolari, aumento del rischio di ictus, osteoporosi dovuta alla mobilizzazione del calcio osseo e danni ai reni.

Storia

L'uomo ha utilizzato i composti del sodio fin dai tempi antichi, in particolare il cloruro di sodio (sale comune) e il carbonato di sodio. L'importanza del sale è testimoniata dall'uso della parola latina "salarium" per indicare una porzione di sale che i soldati ricevevano come parte del pagamento.

Nel Medioevo, un composto di sodio veniva usato con il nome latino "sodanum", che significava mal di testa.

Nel 1807 Sir Humprey Davy isolò il sodio mediante elettrolisi dell'idrossido di sodio. Davy isolò anche il potassio, in un momento in cui l'idrossido di sodio e l'idrossido di potassio erano considerati sostanze elementari e chiamati alcali fissi.

Davy in una lettera ad un amico, ha scritto: “Ho decomposto e ricomposto gli alcali fissi e ho scoperto che le loro basi erano due nuove sostanze molto infiammabili simili ai metalli; ma uno di loro è più infiammabile dell'altro e molto reattivo ”.

Nel 1814, Jöns Jakob nel suo Sistema di simboli chimici usò l'abbreviazione Na per la parola latina "natrium", per nominare il sodio. Questa parola deriva dal nome egiziano "natron" usato per riferirsi al carbonato di sodio.

Struttura e configurazione elettronica del sodio

Il sodio metallico cristallizza in una struttura cubica centrata sul corpo (bcc). Pertanto, i suoi atomi di Na sono posizionati in modo da formare cubi, uno situato al centro e ciascuno con otto vicini.

Questa struttura si caratterizza per essere la meno densa di tutte, il che concorda con la bassa densità di questo metallo; talmente basso da essere insieme al litio e al potassio, gli unici metalli che possono galleggiare nell'acqua liquida (prima di esplodere, ovviamente). Anche la sua bassa massa atomica, relativa al suo voluminoso raggio atomico, contribuisce a questa proprietà.

Il legame metallico risultante, tuttavia, è piuttosto debole e può essere spiegato dalla configurazione elettronica:

3s ¹

Gli elettroni nel guscio chiuso non partecipano (almeno in condizioni normali) al legame metallico; ma l'elettrone nell'orbitale 3s. Gli atomi di Na si sovrappongono ai loro orbitali 3 per creare una banda di valenza; e il 3p, vuoto, una banda di conduzione.

Questa banda di 3, essendo mezza piena, oltre che per la bassa densità del cristallo, rende debole la forza governata dal "mare di elettroni". Di conseguenza, il sodio metallico può essere tagliato con un metallo e fonde solo a 98 ° C.

Transizioni di fase

Il cristallo di sodio può subire cambiamenti nella sua struttura quando subisce aumenti di pressione; mentre quando riscaldato, è improbabile che subisca transizioni di fase a causa del suo basso punto di fusione.

Quando iniziano le transizioni di fase, le proprietà del metallo cambiano. Ad esempio, la prima transizione genera una struttura cubica centrata sulla faccia (fcc). Pertanto, la struttura sparsa bcc viene compattata in fcc premendo il sodio metallico.

Ciò potrebbe non produrre un cambiamento apprezzabile nelle proprietà del sodio se non nella sua densità. Tuttavia, quando le pressioni sono molto elevate, gli allotropi (non polimorfi poiché sono un metallo puro) diventano sorprendentemente isolanti ed elettruri; cioè, anche gli elettroni sono fissati nel cristallo come anioni e non circolano liberamente.

Oltre a quanto detto sopra, cambiano anche i loro colori; il sodio smette di essere grigiastro per diventare scuro, rossastro o addirittura trasparente, man mano che le pressioni di esercizio aumentano.

Numeri di ossidazione

Dato l'orbitale di valenza 3s, quando il sodio perde il suo unico elettrone, si trasforma rapidamente nel catione Na ⁺ , che è isoelettronico al neon. Cioè, sia Na ⁺ che Ne hanno lo stesso numero di elettroni. Se si presume la presenza di Na ⁺ nel composto, si dice che il suo numero di ossidazione sia +1.

Mentre se accade il contrario, cioè se il sodio guadagna un elettrone, la sua configurazione elettronica risultante è 3s ² ; ora è isoelettronico con il magnesio, essendo l'anione Na ^- chiamato sodio. Se si presume la presenza di Na ^- nel composto, il sodio avrà un numero di ossidazione di -1.

Proprietà

Una soluzione etilica di cloruro di sodio che brucia per manifestare il caratteristico colore giallo della fiamma per questo metallo. Fonte: Der Messer

Descrizione fisica

Metallo leggero morbido, duttile, malleabile.

Peso atomico

22,989 g / mol.

Colore

Il sodio è un metallo argenteo chiaro. Brillante al taglio fresco, perde lucentezza quando viene messo a contatto con l'aria, diventando opaco. Morbido a temperatura, ma abbastanza duro a -20 ºC.

Punto di ebollizione

880 ° C.

Punto di fusione

97,82 ºC (quasi 98 ºC).

Densità

A temperatura ambiente: 0,968 g / cm ³ .

Allo stato liquido (punto di fusione): 0,927 g / cm ³ .

solubilità

Insolubile in benzene, cherosene e nafta. Si dissolve in ammoniaca liquida, dando una soluzione di colore blu. Si dissolve nel mercurio formando un amalgama.

Pressione del vapore

Temperatura 802 K: 1 kPa; cioè la sua tensione di vapore è notevolmente bassa anche ad alte temperature.

Decomposizione

Si decompone violentemente in acqua, formando idrossido di sodio e idrogeno.

Temperatura di autoaccensione

120-125 ° C.

Viscosità

0,680 cP a 100 ° C

Tensione superficiale

192 dine / cm al punto di fusione.

Indice di rifrazione

4.22.

elettronegatività

0,93 della scala Pauling.

Energia ionizzata

Prima ionizzazione: 495,8 kJ / mol.

Seconda ionizzazione: 4.562 kJ / mol.

Terza ionizzazione: 6.910,3 kJ / mol.

Radio atomica

186 pm.

Raggio covalente

166 ± 9 pm.

Dilatazione termica

71 µm (m · K) a 26 ° C.

Conduttività termica

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

Resistività elettrica

4,77 × ^10-8 Ωm a 293 K.

Nomenclatura

Poiché il sodio ha un numero di ossidazione univoco di +1, i nomi dei suoi composti, regolati dalla nomenclatura di riserva, sono semplificati poiché questo numero non è specificato tra parentesi e con numeri romani.

Allo stesso modo, i loro nomi secondo la nomenclatura tradizionale terminano tutti con il suffisso -ico.

Ad esempio, NaCl è cloruro di sodio secondo la nomenclatura stock, essendo il cloruro di sodio (I) errato. È anche chiamato monocloruro di sodio, secondo la nomenclatura sistematica; e cloruro di sodio, secondo la nomenclatura tradizionale. Tuttavia, il suo nome più comune è il sale da cucina.

Ruolo biologico

Componente osmotica

Il sodio ha una concentrazione extracellulare di 140 mmol / L, essendo in forma ionica (Na ⁺ ). Per mantenere l'elettroneutralità del compartimento extracellulare, Na ⁺ è accompagnato da anioni cloruro (Cl ^- ) e bicarbonato (HCO ₃ ^- ), con concentrazioni rispettivamente di 105 mmol / L e 25 mmol / L.

Il catione Na ⁺ è il principale componente osmotico e ha il maggior contributo all'osmolarità del compartimento extracellulare, tale che vi è un'uguaglianza di osmolarità tra i comparti extracellulare e intracellulare che garantisce l'integrità del compartimento intracellulare.

D'altra parte, la concentrazione intracellulare di Na ⁺ è di 15 mmol / L. Quindi: perché le concentrazioni di Na ⁺ extra e intracellulare non sono equalizzate ?

Ci sono due ragioni per cui ciò non si verifica: a) la membrana plasmatica è scarsamente permeabile a Na ⁺ . b) l'esistenza della pompa Na ⁺ -K ⁺ .

La pompa è un sistema enzimatico nella membrana plasmatica che utilizza l'energia contenuta nell'ATP per rimuovere tre atomi di Na ⁺ e introdurre due atomi di K ⁺ .

Inoltre, è presente una serie di ormoni, tra cui l'aldosterone, che, favorendo il riassorbimento renale del sodio, garantisce il mantenimento della concentrazione di sodio extracellulare al valore corretto. L'ormone antidiuretico aiuta a mantenere il volume extracellulare.

Produzione di potenziali d'azione

Le cellule eccitabili (neuroni e cellule muscolari) sono quelle che rispondono a uno stimolo appropriato con la formazione di un potenziale d'azione o impulso nervoso. Queste cellule mantengono una differenza di voltaggio attraverso la membrana plasmatica.

L'interno della cella è caricato negativamente rispetto all'esterno della cella in condizioni di riposo. Dato un certo stimolo, c'è un aumento della permeabilità della membrana a Na ⁺ e una piccola quantità di ioni Na ⁺ entra nella cellula , causando una carica positiva dell'interno della cellula.

Questo è ciò che è noto come potenziale d'azione, che può diffondersi in un neurone ed è il modo in cui le informazioni viaggiano attraverso di esso.

Quando il potenziale d'azione raggiunge le cellule muscolari, le stimola a contrarsi attraverso meccanismi più o meno complessi.

In sintesi, il sodio è responsabile della produzione di potenziali d'azione nelle cellule eccitabili e dell'inizio della contrazione delle cellule muscolari.

Dove si trova

crosta terrestre

Il sodio è il settimo elemento più abbondante nella crosta terrestre, rappresentandone il 2,8%. Il cloruro di sodio fa parte del minerale alite, che rappresenta l'80% dei materiali disciolti nel mare. Il contenuto di sodio del mare è dell'1,05%.

Il sodio è un elemento molto reattivo, motivo per cui non si trova nella sua forma nativa o elementare. Si trova in minerali solubili come l'alite o minerali insolubili come la criolite (un fluoruro di sodio e alluminio).

Il mare e il minerale halite

Oltre al mare in generale, il Mar Morto è caratterizzato da un'altissima concentrazione di diversi sali e minerali, soprattutto cloruro di sodio. Anche il Great Salt Lake negli Stati Uniti ha un'alta concentrazione di sodio.

Il cloruro di sodio si trova quasi puro nella alite minerale, presente nel mare e nelle strutture rocciose. Il sale di roccia o minerale è meno puro dell'alite, che si trova nei depositi di minerali in Gran Bretagna, Francia, Germania, Cina e Russia.

Depositi salini

Il sale viene estratto dai suoi depositi rocciosi per frammentazione delle rocce, seguito da un processo di purificazione del sale. Altre volte, l'acqua viene introdotta nelle vasche del sale per dissolverla e formare una salamoia, che viene quindi pompata in superficie.

Il sale si ottiene dal mare in bacini poco profondi detti salinas, mediante evaporazione solare. Il sale così ottenuto si chiama sale di alloro o sale marino.

Cella dei bassi

Il sodio è stato prodotto dalla riduzione carbotermica del carbonato di sodio effettuata a 1.100ºC. Attualmente è prodotto dall'elettrolisi del cloruro di sodio fuso, utilizzando la cella Downs.

Tuttavia, poiché il cloruro di sodio fuso ha un punto di fusione di ~ 800 ° C, viene aggiunto cloruro di calcio o carbonato di sodio per abbassare il punto di fusione a 600 ° C.

Nella camera di Down il catodo è di ferro di forma circolare, attorno ad un anodo di carbonio. I prodotti di elettrolisi sono separati da una rete d'acciaio per evitare che i prodotti di elettrolisi entrino in contatto: sodio elementare e cloro.

All'anodo (+) si verifica la seguente reazione di ossidazione:

2 Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2 e ^-

Nel frattempo, al catodo (-) si verifica la seguente reazione di riduzione:

2 Na ⁺ (l) + 2 e ^- → 2 Na (l)

Reazioni

Formazione di ossidi e idrossido

È molto reattivo all'aria a seconda della sua umidità. Reagisce per formare un film di idrossido di sodio, che può assorbire anidride carbonica e formare infine bicarbonato di sodio.

Si ossida nell'aria per formare monossido di sodio (Na ₂ O). Mentre il superossido di sodio (NaO ₂ ) viene preparato riscaldando il sodio metallico a 300 ºC con ossigeno ad alta pressione.

Allo stato liquido si accende a 125ºC producendo un fumo bianco irritante, capace di provocare tosse. Inoltre reagisce vigorosamente con l'acqua per produrre idrossido di sodio e gas idrogeno, provocando l'esplosione della reazione. Questa reazione è fortemente esotermica.

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

Con acidi alogenati

Gli acidi alogenati, come l'acido cloridrico, reagiscono con il sodio per formare gli alogenuri corrispondenti. Nel frattempo, la sua reazione con l'acido nitrico genera nitrato di sodio; e con acido solforico genera solfato di sodio.

Riduzioni

Na riduce gli ossidi dei metalli di transizione, producendo i metalli corrispondenti liberandoli dall'ossigeno. Inoltre, il sodio reagisce con gli alogenuri dei metalli di transizione, provocando lo spostamento dei metalli per formare cloruro di sodio e rilasciando i metalli.

Questa reazione è servita per ottenere metalli di transizione, inclusi titanio e tantalio.

Con ammoniaca

Il sodio reagisce con l'ammoniaca liquida a bassa temperatura e lentamente per formare sodamide (NaNH ₂ ) e idrogeno.

Na + NH ₃ → NaNH ₂ + 1/2 H ₂

L'ammoniaca liquida funge da solvente per la reazione del sodio con vari metalli, tra cui arsenico, tellurio, antimonio e bismuto.

Organico

Reagisce con gli alcoli per produrre alcolati o alcossidi:

Na + ROH → RONa + 1/2 H ₂

Produce la dealogenazione dei composti organici, provocando un raddoppio del numero di atomi di carbonio del composto:

2 Na + 2 RCl → RR + 2 NaCl

L'ottano può essere prodotto dalla dealogenazione del bromuro di butano con sodio.

Con i metalli

Il sodio può reagire con altri metalli alcalini per formare un eutettico: una lega che si forma a temperature inferiori rispetto ai suoi componenti; per esempio, NaK che ha una percentuale K del 78%. Anche il sodio forma leghe con il berillio con una piccola percentuale del primo.

Metalli preziosi come oro, argento, platino, palladio e iridio, così come metalli bianchi come piombo, stagno e antimonio, formano leghe con sodio liquido.

rischi

È un metallo che reagisce fortemente con l'acqua. Pertanto, a contatto con tessuti umani rivestiti con acqua può causare gravi danni. Produce gravi ustioni a contatto con la pelle e gli occhi.

Allo stesso modo, per ingestione può causare perforazione dell'esofago e dello stomaco. Tuttavia, sebbene queste lesioni siano gravi, solo una piccola parte della popolazione ne è esposta.

Il danno maggiore che il sodio può causare è dovuto al suo eccessivo apporto di cibi o bevande preparati dalle persone.

Il corpo umano richiede un apporto di sodio di 500 mg / giorno, per svolgere la sua funzione nella conduzione nervosa, così come nella contrazione muscolare.

Ma di solito una quantità molto maggiore di sodio viene ingerita nella dieta, il che produce un aumento della sua concentrazione nel plasma e nel sangue.

Ciò può causare ipertensione, malattie cardiovascolari e ictus.

L'ipernatriemia è anche associata alla generazione di osteoporosi inducendo un deflusso di calcio dal tessuto osseo. I reni hanno difficoltà a mantenere una normale concentrazione plasmatica di sodio nonostante un'assunzione eccessiva, che può portare a danni ai reni.

applicazioni

Sodio metallico

È utilizzato in metallurgia come agente disossidante e riducente nella preparazione di calcio, zirconio, titanio e altri metalli. Ad esempio, riduce il tetracloruro di titanio (TiCl ₄ ) per produrre titanio metallico.

Il sodio fuso viene utilizzato come agente di trasferimento del calore, motivo per cui viene utilizzato come refrigerante in alcuni reattori nucleari.

È utilizzato come materia prima nella produzione di sodio lauril solfato, l'ingrediente principale dei detergenti sintetici. È anche coinvolta nella produzione di polimeri come il nylon e composti come il cianuro e il perossido di sodio. Anche nella produzione di coloranti e sintesi di profumi.

Il sodio è utilizzato nella purificazione degli idrocarburi e nella polimerizzazione degli idrocarburi insolubili. Viene anche utilizzato in molte riduzioni organiche. Dissolto in ammoniaca liquida viene utilizzato per ridurre gli alchini a transalchene.

Le lampade ai vapori di sodio sono costruite per l'illuminazione pubblica nelle città. Questi forniscono un colore giallo, simile a quello osservato quando il sodio viene bruciato negli accendini.

Il sodio agisce come un essiccante che fornisce una tinta blu in presenza di benzofenone, indicando che il prodotto nel processo di essiccazione ha raggiunto l'essiccazione desiderata.

Composti

Cloruro

Si usa per condire e conservare gli alimenti. L'elettrolisi del cloruro di sodio produce ipoclorito di sodio (NaOCl), utilizzato nelle pulizie domestiche come cloro. Inoltre, è usato come candeggina industriale per la pasta di carta e tessile o nella disinfezione dell'acqua.

L'ipoclorito di sodio è utilizzato in alcune preparazioni medicinali come antisettico e fungicida.

Carbonato e bicarbonato

Il carbonato di sodio viene utilizzato nella produzione di bicchieri, detergenti e detergenti. Il carbonato di sodio monoidrato viene utilizzato in fotografia come componente di sviluppo.

Il bicarbonato di sodio è una fonte di anidride carbonica. Per questo viene utilizzato nei lieviti in polvere, nei sali e nelle bevande effervescenti e anche negli estintori chimici a secco. Viene anche utilizzato nel processo di concia e preparazione della lana.

Il bicarbonato di sodio è un composto alcalino, utilizzato nel trattamento medicinale dell'iperacidità gastrica e urinaria.

Solfato

Viene utilizzato nella produzione di carta kraft, cartone, vetro e detergenti. Il tiosolfato di sodio viene utilizzato in fotografia per correggere negativi e stampe sviluppate.

Idrossido

Comunemente chiamata soda caustica o liscivia, viene utilizzata nella neutralizzazione degli acidi nella raffinazione del petrolio. Reagisce con gli acidi grassi nella produzione di sapone. Inoltre, viene utilizzato nel trattamento della cellulosa.

Nitrato

È usato come fertilizzante che fornisce azoto, essendo un componente della dinamite.

Riferimenti

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimica inorganica. (Quarta edizione). Mc Graw Hill.
2. Sodio. (2019). Sodio. Estratto da: en.wikipedia.org
3. Centro nazionale per le informazioni sulla biotecnologia. (2019). Sodio. Database PubChem. CID = 5360545. Estratto da: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ganong, WF (2003). Fisiologia medica 19a edizione. Editoriale El Manual Moderno.
5. Wikipedia. (2019). Sodio. Estratto da: en.wikipedia.org
6. Il presidente e i compagni dell'Harvard College. (2019). Sale e sodio. Recupero da: hsph.harvard.edu
7. The Editors of Encyclopaedia Britannica. (07 giugno 2019). Sodio. Encyclopædia Britannica. Estratto da: britannica.com