Natrium
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Natrium (von ägypt. netjerj ?Natron? aus arab. natrun ?Natron?, da Natrium den Hauptbestandteil von Natron bildet, veraltete und englisch-französische Bezeichnung Sodium (von Soda)), chem. Symbol Na, ist ein chemisches Element. Es gehört zur 1. Hauptgruppe des Periodensystems und hat die Ordnungszahl 11. Natrium ist ein wachsweiches, silberglänzendes, hochreaktives Alkalimetall.
Geschichte
Im Gegensatz zum elementaren Natrium sind Natriumverbindungen schon sehr lange bekannt und wurden schon in der Antike abgebaut und gehandelt. Vor allem die Gewinnung von Salz (Natriumchlorid) in Bergwerken oder durch Trocknen von Meerwasser in Salinen sowie der Handel mit Salz war für viele Städte die Grundlage ihres Reichtums. Auch andere natürlich vorkommende Natriumverbindungen wie Natriumcarbonat und Salpeter wurden schon in dieser Zeit gewonnen und gehandelt.
Die Herstellung von elementarem Natrium gelang als erstem Sir Humphry Davy im Jahre 1807 durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid unter Verwendung von Voltaschen_Säulen als Stromquelle.
Vorkommen
Natrium ist ein auch im Weltall relativ häufig vorkommendes Element. Im ausgestrahlten Licht vieler Himmelskörper, auch dem der Sonne, können die gelben Spektrallinien der D-Serie gut nachgewiesen werden.
Auf der Erde ist Natrium mit einem Anteil an der Erdkruste von 2,64 % das sechsthäufigste Element. Es kommt aufgrund seiner Reaktivität nicht elementar, sondern stets einwertig vor. Wichtige Natriumdepots sind die Ozeane mit 10 bis 11 g Na+ pro l Meerwasser, sowie Salzlagerstätten und Mineralvorkommen. Wichtige natürlich vorkommende Minerale sind:
Halit (umgangssprachlich: Steinsalz)
Natronsalpeter (Chilesalpeter)
Kryolith (Eisstein) -
Natronfeldspat (Albit) -
Weitere Natrium-Mineralien sind Soda Na2CO3 und Glaubersalz Na2SO4.
Gewinnung und Darstellung
Natrium wird hauptsächlich aus Natriumchlorid gewonnen. Dies wird meist bergmännisch oder durch Austrocknung salzhaltiger Lösungen (Meerwasser) erhalten. Es wird allerdings nur ein kleiner Teil des Natriumchlorids zu elementaren Natrium weiterverarbeitet, der größte Teil wird als Speisesalz oder für die Herstellung anderer Natriumverbindungen verwendet.
Die großtechnische Herstellung von Natrium erfolgt heute durch Schmelzflusselektrolyse von trockenem Natriumchlorid in einer Downs-Zelle. Zur Schmelzpunkterniedrigung wird ein Salzgemisch aus Calcium- (46 %), Natrium- (28 %) und Bariumchlorid (26 %) eingesetzt. Die zylindrische Elektrolysezelle besteht aus einer mittigen Graphitanode, über der das entstehende Chlorgas abgezogen wird. Oberhalb der kleeblattförmig um die Graphitanode angeordneten Stahlblechkathoden wird das flüssige Natrium abgezogen und nach einer Zwischenlagerung einem Reinigungsprozess zugeführt.
Anodenvorgang:
Kathodenvorgang:
Gesamtvorgang bei der Elektrolyse:
Seit Einführung der Chlor-Alkali-Schmelzfluss-Elektrolyse hat sich der Preis für Natrium drastisch verringert. Heute ist Natrium volumenbezogen das preiswerteste Leichtmetall überhaupt.
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Elementares Natrium kristallisiert im kubisch raumzentrierten Gitter mit einer Gitterkonstante von 4,230 Ångström. Das Metall ist so weich, dass es sich mit dem Messer schneiden lässt. Natrium ist ein silberweißes Metall, das bei 98,7°C schmilzt und bei 883°C unter Bildung eines purpurfarbenen Dampfes siedet. Der Dampf besteht hauptsächlich aus Natriumatomen, doch es lassen sich auch Dinatriummoleküle nachweisen.
Chemische Eigenschaften
Analog den anderen Alkalimetallen reagiert Natrium mit vielen anderen Elementen und Verbindungen oft sehr heftig, vor allem mit Nichtmetallen, und kommt deshalb in der natürlichen Umwelt nur in gebundener Form vor. Natrium reagiert auch sehr heftig mit Wasser unter Bildung von Natriumhydroxid, Freisetzung von Wasserstoff und Hitzeentwicklung. Da das Natriumstück unkontrolliert zerplatzen kann, ist Vorsicht bei einem solchen Experiment ratsam. Als Alternative bietet sich der Versuch mit Lithium an, was jedoch wesentlich teurer ist.
Reaktion mit Wasser:
Allgemein:
Durch die hohe Reaktionswärme schmilzt es häufig auf. Bei feiner Verteilung des Natriums (große Reaktionsoberfläche) kann die Reaktion explosiv sein und den Wasserstoff entzünden.
Kommt Natrium mit chlorierten Verbindungen wie Dichlormethan, Chloroform, Tetrachlormethan in Kontakt, kommt es unter Bildung von NaCl zu einer schnellen und exothermen Reaktion. Bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit bildet sich auf dem Natrium konzentriertes Natriumhydroxid, so dass man sich bei Berührung mit Natrium leicht die Haut verätzt. An der Luft entzündet es sich recht schnell; entsprechende Vorsicht ist geboten. Die dann einsetzende Verbrennung unter Bildung einer intensiv gelbgefärbten Flamme (Wellenlänge ~ 589,3 nm) führt zum Natriumperoxid Na2O2 und Natriumoxid Na2O.
Kleinere Mengen Natrium werden unter Petroleum aufbewahrt. Für größere Mengen gibt es integrierte Handhabungssysteme mit Schutzgasatmosphäre. Natrium ist häufig von einer Schicht aus NaOH und Na2O überzogen.
Natriumbrände lassen sich mit Metallbrandpulver (Kochsalz), Kaliumchlorid, Grauguss-Späne, behelfsweise auch mit Sand oder trockenem Zement löschen. Sand und Zement reagieren jedoch in gewissem Rahmen mit Natrium, was die Löschwirkung mindert. Keinesfalls sollten Wasser, Schaum, ABC-Löschpulver, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff oder Halone verwendet werden. Diese Löschmittel reagieren mit Natrium zum Teil stark exotherm, was gegebenenfalls zu Explosionen führen kann.
Verwendung
Aus Natrium werden einige wichtige Natriumverbindungen hergestellt, wie zum Beispiel: Natriumperoxid Na2O2, Natriumamid NaNH2, Natriumcyanid NaCN und Natriumhydrid NaH.
Natrium wird häufig als Reduktionsmittel benötigt. Es wird in der organischen Chemie zur Herstellung von Estern und anderen organischen Verbindungen verwendet. Unter anderem ist Natrium ein wichtiges Reagenz in der Birch-Reduktion zur Reduktion von Aromaten. Es wird auch zur Herstellung von Tetraethylblei (Antiklopfmittel) benötigt. Da Benzin heutzutage bleifrei ist, ging die Verwendung von Natrium für diese Anwendung zurück.
Manche Metalle wie Titan, Niob und Tantal werden durch Reduktion mit Natrium hergestellt. Diese Metalle sind stark elektropositiv und die Reduktion mit Kohlenstoff (wie z. B. bei Eisen) führt zu Carbid-Bildung.
Natrium dient zur Gefügeverbesserung von Werkstoffen, beispielsweise zur Desoxidation und Kornfeinung in Aluminium-Siliciumlegierungen.
Da Natrium mit Wasser reagiert, wird es zur Trocknung halogenfreier Lösungsmittel verwendet.
Da Natrium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, nutzt man es zur ?Kühlung? von Ventilen in Hochleistungsmotoren. Hier sorgt in den Ventilen eingeschlossenes flüssiges Natrium aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit für eine schnelle Abführung der Wärme von den Ventilsitzen in den Ventilschaft. Schon in den 1930er Jahren wurden Hochleistungsmotoren mit natriumgekühlten Ventilen ausgestattet, so z. B. der Maybach HL230 des Panzerkampfwagen V Panther oder der DB 601, der u. a. in der Me 109 verbaut wurde. Auch in Kernkraftwerken mit Brutreaktoren wird Natrium zur Kühlung in Primär- und Sekundärkreisläufen verwendet.
Natriumdampflampen zählen zu den effektivsten Lichtquellen.
NaK eine Legierung aus Natrium und Kalium dient zur Wärmeübertragung sowie zur Dehalogenierung in der organischen Synthese. NaK eignet sich auch gut zum Trocknen einiger bereits gut vorgetrockneter Lösungsmittel; so erreicht man besonders niedrige Rest-Wassergehalte. NaK reagiert mit Wasser zu den entsprechenden Hydroxiden.
Nachweis
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Der Nachweis erfolgt spektroskopisch durch die intensiv gelbe Flammenfärbung oder genauer über die Na-Doppellinie bei 588,99 nm und 589,59 nm.
Eine quantitative Bestimmung von Natrium ist schwierig, da Natriumverbindungen leicht wasserlöslich sind.
Physiologie
Na+-Ionen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Wasserhaushaltes von Lebewesen (Regulierung durch osmotischen Druck) sowie bei der Übertragung von Nervenimpulsen. Die Aufnahme von Na+ als Mineralstoff ist für Lebewesen daher essentiell.
Mit Speisesalz (NaCl) nehmen Menschen täglich Natrium auf. Dabei entsprechen 5 Gramm Kochsalz etwa 2 Gramm reinem Natrium. Dies entspricht auch der täglich benötigten Menge eines erwachsenen Menschen. Dass viel Kochsalz gesundheitsschädlich ist, trifft neueren Forschungsergebnissen zufolge nur noch für bestimmte Menschen zu. Zuwenig Kochsalz ist aber in jedem Fall schädlich.
Verbindungen
Allgemeines
In Verbindungen kommt das Natrium ausschließlich in der Oxidationsstufe +1 vor. Alle Verbindungen weisen einen stark ionischen Charakter auf, fast alle sind gut wasserlöslich. Natriumverbindungen zählen zu den wichtigsten Salzen vieler Säuren. Industriell werden meist Natriumsalze zur Gewinnung der entsprechenden Anionen verwendet, da deren Synthese kostengünstig ist.
Hydride
Natriumhydrid NaH und Natriumborhydrid NaBH4 sind starke Reduktionsmittel. In ihnen liegt der Wasserstoff in der Oxidationsstufe -1 vor. Beide werden vorwiegend in der organischen Chemie als Reduktions- und Hydrierungsmittel verwendet. Wenn sie mit Wasser in Berührung kommen, entsteht gasförmiger Wasserstoff H2.
Halogenverbindungen
Natriumchlorid NaCl (Speisesalz, Kochsalz) ist das wichtigste Natriumsalz und für den Menschen essentiell. Es ist Namensgeber für die Natriumchlorid-Struktur, eine für viele Salze typische Kristallstruktur.
Daneben sind alle anderen, möglichen Natriumhalogenide, also Natriumfluorid NaF, Natriumbromid NaBr und Natriumiodid NaI, bekannt und stabil.
Sauerstoffverbindungen
Natriumhydroxid NaOH ist für die Industrie mit die wichtigste Base. Die wässrige Lösung von Natriumhydroxid wird Natronlauge genannt. Sie wird u. a. für die Herstellung von Seife und Farbstoffen sowie zum Aufschluss von Bauxit bei der Aluminium-Produktion verwendet.
Natrium bildet mit Sauerstoff vier Oxide:
Natriumperoxid Na2O2, das als Oxidations- und Bleichmittel verwendet wird.
Natriumoxid Na2O, eingesetzt u. a. in der Glasherstellung
Natriumhyperoxid NaO2
Dinatriumtrioxid keine Verwendung, da diese Verbindung nur mit aufwendigen Verfahren im Labor bei -80 °C herstellbar ist und leicht zu Natriumoxid und Sauerstoff zerfällt.
Schwefelverbindungen
Mit Schwefelwasserstoff bildet Natrium zwei Salze, das Natriumsulfid Na2S und das Natriumhydrogensulfid NaHS. Beide werden u. a. zur Schwermetallfällung verwendet.
Natriumsulfat Na2SO4, das Natriumsalz der Schwefelsäure, wird u. a. in Waschmitteln und in der Papierindustrie im Sulfatverfahren eingesetzt. Wie andere zweiwertige Anionen bildet Sulfat neben dem Natriumsulfat noch Natriumhydrogensulfat.
Es gibt noch weitere Natrium-Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen. Dies sind beispielsweise:
:Natriumthiosulfat Na2S2O3, das in der Fotografie als Fixiersalz verwendet wird.
:Natriumsulfit Na2SO3 und Natriumhydrogensulfit NaHSO3, die Natriumsalze der schwefeligen_Säure
:Natriumpersulfat Na2S2O8, das Natriumsalz der Peroxodischwefelsäure
:Natriumdisulfat Na2S2O7, das Natriumsalz der Dischwefelsäure
Weitere Natriumverbindungen
Natriumcarbonat Na2CO3 und Natriumhydrogencarbonat NaHCO3 sind die Natriumsalze der Kohlensäure. Sie zählen, neben Natriumchlorid, zu den wichtigsten Natriumverbindungen. Natriumcarbonat (häufig mit dem Trivialnamen Soda bezeichnet) wird in großen Mengen bei der Glasherstellung benötigt. Natriumhydrogencarbonat wird als Backpulver verwendet. Es zersetzt sich beim Erhitzen mit Säure in Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Natriumnitrat NaNO3, das Natriumsalz der Salpetersäure, ist eine der seltenen natürlich vorkommenden Nitratverbindungen (Chilesalpeter). Natriumnitrat wird als Düngemittel und als Konservierungsmittel verwendet.
Auch viele andere Säuren bilden mit Natrium Salze, z. B. die Phosphorsäure: Dinatriumhydrogenphosphat Na2HPO4, Natriumdihydrogenphosphat NaH2PO4 und Natriumphosphat Na3PO4.
Natriumcyanid NaCN ist das Salz der Blausäure. Kommt das feste Natriumcyanid mit Säure in Berührung, bildet sich gasförmige äußerst giftige Blausäure. Natriumcyanid ist billiger und wird dadurch in der Industrie häufiger verwendet als das bekanntere Kaliumcyanid.
Natriumhypochlorit NaOCl und Natriumchlorat NaClO3 zählen zu den stabilen Salzen der sonst instabilen hypochlorigen_Säure bzw. der Chlorsäure.
Natriumazid NaN3 ist das Natriumsalz der Stickstoffwasserstoffsäure und wird zur Herstellung anderer Azide (z. B. Bleiazid) verwendet.
Natriumamid hat die Zusammensetzung NaNH2. Es ist eine sehr starke Base und wird in der organischen_Chemie verwendet.
Natriumpropionat und Trinatriumcitrat sind Beispiele für Natriumsalze organischer_Säuren.
Literatur
* A. F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1963, 1995. ISBN 3-11-012641-9
* David M. Adams: Inorganic Solids. Wiley, London 1974. ISBN 0-471-00470-7
Weblinks
• WebElements.com - Sodium• EnvironmentalChemistry.com - Sodium
• Natriumisotope
• die Natrium-Party - zeigt die heftige Reaktion von Natrium mit Wasser (englisch)
hy:????????
ln:Sodumi:Konutainov:Natrium
ta:???????
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uz:Natriy
zh-yue:?
