ナトリウム：歴史、構造、特性、リスク、用途 - 化学

ナトリウムは、周期表の1族のアルカリ金属です。その原子番号は11で、化学記号Naで表されます。軽い金属で、水より密度が低く、銀白色で空気に触れると灰色になります。そのため、パラフィンや希ガスに保存されます。

また、ナイフで切ることができ、低温で脆くなる軟質金属です。水と爆発的に反応して、水酸化ナトリウムと水素ガスを生成します。また、湿った空気や素手での湿度にも反応します。

ボトルに保管され、空気と反応しないように油に浸された金属ナトリウム。出典：化学元素の高解像度画像

この金属は、塩酸塩（塩化ナトリウム）などの岩塩鉱物、塩水、および海に含まれています。塩化ナトリウムは、海に溶けているすべての物質の80％に相当し、ナトリウムの存在量は1.05％です。地球の地殻に豊富に存在する6番目の要素です。

星からの光のスペクトルの分析により、太陽を含むそれらの存在を検出することが可能になりました。

ナトリウムは優れた熱および電気伝導体であるだけでなく、優れた熱吸収能力もあります。それは光電現象を経験します、それはそれが照らされるとき電子を放出することができるということです。燃焼すると、その炎は強い黄色の光を放ちます。

溶融ナトリウムは伝熱剤として機能するため、特定の原子炉で冷却剤として使用されます。また、金属の脱酸剤や還元剤としても使用されているため、チタンやジルコニウムなどの遷移金属の精製に使用されています。

ナトリウムは、細胞外コンパートメントの浸透圧とその体積の主な原因です。同様に、興奮性細胞における活動電位の生成と筋肉収縮の開始にも関与しています。

ナトリウムの過剰摂取は、心血管疾患、脳卒中のリスクの増加、骨カルシウムの動員による骨粗しょう症および腎臓の損傷を引き起こす可能性があります。

歴史

人間は古くからナトリウム化合物、特に塩化ナトリウム（食塩）と炭酸ナトリウムを使用してきました。塩の重要性は、兵士が支払いの一部として受け取った塩の一部を示すためにラテン語の「サラリウム」を使用することによって証明されています。

中世には、頭痛を意味するラテン語の「sodanum」というナトリウム化合物が使用されていました。

1807年、ハンプレイデービー卿は水酸化ナトリウムの電気分解によってナトリウムを分離しました。デービーはまた、水酸化ナトリウムと水酸化カリウムが元素物質と見なされ、固定アルカリと呼ばれたときにカリウムを分離しました。

デービーは友人への手紙で次のように書いています。しかし、そのうちの1つは他よりも可燃性が高く、非常に反応性が高いです。

1814年、化学記号体系のイェンスヤコブは、ナトリウムに名前を付けるためにラテン語の「natrium」の略語Naを使用しました。この言葉は、炭酸ナトリウムを指すために使用されるエジプトの「natron」の名前に由来しています。

ナトリウムの構造と電子配置

金属ナトリウムは体心立方（bcc）構造に結晶化します。したがって、そのNa原子は立方体を形成するように配置され、1つは中央に配置され、それぞれが8つの隣接物に配置されます。

この構造は、最も密度が低く、この金属の密度が低いことと一致しています。非常に低いため、液体の水に浮くことができる唯一の金属であるリチウムとカリウムと一緒になります（もちろん、爆発する前に）。かさ高い原子半径に比べて原子質量が低いことも、この特性に寄与しています。

ただし、結果として生じる金属結合は非常に弱く、電子構成から説明できます。

3秒¹

閉じた殻の電子は、金属結合に（少なくとも通常の条件下では）関与しません。しかし3秒軌道の電子。Na原子は3つの軌道と重なり、価電子帯を形成します。そして、3p、空、伝導帯。

この3 sバンドは半分満たされているだけでなく、結晶の密度が低いため、「電子の海」によって支配される力が弱くなります。その結果、金属ナトリウムは金属で切断でき、98℃でのみ溶解します。

相転移

ナトリウム結晶は、圧力が上昇すると構造が変化することがあります。一方、加熱すると、融点が低いため、相転移を起こしにくくなります。

相転移が始まると、金属の特性が変化します。たとえば、最初の遷移では、面心立方（fcc）構造が生成されます。したがって、金属ナトリウムを押すと、疎構造bccがfccに圧縮されます。

これは、ナトリウムの密度以外にナトリウムの特性に大きな変化をもたらさない場合があります。ただし、圧力が非常に高い場合、同素体（純粋な金属であるため多形ではない）は驚くほど絶縁体やエレクトライドになります。つまり、電子も陰イオンとして結晶中に固定され、自由に循環しません。

上記に加えて、それらの色も変化します。ナトリウムは、操作圧力が上昇するにつれて、灰色がかった状態になり、暗くなり、赤みがかった状態になり、透明になります。

酸化数

3sの原子価軌道を考えると、ナトリウムが唯一の電子を失うと、それは急速にNa ⁺陽イオンに変換されます。これは、ネオンと等電子です。つまり、Na ⁺とNeの両方が同じ数の電子を持っています。化合物中のNa ⁺の存在が想定されている場合、その酸化数は+1と言われます。

一方、逆の場合、つまりナトリウムが電子を得る場合、その結果の電子配置は3s ²です。今では、マグネシウムと等電子であるナトリウムアニオンであること^-ナトリウムと呼ばれます。ナトリウムの存在下で場合^-化合物には、想定され、次いでナトリウム-1の酸化数を有することになります。

プロパティ

塩化ナトリウムのエチル溶液が燃焼して、この金属の特徴的な黄色の炎が現れます。出典：Der Messer

身体的特徴

柔らかく、延性があり、可鍛性のある軽金属。

原子量

22.989 g / mol。

色

ナトリウムは明るい銀色の金属です。切りたては光るが、空気に触れるとつやがなくなり、不透明になる。温度は柔らかく、-20℃ではかなり硬い。

沸点

880°C

融点

97.82ºC（ほぼ98ºC）。

密度

室温で：0.968 g / cm ³。

液体状態（融点）：0.927 g / cm ³。

溶解度

ベンゼン、灯油、ナフサに不溶。液体アンモニアに溶解し、青色の溶液になります。それはアマルガムを形成する水銀に溶解します。

蒸気圧

温度802 K：1 kPa; つまり、高温でも蒸気圧はかなり低くなります。

分解

水中で激しく分解し、水酸化ナトリウムと水素を生成します。

自動着火温度

120-125°C

粘度

100°Cで0.680 cP

表面張力

融点192ダイン/ cm。

屈折率

4.22。

電気陰性

ポーリングスケールで0.93。

イオン化エネルギー

最初のイオン化：495.8 kJ / mol。

二次イオン化：4,562 kJ / mol。

3回目のイオン化：6,910.3 kJ / mol。

原子ラジオ

186 pm。

共有結合半径

166±9 pm。

熱膨張

26°Cで71 µm（m・K）

熱伝導率

132.3 W / m K（293.15 K）

電気抵抗率

4.77×10 ^-8 293 KでΩmで

命名法

ナトリウムのユニークな酸化数は+1であるため、括弧内およびローマ数字でこの数が指定されていないため、在庫名によって管理されるその化合物の名前は簡略化されています。

同様に、従来の命名法による名前はすべて接尾辞-icoで終わります。

たとえば、NaClは標準的な命名法によれば塩化ナトリウムであり、塩化ナトリウム（I）は誤っています。体系的な命名法によれば、一塩化ナトリウムとも呼ばれます。伝統的な命名法によると塩化ナトリウム。ただし、その最も一般的な名前はテーブルソルトです。

生物学的役割

浸透圧成分

ナトリウムの細胞外濃度は140 mmol / Lであり、イオン形態（Na ⁺）です。細胞外区画の電気的中性を維持するようにし、Na ^+は、塩化（CLで伴っている^-）および重炭酸塩（HCO ₃^-）アニオンそれぞれ105ミリモル/ L及び25ミリモル/ Lの濃度を有します。

Na ⁺陽イオンは主要な浸透圧成分であり、細胞外コンパートメントの浸透圧に最大の貢献をしており、細胞外コンパートメントと細胞内コンパートメントの浸透圧が等しいため、細胞内コンパートメントの完全性が保証されます。

一方、Na ^+の細胞内濃度は15 mmol / Lです。だから：なぜ、細胞外および細胞内のNa ⁺濃度が等しくされないのですか？

これが発生しない理由は2つあります。a）原形質膜がNa ⁺に対して透過性が低い。b）Na ⁺ -K ⁺ポンプの存在。

ポンプは、ATPに含まれるエネルギーを使用して3つのNa ⁺原子を除去し、2つのK ⁺原子を導入する原形質膜の酵素システムです。

さらに、アルドステロンを含む一連のホルモンがあり、腎臓のナトリウム再吸収を促進することにより、細胞外ナトリウム濃度を適切な値に維持します。抗利尿ホルモンは細胞外容量の維持に役立ちます。

活動電位の生成

興奮性細胞（ニューロンと筋細胞）は、適切な刺激に反応して活動電位または神経インパルスを形成する細胞です。これらの細胞は、原形質膜全体の電圧差を維持しています。

休止状態では、セル内部はセル外部に対して負に帯電しています。一定の刺激が与えられると、Na ⁺に対する膜の透過性が増加し、少量のNa ⁺イオンが細胞に入り、細胞内部を正に帯電させます。

これは活動電位として知られているもので、ニューロン全体に広がる可能性があり、情報がニューロンを通過する方法です。

活動電位が筋肉細胞に到達すると、多かれ少なかれ複雑なメカニズムを介して収縮するように刺激します。

要約すると、ナトリウムは興奮性細胞における活動電位の生成と筋細胞収縮の開始に関与しています。

どこにありますか

地殻

ナトリウムは地球の地殻で7番目に豊富な元素であり、その2.8％を占めています。塩化ナトリウムは、海中に溶解した物質の80％を占める鉱物岩塩の一部です。海のナトリウム含有量は1.05％です。

ナトリウムは非常に反応性の高い元素です。そのため、ナトリウムは天然または元素の形では見つかりません。それは、岩塩のような可溶性鉱物または氷晶石（フッ化ナトリウムアルミニウム）のような不溶性鉱物に含まれています。

海と鉱物の岩塩

一般に海に加えて、死海はさまざまな塩や鉱物、特に塩化ナトリウムが非常に高濃度であることを特徴としています。米国のグレートソルトレイクにも高濃度のナトリウムが含まれています。

塩化ナトリウムは、海や岩構造に存在する鉱物の岩塩にほぼ純粋に含まれています。岩石または鉱物塩は、イギリス、フランス、ドイツ、中国、およびロシアの鉱物鉱床に見られる岩塩よりも純度が低くなります。

生理食塩水堆積物

塩は岩の断片化によって岩の多い堆積物から抽出され、続いて塩の精製プロセスが続きます。他の場合には、水が塩タンクに導入されてそれを溶解し、塩水を形成し、それが次に表面にポンプで送られます。

塩は、太陽蒸発により、サリーナと呼ばれる浅い盆地の海から得られます。このようにして得られた塩は、ベイソルトまたはシーソルトと呼ばれます。

ダウンズセル

ナトリウムは、1,100 ofCで行われる炭酸ナトリウムの炭素熱還元によって生成されました。現在、ダウンズセルを使用して溶融塩化ナトリウムを電気分解することにより製造されています。

ただし、溶融塩化ナトリウムの融点は約800°Cであるため、塩化カルシウムまたは炭酸ナトリウムを追加して、融点を600°Cに下げます。

ダウンズチャンバーでは、カソードは炭素アノードの周りの円形の鉄でできています。電解生成物は鋼メッシュで分離されており、電解生成物（元素のナトリウムと塩素）の接触を防ぎます。

アノード（+）では、次の酸化反応が発生します。

2 Cl ^-（L）のCl→ ₂（G）+ 2 E ^-

一方、カソード（-）では、次の還元反応が発生します。

2のNa ⁺（L）+ 2 E ^- →2 NA（L）

反応

酸化物と水酸化物の形成

湿度によっては空気中で非常に反応します。それは反応して水酸化ナトリウムのフィルムを形成し、それは二酸化炭素を吸収し、最終的に重炭酸ナトリウムを形成することができます。

それは空気中で酸化して一酸化ナトリウム（Na ₂ O）を形成します。一方、過酸化ナトリウム（NaO ₂）は、金属ナトリウムを高圧酸素下で300ºCに加熱することによって調製されます。

液体状態では125℃で発火し、刺激を与える白い煙が発生し、咳をする可能性があります。また、水と激しく反応して水酸化ナトリウムと水素ガスを生成し、反応を爆発させます。この反応は強く発熱します。

Na + H ₂ O→NaOH + 1/2 H ₂（3,367キロカロリー/ mol）

ハロゲン化酸を使用

塩酸などのハロゲン化酸は、ナトリウムと反応して対応するハロゲン化物を形成します。一方、硝酸との反応により硝酸ナトリウムが生成されます。硫酸を使用すると、硫酸ナトリウムが生成されます。

削減

Naは遷移金属の酸化物を還元し、酸素から解放することで対応する金属を生成します。また、ナトリウムは遷移金属のハロゲン化物と反応し、金属が置換されて塩化ナトリウムが形成され、金属が放出されます。

この反応は、チタンやタンタルなどの遷移金属を得るのに役立ちました。

アンモニアあり

ナトリウムは液体アンモニアと低温でゆっくりと反応して、ソダミド（NaNH ₂）と水素を形成します。

Na + NH ₃ →NaNH ₂ + 1/2 H ₂

液体アンモニアは、ヒ素、テルル、アンチモン、ビスマスなどのさまざまな金属とナトリウムの反応の溶媒として機能します。

オーガニック

アルコールと反応してアルコラートまたはアルコキシドを生成します：

Na + ROH→RONa + 1/2 H ₂

有機化合物の脱ハロゲン化を引き起こし、化合物の炭素数を2倍にします。

2 Na + 2 RCl→RR + 2 NaCl

オクタンは、臭化ブタンをナトリウムで脱ハロゲン化することにより製造できます。

金属付き

ナトリウムは他のアルカリ金属と反応して共晶を形成します。その成分よりも低温で形成される合金です。たとえば、78％のKパーセンテージを持つNaK。また、ナトリウムはベリリウムと合金を形成し、前者の割合は少ない。

金、銀、プラチナ、パラジウム、イリジウムなどの貴金属や、鉛、スズ、アンチモンなどの白色金属は、液体ナトリウムと合金を形成します。

リスク

水と強く反応する金属です。したがって、水でコーティングされた人間の組織と接触すると、深刻な損傷を引き起こす可能性があります。皮膚や目と接触すると重度の火傷を引き起こします。

同様に、摂取すると食道や胃に穿孔を引き起こす可能性があります。しかし、これらの怪我は深刻ですが、それらにさらされているのは人口のごく一部です。

ナトリウムが引き起こす可能性のある最大の被害は、人々が作った食べ物や飲み物の過剰摂取によるものです。

人体は、筋肉の収縮だけでなく神経伝導におけるその機能を果たすために、500 mg /日のナトリウム摂取を必要とします。

しかし、通常、食事で摂取されるナトリウムの量ははるかに多く、血漿と血中濃度が増加します。

これは、高血圧、心血管疾患、脳卒中を引き起こす可能性があります。

高ナトリウム血症は、骨組織からのカルシウムの流出を誘発することによる骨粗しょう症の発生にも関連しています。腎臓は過度の摂取にもかかわらず正常な血漿ナトリウム濃度を維持するのに問題があり、腎臓の損傷につながる可能性があります。

用途

金属ナトリウム

それは、カルシウム、ジルコニウム、チタンおよび他の金属の調製における脱酸および還元剤として冶金学で使用されます。たとえば、四塩化チタン（TiCl ₄）を還元して金属チタンを生成します。

溶融ナトリウムは伝熱剤として使用されるため、一部の原子炉では冷却材として使用されています。

合成洗剤の主成分であるラウリル硫酸ナトリウムの製造原料として使用されています。また、ナイロンなどのポリマーやシアン化物や過酸化ナトリウムなどの化合物の製造にも関与しています。染料の生産や香料の合成にも。

ナトリウムは、炭化水素の精製および不溶性炭化水素の重合に使用されます。また、多くの有機還元で使用されます。液体アンモニアに溶解し、アルキンをトランスアルケンに還元するために使用されます。

ナトリウム灯は都市の公共照明用に作られています。これらは、ナトリウムがライターで燃やされたときに観察されるものと同様の黄色を提供します。

ナトリウムは乾燥剤として機能し、ベンゾフェノンの存在下で青色の色合いを提供します。これは、乾燥プロセスの製品が目的の乾燥に達したことを示します。

化合物

塩化

食品の味付けや保存に使用されます。塩化ナトリウムの電気分解により、塩素として家庭用洗浄に使用される次亜塩素酸ナトリウム（NaOCl）が生成されます。また、紙パルプや繊維パルプの工業用漂白剤や水消毒剤としても使用されています。

次亜塩素酸ナトリウムは、防腐剤および殺菌剤として特定の医薬品に使用されています。

炭酸塩および重炭酸塩

炭酸ナトリウムは、ガラス、洗剤、クリーナーの製造に使用されます。炭酸ナトリウム一水和物は、現像剤成分として写真に使用されています。

重曹は二酸化炭素の発生源です。このため、ベーキングパウダー、塩、発泡性飲料、およびドライケミカル消火器にも使用されています。また、羊毛をなめし、準備するプロセスでも使用されます。

重炭酸ナトリウムはアルカリ性化合物であり、胃および尿の過酸性の治療に使用されます。

硫酸塩

クラフト紙、段ボール、ガラス、洗剤の製造に使用されます。チオ硫酸ナトリウムは、ネガや現像されたプリントを修正するために写真に使用されます。

水酸化物

一般に苛性ソーダまたは灰汁と呼ばれ、石油精製における酸の中和に使用されます。石鹸を作る際に脂肪酸と反応します。また、セルロースの処理にも使用されています。

硝酸塩

ダイナマイトの成分である窒素を供給する肥料として使用されます。

参考文献

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