Natrium – Ominaisuudet ja sovellukset

Kemiallinen kaava

Na

Käsiteltävät aiheet

Tausta
Perustiedot
Keskeiset tiedot
Key Properties
Occurrence
Isotopes
Production of Sodium
Health Aspects
Applications

Background

Natriumkarbonaatti eli sooda (Na2CO3) oli suosituin natriumyhdiste antiikin aikana. Egyptiläiset kutsuivat soodaa nimellä natron, ja myöhemmin roomalaiset käyttivät siitä samankaltaista nimeä natrium, mikä selittää sen kemiallisen symbolin Na alkuperän.

Natrium on peräisin arabian kielen sanasta Suda, joka tarkoittaa päänsärkyä, sillä soodaa käytettiin toisinaan päänsäryn hoitoon. Latinan kielessä sanasta suda tuli sodanum, ja siitä kehittyi nimi natrium.

1800-luvun alussa Davy löysi tavan, jolla aktiiviset alkuaineet voitiin irrottaa niiden yhdisteistä. Vuonna 1807 hän valmisti natriumia kaustisen soodan (NaOH) elektrolyysillä.

Perustiedot

Taulukossa 1 on lueteltu perustiedot natriumista.

Taulukko 1. Natriumia koskevat perustiedot. Natriumin perusominaisuudet

Keskeiset ominaisuudet

Natriumin keskeiset ominaisuudet ovat:

• Se on erittäin reaktiivinen ja reagoi räjähdysmäisesti veden kanssa
• Se on hopeanvalkoinen metalli, jolla on vahamainen ulkonäkö
• Se on pehmeä ja sillä on kirkas kiiltävä pinta, kuitenkin natriumin reagoidessa ilman hapen kanssa se muuttuu himmeäksi natriumoksidikalvon (Na2O) muodostumisen vuoksi
• Natriumin tiheys on hieman pienempi kuin veden
• Se on hyvä sähkönjohdin
• Se reagoi hapen kanssa huoneenlämmössä
• Lämmitettäessä, se palaa hyvin nopeasti ja palaa loistavalla kullankeltaisella liekillä
• Reagoi happojen kanssa tuottaen vetykaasua
• Liukenee elohopeaan muodostaen natriumamalgaamia

Esiintyminen

Natriumia ei löydy vapaana alkuaineena luonnosta. Se on erittäin aktiivinen erityisesti veden ja hapen kanssa, joten se esiintyy aina osana yhdistettä. Yleisin natriumlähde maapallolla on haliitti.

Haliitti on lähes puhdasta natriumkloridia (NaCl) ja sitä kutsutaan myös vuorisuolaksi. Haliittia löytyy maanalaisista esiintymistä, jotka muodostuivat, kun muinaiset valtameret haihtuivat jättäen jälkeensä natriumkloridia, sekä kuivista järvipohjista, joiden suuret esiintymät sijaitsevat Yhdysvalloissa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, Ranskassa, Saksassa, Kiinassa ja Intiassa.

Isotoopit

Natrium-23 on natriumin ainoa luonnossa esiintyvä isotooppi.

Vaikka natriumilla on kuusi radioaktiivista isotooppia, vain kahdella niistä on kaupallista merkitystä. Nämä kuvataan seuraavassa:

• Natrium 22 ja natrium 24 ovat kaksi natriumin radioaktiivista isotooppia, joita käytetään lääketieteellisissä sovelluksissa. Natrium 24:ää käytetään elektrolyyttimerkkiaineena, jolla seurataan natriumin kulkua ihmisen elimistössä, jotta nähdään, ovatko sen ottotasot normaaleissa rajoissa, kun taas natrium 22:ta käytetään ydinlääketieteellisessä kuvantamisessa positroniemissiotomografiassa.
• Natrium -24:ää voidaan käyttää myös muissa kuin lääketieteellisissä sovelluksissa. Sitä käytetään esimerkiksi teollisuusputkistojen vuototesteissä. Natriumsäteilyn rajallisen läpäisykyvyn vuoksi ilmaisimet pystyvät havaitsemaan radioaktiivisen natriumin vain vuotokohdissa. Natrium 24 soveltuu tähän sovellukseen myös siksi, että sen puoliintumisaika on lyhyt, vain 15 tuntia.

Natriumin valmistus

Natriummetallia valmistetaan elektrolyysillä natriumkloridin ja kalsiumkloridin (CaCl2) seoksesta Downin prosessia käyttäen. Kalsiumkarbonaattia lisätään, jotta seoksen sulamispiste saadaan laskettua noin 600 °C:een.

Kun sulan seoksen läpi johdetaan sähkövirta, NaCl hajoaa natriumin vetäydyttyä katodiin. Se nousee pinnalle alhaisen tiheytensä vuoksi ja voidaan napauttaa pois. Vaikka myös kalsiumia syntyy, se ei sekoitu natriumin kanssa, koska sen tiheys on paljon suurempi (2,54 g/cc).

Terveydelliset näkökohdat

Natriumilla on useita tärkeitä tehtäviä ihmisille, eläimille ja kasveille. Ihmisillä natrium säätelee soluissa olevan nesteen määrää. Natriumin puute tai ylimäärä voi johtaa siihen, että solut saavat tai menettävät vettä. Mikä tahansa näistä muutoksista voi estää soluja suorittamasta normaaleja toimintojaan.

Monet natriumyhdisteet ovat vaarallisia karsinogeeneina ja toksiineina eläimille ja kasveille. Samalla on mahdotonta elää ilman monia natriumista valmistettuja yhdisteitä.

Käyttökohteet

Natriumin käyttökohteita ovat muun muassa:

• Natriumia käytetään toisinaan lämmönvaihtovälineenä ydinvoimaloissa. Nestemäinen natrium suljetaan reaktorisydäntä ympäröiviin putkiin. Syntynyt lämpö imeytyy natriumiin ja pakotetaan putkien läpi lämmönvaihtimeen, jota voidaan käyttää sähkön tuottamiseen.
• Natriumia käytetään metallien, kuten titaanin, valmistuksessa. Natrium saadaan reagoimaan titaanitetrakloridin (TiCl4) kanssa titaanin saamiseksi.
• Natriumia käytetään katalysaattorina keinotekoisen kumin valmistuksessa.
• Sähkövirta ja natriumhöyry muodostavat yhdessä kellertävän hehkun. Tätä periaatetta käytetään natriumhöyrylamppujen valmistuksessa.
  • Korkeapainenatriumhöyrylampuissa käytetään elohopeaa, joka antaa valolle luonnollisen värintoiston
  • Matalapainenatriumhöyrylampuissa käytetään pientä määrää natriumia yhdessä neonin kanssa, jolloin valo on sekä kirkas että taloudellinen