Natrium

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Natrium (von ägypt. netjer „Natron“ aus arab. natrun „Natron“, da Natrium den Hauptbestandteil von Natron bildet, veraltete und englisch-französische Bezeichnung Sodium), chem. Symbol Na, ist ein chemisches Element. Es gehört zur 1. Hauptgruppe des Periodensystems und hat die Ordnungszahl 11. Natrium ist ein weiches, wachsartiges, silberglänzendes, hochreaktives Alkalimetall, das eine hohe Strom- und Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Geschichte

Natriumverbindungen sind seit langem bekannt. Die Herstellung des Elements gelang als erstem Sir Humphry Davy im Jahre 1807 durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxi] unter Verwendung von Voltaschen Säulen als Stromquelle.

Gewinnung und Darstellung

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:

$ \mathrm{2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^-} $

Kathodenvorgang:

$ \mathrm{Na^+ + e^- \rightarrow Na^0} $

Gesamtvorgang bei der Elektrolyse:

$ \mathrm{2Na^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na + Cl_2} $

Seit Einführung der Chlor-Alkali-Schmelzfluss-Elektrolyse hat sich der Preis für Natrium drastisch verringert. Heute ist Natrium volumenbezogen das preiswerteste Leichtmetall überhaupt.

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.

In Erdkruste ist Natrium das sechsthäufigste Element. Es kommt aber nicht elementar vor. Wichtige Natriumdepots sind die Ozeane mit 10 bis 11 g Na+ pro l Meerwasser, sowie Salzlager und Mineralvorkommen. Wichtige natürlich vorkommende Minerale sind:


Eigenschaften

Analog den anderen Alkalimetallen reagiert Natrium mit anderen Elementen und Verbindungen sehr heftig und kommt in der natürlichen Umwelt nur in gebundener Form vor. Natrium reagiert heftig mit Wasser und seinen Derivaten unter Bildung von Natriumhydroxid und Freisetzung von Wasserstoff. Da das Natriumstück unkontrolliert zerplatzen kann, ist Vorsicht bei einem Experiment ratsam. Als Alternative bietet sich der Versuch mit Lithium an.


Reaktion mit Wasser: $ \mathrm{Na + H_2O \rightarrow NaOH + \frac{1}{2}H_2} $

Allgemein: $ \mathrm{Na + ROH \rightarrow Na^+ + ^-OR + \frac{1}{2}H_2} $

Durch die hohe Reaktionswärme schmilzt es auf. Bei feiner Verteilung des Natriums (große Reaktionsoberfläche) kann es sich entzünden. Wegen des frei gesetzten Wasserstoffs kann es bei Luftzutritt zu Verpuffungen oder Explosionen kommen.

Kommt Natrium mit chlorierten Verbindungen wie Chloroform, Tetrachlormethan in Kontakt, kommt es unter Bildung von NaCl zu einer schnellen und exothermen Reaktion. In Luft entzündet es sich recht schnell, deswegen muss man sehr aufpassen, dass man sich bei längerer Berührung mit Natrium nicht etwas verätzt. Die dann einsetzende Verbrennung unter einer intensiv gelbgefärbten Flamme (Wellenlänge ~ 589,3 nm) führt zum Natriumperoxid Na2O2 und nicht zum einfachen Oxid Na2O. In getrocknetem Sauerstoff ist Natrium dagegen relativ beständig und kann sogar ohne Selbstentzündung geschmolzen werden.


Kleinere Mengen Natrium werden unter Petroleum aufbewahrt. Für größere Mengen gibt es integrierte Handhabungssysteme mit Schutzgasatmosphäre.

Natriumbrände lassen sich mit Natriumcarbonat, Kochsalz oder trockenem Zement löschen.


Elementares Natrium

Elementares Natrium kristallisiert im kubisch raumzentriert Gitter mit einer Gitterkonstante von 4.230 Ångström. Das Metall ist so weich, daß es sich mit dem Messer schneiden läßt. Aufgrund seiner hohen Reaktivität kommt es in der Natur nicht gediegen vor. Natrium ist ein silberweißes, weiches 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 finden.

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. Mit der heutigen Nahrung wird jedoch mehr Kochsalz als erforderlich aufgenommen. Gefäßverkalkung, Durchblutungsstörungen, Bluthochdruck, Wassersucht, Herzinfarkt und Schlaganfall können die Folge von übermäßigem Salzgenuss sein. Für die Entfernung von überschüssigem Natrium werden dem Organismus die wichtigen Mineralien Magnesium und Calcium entzogen.

Verwendung

Metallisches Natrium ist eine essentielle Komponente bei der Herstellung von Estern und organischen Verbindungen.

Anwendungen :

  • Gefügeverbesserung von Werkstoffen, beispielsweise zur Desoxidation und Kornfeinung in Aluminium-Siliziumlegierungen
  • Herstellung von Titan, Niob und Tantal: Reduzierung der Oxide und Halogenide.
  • Trocknen von halogenfreien Lösemitteln
  • NaK, eine Legierung aus Natrium und Kalium zur Wärmeübertragung sowie zur Dehalogenierung in der organischen Synthese. NaK eignet sich auch gut zum Trocknen einiger bereits gut vorgetrockneter Lösemittel. So erreicht man besonders niedrige Rest-Wassergehalte.
  • zur "Kühlung" von Ventilen in Hochleistungsmotoren. Hier sorgt das in den Ventilen eingeschlossene flüssige Natrium aufgrund seiner hohen Wärmekapazität für eine schnelle Abführung der Wärme von den Ventilsitzen in den Ventilschaft.
  • zur Kühlung im Primär- und Sekundärkreislauf von Kernkraftwerken mit Brutreaktoren
  • Natrium-Dampf-Lampen zählen zu den effektivsten Lichtquellen.

Natrium beziehungsweise Na+-Kationen werden in vielen weiteren Anwendungen eingesetzt. Als Rohstoff werden dort aber Natriumverbindungen eingesetzt.

Technisch wichtige Verbindungen

Literatur

  • Holleman, Wiberg, "Lehrbuch der anorganischen Chemie," de Gruyter, 1995.
  • D. M. Adams, "Inorganic Solids", Wiley, 1974.

Weblinks

CC by-sa Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Natrium aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und wird hier in der Hortipedia weiterentwickelt. Er steht unter der Lizenz CC-by-sa 3.0, in der Wikipedia ist eine Liste der ursprünglichen Autoren verfügbar.

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