Natrium

Natrium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Na (vom lateinischen natrium) und der Ordnungszahl 11. Es ist ein weiches, silbrig-weißes, hochreaktives Metall. Natrium ist ein Alkalimetall der Gruppe 1 des Periodensystems, da es in seiner äußeren Schale ein einzelnes Elektron hat, das es leicht abgibt und dabei ein positiv geladenes Ion, das Na+-Kation, bildet. Das einzige stabile Isotop des Natriums ist 23Na. Das freie Metall kommt in der Natur nicht vor und muss aus Verbindungen hergestellt werden. Natrium ist das sechsthäufigste Element in der Erdkruste und kommt in zahlreichen Mineralien wie Feldspäten, Sodalith und Steinsalz (NaCl) vor. Viele Natriumsalze sind in hohem Maße wasserlöslich: Natriumionen wurden durch die Wirkung von Wasser aus den Mineralien der Erde über Äonen ausgelaugt, und daher sind Natrium und Chlor die nach Gewicht am häufigsten gelösten Elemente in den Ozeanen.

Natrium wurde erstmals 1807 von Humphry Davy durch die Elektrolyse von Natriumhydroxid isoliert. Neben vielen anderen nützlichen Natriumverbindungen wird Natriumhydroxid (Lauge) bei der Seifenherstellung verwendet, und Natriumchlorid (Speisesalz) ist ein Enteisungsmittel und ein Nährstoff für Tiere einschließlich des Menschen.

Natrium ist ein wesentliches Element für alle Tiere und einige Pflanzen. Natriumionen sind das Hauptkation in der Extrazellularflüssigkeit (EZF) und tragen als solche am meisten zum osmotischen Druck und Volumen des EZF-Kompartiments bei. Der Verlust von Wasser aus dem ECF-Kompartiment erhöht die Natriumkonzentration, ein Zustand, der als Hypernatriämie bezeichnet wird. Der isotonische Verlust von Wasser und Natrium aus dem EKF-Kompartiment verringert die Größe dieses Kompartiments in einem Zustand, der als Hypovolämie der EKF bezeichnet wird.

Mit Hilfe der Natrium-Kalium-Pumpe pumpen lebende menschliche Zellen drei Natriumionen aus der Zelle im Austausch gegen zwei eingepumpte Kaliumionen; beim Vergleich der Ionenkonzentrationen über die Zellmembran, von innen nach außen, misst Kalium etwa 40:1 und Natrium etwa 1:10. In Nervenzellen ermöglicht die elektrische Ladung über die Zellmembran die Übertragung des Nervenimpulses - ein Aktionspotential - wenn die Ladung abgebaut wird; Natrium spielt dabei eine Schlüsselrolle.

Geschichte

Wegen seiner Bedeutung für die menschliche Gesundheit ist Salz seit langem ein wichtiges Handelsgut, wie das englische Wort salary zeigt, das sich von salarium ableitet, den Salzwaffeln, die römischen Soldaten manchmal zusammen mit ihren anderen Löhnen gegeben werden. Im mittelalterlichen Europa wurde eine Natriumverbindung mit dem lateinischen Namen Sodanum als Kopfschmerzmittel verwendet. Man nimmt an, dass der Name Natrium aus dem arabischen suda stammt, was Kopfschmerzen bedeutet, da die kopfschmerzlindernden Eigenschaften von Natriumkarbonat oder Soda schon früh bekannt waren. Obwohl Natrium, manchmal auch Soda genannt, in Verbindungen schon lange bekannt war, wurde das Metall selbst erst 1807 von Sir Humphry Davy durch die Elektrolyse von Natriumhydroxid isoliert. 1809 schlug der deutsche Physiker und Chemiker Ludwig Wilhelm Gilbert die Namen Natronium für das “Natrium” von Humphry Davy und Kalium für das “Kalium” von Davy vor. Die chemische Abkürzung für Natrium wurde erstmals 1814 von Jöns Jakob Berzelius in seinem System der Atomsymbole veröffentlicht und ist eine Abkürzung des neulateinischen Namens des Elements natrium, der sich auf das ägyptische Natron bezieht, ein natürliches Mineralsalz, das hauptsächlich aus hydratisiertem Natriumkarbonat besteht. Natron hatte in der Vergangenheit mehrere wichtige Verwendungen in Industrie und Haushalt, die später von anderen Natriumverbindungen verdrängt wurden.

Natürliches Vorkommen

Vorkommen auf der Erde

Die Erdkruste enthält 2,27% Natrium und ist damit das siebthäufigste Element der Erde und das fünfthäufigste Metall, hinter Aluminium, Eisen, Kalzium und Magnesium und vor Kalium. Die geschätzte Abundanz von Natrium im Ozean beträgt 1,08×104 Milligramm pro Liter. Wegen seiner hohen Reaktivität wird es nie als reines Element gefunden. Es kommt in vielen Mineralien vor, von denen einige sehr gut löslich sind, wie Halit und Natron, andere weit weniger löslich, wie Amphibol und Zeolith. Die Unlöslichkeit bestimmter Natriumminerale wie Kryolith und Feldspat ergibt sich aus ihren polymeren Anionen, die im Falle von Feldspat ein Polysilikat sind.

Vorkommen im Universum

Atomares Natrium hat eine sehr starke Spektrallinie im gelb-orangenen Teil des Spektrums (dieselbe Linie, die auch in Natriumdampf-Straßenlampen verwendet wird). Diese erscheint als Absorptionslinie in vielen Arten von Sternen, einschließlich der Sonne. Die Linie wurde erstmals 1814 von Joseph von Fraunhofer bei seiner Untersuchung der Linien im Sonnenspektrum, die heute als Fraunhofer-Linien bekannt sind, untersucht. Fraunhofer nannte sie die “D-Linie”, obwohl heute bekannt ist, dass es sich eigentlich um eine Gruppe eng beieinander liegender Linien handelt, die durch eine feine und hyperfeine Struktur getrennt sind.

Die Stärke der D-Linie bedeutet, dass sie in vielen anderen astronomischen Umgebungen entdeckt wurde. In Sternen ist sie in allen Sternen zu sehen, deren Oberflächen kühl genug sind, damit Natrium in atomarer Form (und nicht ionisiert) existiert. Dies entspricht Sternen, die ungefähr vom F-Typ und kühler sind. Viele andere Sterne scheinen eine Natrium-Absorptionslinie zu haben, die jedoch tatsächlich durch Gas im vorderen interstellaren Medium verursacht wird. Die beiden lassen sich durch hochauflösende Spektroskopie unterscheiden, da die interstellaren Linien viel schmaler sind als die durch die Sternrotation verbreiterten.

Natrium wurde auch in zahlreichen Umgebungen des Sonnensystems nachgewiesen, darunter in der Atmosphäre des Merkurs, in der Exosphäre des Mondes und in zahlreichen anderen Körpern. Einige Kometen haben einen Natrium-Schweif, der erstmals 1997 bei Beobachtungen des Kometen Hale-Bopp entdeckt wurde. Natrium wurde sogar in den Atmosphären einiger extrasolarer Planeten mittels Transitspektroskopie nachgewiesen.

Produktion

Nur in eher spezialisierten Anwendungen eingesetzt, werden jährlich nur etwa 100.000 Tonnen metallisches Natrium produziert. Metallisches Natrium wurde erstmals Ende des 19. Jahrhunderts durch karbothermische Reduktion von Natriumkarbonat bei 1100 °C als erster Schritt des Deville-Prozesses zur Herstellung von Aluminium kommerziell hergestellt:

Na2CO3 + 2 C → 2 Na + 3 CO

Die hohe Nachfrage nach Aluminium machte die Herstellung von Natrium notwendig. Die Einführung des Hall-Héroult-Verfahrens zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse eines Salzschmelzbades beendete den Bedarf an großen Mengen Natrium. Ein verwandtes Verfahren, das auf der Reduktion von Natriumhydroxid basierte, wurde 1886 entwickelt.

Natrium wird heute kommerziell durch die Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid hergestellt, die auf einem 1924 patentierten Verfahren basiert. Dies geschieht in einer Downs-Zelle, in der das NaCl mit Kalziumchlorid gemischt wird, um den Schmelzpunkt unter 700 °C zu senken. Da Kalzium weniger elektropositiv als Natrium ist, wird an der Kathode kein Kalzium abgeschieden. Diese Methode ist kostengünstiger als das bisherige Castner-Verfahren (die Elektrolyse von Natriumhydroxid).

Der Markt für Natrium ist aufgrund der Schwierigkeit der Lagerung und des Transports unbeständig; es muss unter einer trockenen Inertgasatmosphäre oder wasserfreiem Mineralöl gelagert werden, um die Bildung einer Oberflächenschicht aus Natriumoxid oder Natriumsuperoxid zu verhindern.

Wirtschaftliche Nutzung

Obwohl metallisches Natrium einige wichtige Verwendungszwecke hat, werden die Hauptanwendungen für Natriumverbindungen; jährlich werden Millionen Tonnen Natriumchlorid, -hydroxid und -carbonat produziert. Natriumchlorid wird in großem Umfang als Frostschutz- und Enteisungsmittel sowie als Konservierungsmittel verwendet; Beispiele für die Verwendung von Natriumbicarbonat sind Backen, als Backtriebmittel und zum Sodablasting. Zusammen mit Kalium wird Natrium vielen wichtigen Medikamenten zugesetzt, um ihre Bioverfügbarkeit zu verbessern; obwohl Kalium in den meisten Fällen das bessere Ion ist, wird Natrium wegen seines niedrigeren Preises und Atomgewichts gewählt. Natriumhydrid wird in der organischen Chemie als Basis für verschiedene Reaktionen (wie z.B. die Aldolreaktion) und in der anorganischen Chemie als Reduktionsmittel verwendet.

Metallisches Natrium wird hauptsächlich für die Herstellung von Natriumborhydrid, Natriumazid, Indigo und Triphenylphosphin verwendet. Eine einst übliche Verwendung war die Herstellung von Tetraethylblei- und Titanmetall; aufgrund der Abkehr von TEL und neuen Titanherstellungsmethoden ging die Produktion von Natrium nach 1970 zurück. Natrium wird auch als Legierungsmetall, als Anti-Zunderbildner und als Reduktionsmittel für Metalle verwendet, wenn andere Materialien unwirksam sind. Beachten Sie, dass das freie Element nicht als Kesselsteinbildner verwendet wird, Ionen im Wasser werden gegen Natriumionen ausgetauscht. Natriumplasma (“Dampf”)-Lampen werden häufig für die Straßenbeleuchtung in Städten eingesetzt und geben bei steigendem Druck Licht von gelb-orange bis zu Pfirsichfarben ab. Natrium allein oder mit Kalium ist ein Trockenmittel; mit Benzophenon ergibt es eine intensive Blaufärbung, wenn das Trockenmittel trocken ist. In der organischen Synthese wird Natrium in verschiedenen Reaktionen wie der Birkenreduktion verwendet, und der Natriumfusionstest wird zur qualitativen Analyse von Verbindungen durchgeführt. Natrium reagiert mit Alkohol und ergibt Alkoxide, und wenn Natrium in Ammoniaklösung gelöst wird, kann es zur Reduktion von Alkinen zu trans-Alkenen verwendet werden. Laser, die Licht an der Natrium-D-Linie aussenden, werden zur Erzeugung künstlicher Laserleitsterne verwendet, die die adaptive Optik für landgestützte Teleskope für sichtbares Licht unterstützen.

Wärmeübertragung

Flüssiges Natrium wird als Wärmeübertragungsflüssigkeit in einigen Typen von Kernreaktoren verwendet, weil es die hohe Wärmeleitfähigkeit und den niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitt hat, die erforderlich sind, um einen hohen Neutronenfluss im Reaktor zu erreichen. Der hohe Siedepunkt von Natrium ermöglicht es dem Reaktor, bei Umgebungsdruck (Normaldruck) zu arbeiten, aber zu den Nachteilen gehören seine Opazität, die die visuelle Wartung erschwert, und seine explosiven Eigenschaften. Radioaktives Natrium-24 kann während des Betriebs durch Neutronenbeschuss erzeugt werden, was eine geringe Strahlungsgefahr darstellt; die Radioaktivität hört innerhalb weniger Tage nach der Entnahme aus dem Reaktor auf. Wenn ein Reaktor häufig abgeschaltet werden muss, wird NaK verwendet; da NaK bei Raumtemperatur flüssig ist, erstarrt das Kühlmittel nicht in den Rohren. In diesem Fall erfordert die Pyrophorität von Kalium zusätzliche Vorkehrungen zur Verhinderung und Erkennung von Lecks. Eine weitere Anwendung der Wärmeübertragung sind Sitzventile in Hochleistungs-Verbrennungsmotoren; die Ventilschäfte sind teilweise mit Natrium gefüllt und arbeiten als Wärmerohr zur Kühlung der Ventile.

Biologie

Biologische Rolle beim Menschen

Beim Menschen ist Natrium ein essentieller Mineralstoff, der das Blutvolumen, den Blutdruck, das osmotische Gleichgewicht und den pH-Wert reguliert. Der physiologische Mindestbedarf an Natrium wird auf etwa 120 Milligramm pro Tag bei Neugeborenen bis zu 500 Milligramm pro Tag im Alter von 10 Jahren geschätzt.

Ernährung

Natriumchlorid ist die Hauptquelle für Natrium in der Ernährung und wird als Gewürz und Konservierungsmittel in Waren wie eingelegten Konserven und Dörrfleisch verwendet; für die Amerikaner stammt das meiste Natriumchlorid aus verarbeiteten Lebensmitteln. Weitere Quellen für Natrium sind sein natürliches Vorkommen in Lebensmitteln und Lebensmittelzusatzstoffe wie Mononatriumglutamat (MSG), Natriumnitrit, Natrium-Saccharin, Backnatron (Natriumbikarbonat) und Natriumbenzoat.

Ernährungsempfehlungen

Das U.S. Institute of Medicine setzte die tolerierbare obere Aufnahmemenge für Natrium auf 2,3 Gramm pro Tag fest, aber die durchschnittliche Person in den Vereinigten Staaten konsumiert 3,4 Gramm pro Tag.

Gesundheit

Studien haben ergeben, dass eine Senkung der Natriumzufuhr um 2 g pro Tag den systolischen Blutdruck um etwa zwei bis vier mm Hg senkt. Es wurde geschätzt, dass eine solche Senkung der Natriumzufuhr zu 9 bis 17% weniger Fällen von Bluthochdruck führen würde.

Bluthochdruck verursacht jedes Jahr weltweit 7,6 Millionen vorzeitige Todesfälle. (Man beachte, dass Salz etwa 39,3% Natrium enthält - der Rest besteht aus Chlor und Spurenchemikalien; 2,3 g Natrium sind also etwa 5,9 g oder 5,3 ml Salz - etwa ein US-Teelöffel). Die American Heart Association empfiehlt nicht mehr als 1,5 g Natrium pro Tag.

Eine Studie ergab, dass Menschen mit oder ohne Bluthochdruck, die weniger als 3 g Natrium pro Tag mit dem Urin ausscheiden (und daher weniger als 3 g pro Tag zu sich nehmen), ein höheres Risiko für Tod, Schlaganfall oder Herzinfarkt haben als diejenigen, die 4 bis 5 g pro Tag ausscheiden. Werte von 7 g pro Tag oder mehr bei Menschen mit Bluthochdruck waren mit einer höheren Mortalität und kardiovaskulären Ereignissen assoziiert, aber dies traf nicht auf Menschen ohne Bluthochdruck zu. Die US-amerikanische FDA gibt an, dass Erwachsene mit Hypertonie und Prähypertonie die tägliche Aufnahme auf 1,5 g reduzieren sollten.

Das Renin-Angiotensin-System reguliert die Flüssigkeitsmenge und die Natriumkonzentration im Körper. Die Senkung des Blutdrucks und der Natriumkonzentration in der Niere führt zur Produktion von Renin, das wiederum Aldosteron und Angiotensin produziert, das die Rückresorption von Natrium in den Blutkreislauf anregt. Wenn die Natriumkonzentration steigt, sinkt die Produktion von Renin, und die Natriumkonzentration normalisiert sich wieder. Das Natriumion (Na+) ist ein wichtiger Elektrolyt für die Funktion der Neuronen und für die Osmoregulation zwischen den Zellen und der Extrazellularflüssigkeit. Dies wird bei allen Tieren durch die Na+/K+-ATPase, einen aktiven Transporter, der Ionen gegen den Gradienten pumpt, und Natrium-/Kaliumkanäle erreicht. Natrium ist das am häufigsten vorkommende Metallion in der extrazellulären Flüssigkeit.

Ungewöhnlich niedrige oder hohe Natriumwerte beim Menschen werden in der Medizin als Hyponatriämie und Hypernatriämie bezeichnet. Diese Zustände können durch genetische Faktoren, Alterung oder anhaltendes Erbrechen oder Durchfall verursacht werden.

Biologische Rolle bei Pflanzen

In C4-Pflanzen ist Natrium ein Mikronährstoff, der den Metabolismus unterstützt, insbesondere bei der Regeneration von Phosphoenolpyruvat und der Synthese von Chlorophyll. In anderen Pflanzen ersetzt es Kalium in mehreren Funktionen, wie z.B. bei der Aufrechterhaltung des Turgordrucks und bei der Unterstützung der Öffnung und Schließung von Spaltöffnungen. Überschüssiges Natrium im Boden kann die Wasseraufnahme einschränken, indem es das Wasserpotenzial verringert, was zum Welken der Pflanze führen kann; überschüssige Konzentrationen im Zytoplasma können zu einer Enzymhemmung führen, die wiederum Nekrose und Chlorose verursacht. Als Reaktion darauf haben einige Pflanzen Mechanismen entwickelt, um die Natriumaufnahme in den Wurzeln zu begrenzen, es in den Zellvakuolen zu speichern und den Salztransport von den Wurzeln zu den Blättern einzuschränken; überschüssiges Natrium kann auch im alten Pflanzengewebe gespeichert werden, wodurch der Schaden für das neue Wachstum begrenzt wird. Halophyten haben sich so angepasst, dass sie in natriumreicher Umgebung gedeihen können.

Sicherheit

Natrium bildet bei Kontakt mit Wasser brennbaren Wasserstoff und Natronlauge; bei Einnahme und Kontakt mit Feuchtigkeit auf Haut, Augen oder Schleimhäuten kann es zu schweren Verätzungen kommen. Natrium explodiert spontan in Gegenwart von Wasser unter Bildung von Wasserstoff (hochexplosiv) und Natriumhydroxid (das sich im Wasser auflöst und mehr Oberfläche freisetzt). Natrium, das der Luft ausgesetzt ist und sich entzündet oder eine Selbstentzündung erreicht (Berichten zufolge tritt es auf, wenn ein geschmolzenes Natriumbad etwa 290 °C erreicht), zeigt jedoch ein relativ mildes Feuer. Im Falle von massiven (nicht geschmolzenen) Natriumstücken wird die Reaktion mit Sauerstoff aufgrund der Bildung einer Schutzschicht schließlich langsam. Feuerlöscher auf Wasserbasis beschleunigen Natriumbrände; Feuerlöscher auf der Basis von Kohlendioxid und Bromchlordifluormethan sollten bei Natriumbrand nicht verwendet werden. Metallbrände gehören zur Klasse D, aber nicht alle Feuerlöscher der Klasse D sind mit Natrium funktionsfähig. Ein wirksames Löschmittel für Natriumbrände ist Met-L-X. Andere wirksame Löschmittel sind Lith-X, das Graphitpulver und ein Organophosphat-Flammschutzmittel enthält, und trockener Sand. Natriumbrände werden in Kernreaktoren dadurch verhindert, dass Natrium von Sauerstoff isoliert wird, indem Natriumrohre mit Inertgas umgeben werden. Natriumbrände vom Pool-Typ werden durch verschiedene konstruktive Maßnahmen, sogenannte Auffangwannensysteme, verhindert. Sie sammeln auslaufendes Natrium in einem Auffangbehälter, wo es vom Sauerstoff isoliert wird.