Sodio

El sodio es un elemento químico con el símbolo Na (del latín natrium) y el número atómico 11. Es un metal blando, blanco plateado, altamente reactivo. El sodio es un metal alcalino, que se encuentra en el grupo 1 de la tabla periódica, porque tiene un solo electrón en su capa exterior, que dona fácilmente, creando un ión con carga positiva, el catión Na+. Su único isótopo estable es el 23Na. El metal libre no se encuentra en la naturaleza, y debe ser preparado a partir de compuestos. El sodio es el sexto elemento más abundante en la corteza terrestre y existe en numerosos minerales como los feldespatos, la sodalita y la sal de roca (NaCl). Muchas sales de sodio son altamente solubles en agua: los iones de sodio se han lixiviado por la acción del agua de los minerales de la Tierra durante eones, y por lo tanto el sodio y el cloro son los elementos disueltos en peso más comunes en los océanos.

El sodio fue aislado por primera vez por Humphry Davy en 1807 por la electrólisis del hidróxido de sodio. Entre muchos otros compuestos de sodio útiles, el hidróxido de sodio (lejía) se utiliza en la fabricación de jabones, y el cloruro de sodio (sal comestible) es un agente descongelante y un nutriente para los animales, incluidos los seres humanos.

El sodio es un elemento esencial para todos los animales y algunas plantas. Los iones de sodio son el principal catión del fluido extracelular (ECF) y, como tal, son el principal contribuyente a la presión osmótica del ECF y al volumen del compartimento del ECF. La pérdida de agua del compartimento del ECF aumenta la concentración de sodio, una condición llamada hipernatremia. La pérdida isotónica de agua y sodio del compartimento de la ECF disminuye el tamaño de ese compartimento en una condición llamada hipovolemia de la ECF.

Mediante la bomba de sodio-potasio, las células humanas vivas bombean tres iones de sodio fuera de la célula a cambio de dos iones de potasio bombeados hacia adentro; comparando las concentraciones de iones a través de la membrana celular, de adentro hacia afuera, el potasio mide alrededor de 40:1, y el sodio, alrededor de 1:10. En las células nerviosas, la carga eléctrica a través de la membrana celular permite la transmisión del impulso nervioso -un potencial de acción- cuando la carga se disipa; el sodio desempeña un papel clave en esa actividad.

Historia

Debido a su importancia en la salud humana, la sal ha sido durante mucho tiempo un producto importante, como lo demuestra la palabra inglesa “salary” (salario), que deriva de “salarium”, las obleas de sal que a veces se dan a los soldados romanos junto con sus otros salarios. En la Europa medieval, un compuesto de sodio con el nombre latino de sodanum se utilizaba como remedio para el dolor de cabeza. Se cree que el nombre sodio se origina en la suda árabe, que significa dolor de cabeza, ya que las propiedades aliviadoras del dolor de cabeza del carbonato de sodio o sosa eran bien conocidas en los primeros tiempos. Aunque el sodio, a veces llamado soda, se había reconocido desde hace mucho tiempo en los compuestos, el metal en sí no fue aislado hasta 1807 por Sir Humphry Davy mediante la electrólisis del hidróxido de sodio. En 1809, el físico y químico alemán Ludwig Wilhelm Gilbert propuso los nombres de Natronio para el “sodio” de Humphry Davy y Kalium para el “potasio” de Davy. La abreviatura química del sodio fue publicada por primera vez en 1814 por Jöns Jakob Berzelius en su sistema de símbolos atómicos, y es una abreviatura del nuevo nombre latino del elemento, natrium, que se refiere al natrón egipcio, una sal mineral natural que consiste principalmente en carbonato de sodio hidratado. El natrón tuvo históricamente varios usos industriales y domésticos importantes, más tarde eclipsados por otros compuestos de sodio.

Ocurrencia natural

Occurence on earth

La corteza terrestre contiene un 2,27% de sodio, lo que la convierte en el séptimo elemento más abundante de la Tierra y en el quinto metal más abundante, detrás del aluminio, el hierro, el calcio y el magnesio y por delante del potasio. Se estima que la abundancia de sodio en los océanos es de 1,08×104 miligramos por litro. Debido a su alta reactividad, nunca se encuentra como un elemento puro. Se encuentra en muchos minerales, algunos muy solubles, como la halita y el natrón, otros mucho menos solubles, como los anfiboles y la zeolita. La insolubilidad de ciertos minerales de sodio como la criolita y el feldespato surge de sus aniones poliméricos, que en el caso del feldespato es un polisilicato.

Ocurrencia en el universo

El sodio atómico tiene una línea espectral muy fuerte en la parte amarilla-naranja del espectro (la misma línea que se utiliza en las luces de calle de vapor de sodio). Esto aparece como una línea de absorción en muchos tipos de estrellas, incluyendo el Sol. La línea fue estudiada por primera vez en 1814 por Joseph von Fraunhofer durante su investigación de las líneas del espectro solar, ahora conocidas como las líneas de Fraunhofer. Fraunhofer la llamó la “línea D”, aunque ahora se sabe que en realidad es un grupo de líneas estrechamente espaciadas, divididas por una estructura fina e hiperfina.

La fuerza de la línea D significa que ha sido detectada en muchos otros ambientes astronómicos. En las estrellas, se ve en cualquiera cuyas superficies sean lo suficientemente frías para que el sodio exista en forma atómica (en lugar de ionizado). Esto corresponde a estrellas de tipo F y más frías. Muchas otras estrellas parecen tener una línea de absorción de sodio, pero en realidad esto es causado por el gas en el medio interestelar de primer plano. Ambas pueden distinguirse mediante espectroscopia de alta resolución, porque las líneas interestelares son mucho más estrechas que las ampliadas por la rotación estelar.

El sodio también ha sido detectado en numerosos entornos del Sistema Solar, incluyendo la atmósfera de Mercurio, la exosfera de la Luna y numerosos otros cuerpos. Algunos cometas tienen una cola de sodio, que fue detectada por primera vez en las observaciones del cometa Hale-Bopp en 1997. El sodio ha sido incluso detectado en las atmósferas de algunos planetas extrasolares a través de la espectroscopia de tránsito.

Producción

Empleado sólo en aplicaciones bastante especializadas, sólo se producen anualmente unas 100.000 toneladas de sodio metálico. El sodio metálico se produjo comercialmente por primera vez a finales del siglo XIX mediante la reducción carbotérmica del carbonato de sodio a 1100 °C, como primer paso del proceso Deville para la producción de aluminio:

Na2CO3 + 2 C → 2 Na + 3 CO

La alta demanda de aluminio creó la necesidad de producir sodio. La introducción del proceso Hall-Héroult para la producción de aluminio mediante la electrolisis de un baño de sales fundidas puso fin a la necesidad de grandes cantidades de sodio. En 1886 se desarrolló un proceso relacionado basado en la reducción del hidróxido de sodio.

El sodio se produce ahora comercialmente mediante la electrólisis del cloruro de sodio fundido, basada en un proceso patentado en 1924. Esto se hace en una celda de Downs en la que el NaCl se mezcla con el cloruro de calcio para bajar el punto de fusión por debajo de los 700 °C. Como el calcio es menos electropositivo que el sodio, no se depositará calcio en el cátodo. Este método es menos costoso que el anterior proceso de Castner (la electrólisis del hidróxido de sodio).

El mercado del sodio es volátil debido a la dificultad de su almacenamiento y transporte; debe almacenarse bajo una atmósfera seca de gas inerte o aceite mineral anhidro para evitar la formación de una capa superficial de óxido de sodio o superóxido de sodio.

Uso económico

Aunque el sodio metálico tiene algunos usos importantes, las principales aplicaciones de los compuestos de uso del sodio; anualmente se producen millones de toneladas de cloruro, hidróxido y carbonato de sodio. El cloruro de sodio se utiliza extensamente para antihielo y descongelante y como conservante; entre los ejemplos de los usos del bicarbonato de sodio se encuentran la cocción, como agente elevador y el sodblasting. Junto con el potasio, a muchos medicamentos importantes se les ha añadido sodio para mejorar su biodisponibilidad; aunque el potasio es el mejor ión en la mayoría de los casos, el sodio se elige por su menor precio y peso atómico. El hidruro de sodio se utiliza como base para diversas reacciones (como la reacción de aldol) en la química orgánica, y como agente reductor en la química inorgánica.

El sodio metálico se utiliza principalmente para la producción de borohidruro de sodio, azida de sodio, índigo y trifenilfosfina. Un uso que antes era común era la fabricación de tetraetílico y metal de titanio; debido al alejamiento del TEL y a los nuevos métodos de producción de titanio, la producción de sodio disminuyó después de 1970. El sodio también se utiliza como metal de aleación, como agente antical, y como agente reductor de metales cuando otros materiales son ineficaces. Nótese que el elemento libre no se utiliza como agente desincrustante, los iones del agua se intercambian por iones de sodio. Las lámparas de plasma de sodio (“vapor”) se utilizan a menudo para el alumbrado público en las ciudades, emitiendo una luz que va desde el amarillo-naranja al melocotón a medida que aumenta la presión. Por sí mismo o con el potasio, el sodio es un desecante; da una coloración azul intensa con la benzofenona cuando el desecado está seco. En la síntesis orgánica, el sodio se utiliza en diversas reacciones como la reducción del abedul, y la prueba de fusión del sodio se realiza para analizar cualitativamente los compuestos. El sodio reacciona con el alcohol y da alcóxidos, y cuando el sodio se disuelve en una solución de amoníaco, puede utilizarse para reducir los alquinos a transalcenos. Los láseres que emiten luz en la línea D de sodio se utilizan para crear estrellas guía láser artificiales que ayudan a la óptica adaptativa de los telescopios terrestres de luz visible.

Transferencia de calor

El sodio líquido se utiliza como fluido de transferencia de calor en algunos tipos de reactores nucleares porque tiene la alta conductividad térmica y la baja sección transversal de absorción de neutrones que se requiere para lograr un alto flujo de neutrones en el reactor. El alto punto de ebullición del sodio permite que el reactor funcione a la presión ambiente (normal), pero los inconvenientes incluyen su opacidad, que dificulta el mantenimiento visual, y sus propiedades explosivas. El sodio radiactivo-24 puede producirse por el bombardeo de neutrones durante el funcionamiento, lo que supone un ligero riesgo de radiación; la radiactividad se detiene a los pocos días de ser extraído del reactor. Si es necesario apagar un reactor con frecuencia, se utiliza el NaK; como el NaK es un líquido a temperatura ambiente, el refrigerante no se solidifica en las tuberías. En este caso, la piroforicidad del potasio requiere precauciones adicionales para prevenir y detectar fugas. Otra aplicación de transferencia de calor son las válvulas de asiento en los motores de combustión interna de alto rendimiento; los vástagos de las válvulas están parcialmente llenos de sodio y funcionan como un tubo de calor para enfriar las válvulas.

Biología

Biological role in humans

En los humanos, el sodio es un mineral esencial que regula el volumen sanguíneo, la presión arterial, el equilibrio osmótico y el pH. Se estima que las necesidades fisiológicas mínimas de sodio oscilan entre unos 120 miligramos por día en los recién nacidos y 500 miligramos por día a partir de los 10 años de edad.

Dieta

El cloruro de sodio es la principal fuente de sodio en la dieta, y se utiliza como condimento y conservante en productos como las conservas encurtidas y la cecina; para los estadounidenses, la mayor parte del cloruro de sodio proviene de alimentos procesados. Otras fuentes de sodio son su presencia natural en los alimentos y los aditivos alimentarios como el glutamato monosódico (GMS), el nitrito de sodio, la sacarina de sodio, el bicarbonato de sodio y el benzoato de sodio.

Recomendaciones dietéticas

El Instituto de Medicina de los Estados Unidos fijó su nivel de consumo superior tolerable de sodio en 2,3 gramos por día, pero la persona promedio en los Estados Unidos consume 3,4 gramos por día.

Salud

Los estudios han descubierto que la reducción de la ingesta de sodio en 2 g por día tiende a disminuir la presión arterial sistólica en unos dos a cuatro mm Hg. Se ha estimado que tal disminución en el consumo de sodio llevaría a entre un 9 y un 17% menos de casos de hipertensión.

La hipertensión causa 7,6 millones de muertes prematuras en todo el mundo cada año. (Obsérvese que la sal contiene alrededor del 39,3% de sodio -el resto es cloro y oligoelementos; por lo tanto, 2,3 g de sodio son unos 5,9 g, o 5,3 ml, de sal- aproximadamente una cucharadita de té estadounidense). La Asociación Americana del Corazón recomienda no más de 1,5 g de sodio por día.

Un estudio determinó que las personas con o sin hipertensión que excretaban menos de 3 gramos de sodio por día en la orina (y por lo tanto consumían menos de 3 g/d) tenían un mayor riesgo de muerte, accidente cerebrovascular o ataque cardíaco que las que excretaban de 4 a 5 gramos por día. Los niveles de 7 g por día o más en personas con hipertensión se asociaban con una mayor mortalidad y eventos cardiovasculares, pero no se comprobó que esto fuera cierto en personas sin hipertensión. La FDA de los Estados Unidos establece que los adultos con hipertensión y prehipertensión deben reducir la ingesta diaria a 1,5 g.

El sistema renina-angiotensina regula la cantidad de líquido y la concentración de sodio en el cuerpo. La reducción de la presión arterial y la concentración de sodio en el riñón dan como resultado la producción de renina, que a su vez produce aldosterona y angiotensina, lo que estimula la reabsorción de sodio de vuelta al torrente sanguíneo. Cuando la concentración de sodio aumenta, la producción de renina disminuye y la concentración de sodio vuelve a la normalidad. El ión sodio (Na+) es un electrolito importante en la función neuronal, y en la osmorregulación entre las células y el líquido extracelular. Esto se logra en todos los animales por medio de la Na+/K+-ATPasa, un transportador activo que bombea los iones contra el gradiente, y los canales de sodio/potasio. El sodio es el ión metálico más frecuente en el fluido extracelular.

Los niveles de sodio inusualmente bajos o altos en los humanos son reconocidos en medicina como hiponatremia e hipernatremia. Estas condiciones pueden ser causadas por factores genéticos, el envejecimiento, o vómitos o diarrea prolongados.

Papel biológico en las plantas

En las plantas C4, el sodio es un micronutriente que ayuda al metabolismo, específicamente en la regeneración del fosfoenolpiruvato y la síntesis de la clorofila. En otras, sustituye al potasio en varias funciones, como el mantenimiento de la presión de la turgencia y la ayuda en la apertura y el cierre de los estomas. El exceso de sodio en el suelo puede limitar la absorción de agua al disminuir el potencial hídrico, lo que puede dar lugar a la marchitez de las plantas; las concentraciones excesivas en el citoplasma pueden dar lugar a la inhibición de las enzimas, lo que a su vez provoca necrosis y clorosis. En respuesta, algunas plantas han desarrollado mecanismos para limitar la absorción de sodio en las raíces, para almacenarlo en las vacuolas celulares y restringir el transporte de sal de las raíces a las hojas; el exceso de sodio también puede almacenarse en el tejido vegetal viejo, limitando el daño al nuevo crecimiento. Las halófitas se han adaptado para poder florecer en ambientes ricos en sodio.

Seguridad

El sodio forma hidrógeno inflamable e hidróxido de sodio cáustico en contacto con el agua; la ingestión y el contacto con la humedad de la piel, los ojos o las membranas mucosas pueden causar quemaduras graves. El sodio explota espontáneamente en presencia de agua debido a la formación de hidrógeno (altamente explosivo) e hidróxido de sodio (que se disuelve en el agua, liberando más superficie). Sin embargo, el sodio expuesto al aire y que se enciende o alcanza la autoignición (según se informa, cuando un charco de sodio fundido alcanza unos 290 °C) muestra un fuego relativamente leve. En el caso de trozos masivos (no fundidos) de sodio, la reacción con el oxígeno se hace finalmente lenta debido a la formación de una capa protectora. Los extintores de incendios a base de agua aceleran los incendios de sodio; los basados en dióxido de carbono y bromoclorodifluorometano no deben utilizarse en los incendios de sodio. Los incendios de metal son de clase D, pero no todos los extintores de clase D pueden funcionar con sodio. Un agente extintor eficaz para los incendios de sodio es Met-L-X. Otros agentes eficaces son el Lith-X, que tiene polvo de grafito y un retardante de llama organofosforado, y la arena seca. Los incendios de sodio se evitan en los reactores nucleares aislando el sodio del oxígeno por medio de tuberías de sodio circundantes con gas inerte. Los incendios de sodio de tipo piscina se previenen usando diversas medidas de diseño llamadas sistemas de “catch pan”. Estos sistemas recogen el sodio que se escapa en un tanque de recuperación de fugas donde se aísla del oxígeno.