Sodio

Il sodio è un elemento chimico con il simbolo Na (dal latino natrium) e il numero atomico 11. È un metallo morbido, bianco-argento, altamente reattivo. Il sodio è un metallo alcalino, essendo nel gruppo 1 della tavola periodica, perché ha un singolo elettrone nel suo guscio esterno, che dona prontamente, creando uno ione con carica positiva: il catione Na+. Il suo unico isotopo stabile è 23Na. Il metallo libero non si trova in natura e deve essere preparato a partire da composti. Il sodio è il sesto elemento più abbondante nella crosta terrestre ed esiste in numerosi minerali come feldspati, sodalite e salgemma (NaCl). Molti sali di sodio sono altamente solubili in acqua: gli ioni di sodio sono stati lisciviati dall’azione dell’acqua dei minerali della Terra su eoni, e quindi il sodio e il cloro sono gli elementi disciolti più comuni in peso negli oceani.

Il sodio è stato isolato per la prima volta da Humphry Davy nel 1807 per elettrolisi dell’idrossido di sodio. Tra molti altri composti di sodio utili, l’idrossido di sodio (liscivia) è utilizzato nella produzione di sapone, e il cloruro di sodio (sale alimentare) è un agente antigelo e un nutriente per gli animali, compresi gli esseri umani.

Il sodio è un elemento essenziale per tutti gli animali e per alcune piante. Gli ioni di sodio sono il principale catione nel fluido extracellulare (ECF) e come tali sono il principale contributore della pressione osmotica ECF e del volume del compartimento ECF. La perdita di acqua dal compartimento ECF aumenta la concentrazione di sodio, una condizione chiamata ipernatremia. La perdita isotonica di acqua e sodio dal compartimento ECF diminuisce le dimensioni di quel compartimento in una condizione chiamata ipovolemia ECF.

Per mezzo della pompa sodio-potassio, le cellule umane viventi pompano tre ioni sodio dalla cellula in cambio di due ioni potassio pompati; confrontando le concentrazioni di ioni attraverso la membrana cellulare, all’interno verso l’esterno, il potassio misura circa 40:1, e il sodio, circa 1:10. Nelle cellule nervose, la carica elettrica attraverso la membrana cellulare permette la trasmissione dell’impulso nervoso - un potenziale d’azione - quando la carica viene dissipata; il sodio gioca un ruolo chiave in questa attività.

Storia

A causa della sua importanza per la salute umana, il sale è stato a lungo un bene importante, come dimostra la parola inglese salarium, che deriva dal salarium, le cialde di sale talvolta date ai soldati romani insieme agli altri salari. Nell’Europa medievale, un composto di sodio con il nome latino di sodano veniva usato come rimedio per il mal di testa. Si ritiene che il nome sodio derivi dall’arabo suda, che significa mal di testa, poiché le proprietà emollienti del carbonato di sodio o della soda erano ben note nei primi tempi. Anche se il sodio, a volte chiamato soda, era stato a lungo riconosciuto nei composti, il metallo stesso non è stato isolato fino al 1807 da Sir Humphry Davy attraverso l’elettrolisi di idrossido di sodio. Nel 1809, il fisico e chimico tedesco Ludwig Wilhelm Gilbert propose i nomi Natronium per il “sodio” di Humphry Davy e Kalium per il “potassio” di Davy. L’abbreviazione chimica per il sodio fu pubblicata per la prima volta nel 1814 da Jöns Jakob Berzelius nel suo sistema di simboli atomici, ed è l’abbreviazione del Nuovo nome latino dell’elemento natrium, che si riferisce al natron egiziano, un sale minerale naturale costituito principalmente da carbonato di sodio idrato. Storicamente il natron ha avuto diversi importanti usi industriali e domestici, in seguito eclissati da altri composti del sodio.

Occorrenza naturale

si verificano sulla terra

La crosta terrestre contiene il 2,27% di sodio, il che la rende il settimo elemento più abbondante sulla terra e il quinto metallo più abbondante, dietro l’alluminio, il ferro, il calcio e il magnesio e davanti al potassio. L’abbondanza oceanica stimata del sodio è di 1,08×104 milligrammi per litro. A causa della sua elevata reattività, non si trova mai come elemento puro. Si trova in molti minerali, alcuni molto solubili, come l’halite e il natron, altri molto meno solubili, come l’anfibolo e la zeolite. L’insolubilità di alcuni minerali di sodio come la criolite e il feldspato deriva dai loro anioni polimerici, che nel caso del feldspato è un polisilicato.

Si verificano nell’universo

Il sodio atomico ha una linea spettrale molto forte nella parte giallo-arancione dello spettro (la stessa linea usata nei lampioni a vapore di sodio). Questa appare come una linea di assorbimento in molti tipi di stelle, compreso il Sole. La linea fu studiata per la prima volta nel 1814 da Joseph von Fraunhofer durante la sua indagine delle linee dello spettro solare, ora note come linee di Fraunhofer. Fraunhofer la chiamò la “linea D”, anche se ora è noto che si tratta di un gruppo di linee strettamente distanziate e divise da una struttura fine e iperfine.

La forza della linea D significa che è stata rilevata in molti altri ambienti astronomici. Nelle stelle, si vede in tutte quelle le cui superfici sono abbastanza fredde da permettere al sodio di esistere in forma atomica (piuttosto che ionizzata). Ciò corrisponde a stelle di tipo F e più fredde. Molte altre stelle sembrano avere una linea di assorbimento del sodio, ma questo è in realtà causato da gas nel mezzo interstellare in primo piano. Le due possono essere distinte mediante spettroscopia ad alta risoluzione, perché le linee interstellari sono molto più strette di quelle allargate dalla rotazione stellare.

Il sodio è stato rilevato anche in numerosi ambienti del sistema solare, tra cui l’atmosfera di Mercurio, l’esosfera della Luna e numerosi altri corpi. Alcune comete hanno una coda di sodio, che è stata rilevata per la prima volta nelle osservazioni della cometa Hale-Bopp nel 1997. Il sodio è stato rilevato anche nelle atmosfere di alcuni pianeti extrasolari tramite spettroscopia di transito.

Produzione

Impiegato solo in applicazioni piuttosto specializzate, vengono prodotte annualmente solo circa 100.000 tonnellate di sodio metallico. Il sodio metallico è stato prodotto commercialmente per la prima volta alla fine del 19° secolo attraverso la riduzione carbotermica del carbonato di sodio a 1100 °C, come primo passo del processo Deville per la produzione di alluminio:

Na2CO3 + 2 C → 2 Na + 3 CO

L’elevata richiesta di alluminio ha creato la necessità di produrre sodio. L’introduzione del processo Hall-Héroult per la produzione di alluminio mediante elettrolisi di un bagno di sale fuso ha posto fine alla necessità di grandi quantità di sodio. Un processo correlato basato sulla riduzione dell’idrossido di sodio fu sviluppato nel 1886.

Il sodio viene ora prodotto commercialmente attraverso l’elettrolisi del cloruro di sodio fuso, sulla base di un processo brevettato nel 1924. Ciò avviene in una cella Downs in cui il NaCl viene miscelato con cloruro di calcio per abbassare il punto di fusione al di sotto dei 700 °C. Poiché il calcio è meno elettropositivo del sodio, non si deposita calcio al catodo. Questo metodo è meno costoso del precedente processo Castner (l’elettrolisi dell’idrossido di sodio).

Il mercato del sodio è volatile a causa della difficoltà di stoccaggio e di spedizione; deve essere conservato in un’atmosfera di gas inerte secco o di olio minerale anidro per evitare la formazione di uno strato superficiale di ossido di sodio o di superossido di sodio.

Uso economico

Anche se il sodio metallico ha alcuni usi importanti, le applicazioni principali per i composti di uso del sodio sono le seguenti: ogni anno vengono prodotte milioni di tonnellate di cloruro di sodio, idrossido e carbonato di sodio. Il cloruro di sodio è ampiamente utilizzato per l’antigelo e lo sbrinamento e come conservante; esempi degli usi del bicarbonato di sodio sono la cottura al forno, come agente lievitante, e la sodabbricazione. Insieme al potassio, molti farmaci importanti hanno aggiunto sodio per migliorare la loro biodisponibilità; sebbene il potassio sia lo ione migliore nella maggior parte dei casi, il sodio viene scelto per il suo prezzo più basso e il suo peso atomico. L’idruro di sodio è usato come base per varie reazioni (come la reazione di aldol) nella chimica organica e come agente riducente nella chimica inorganica.

Il sodio metallico è utilizzato principalmente per la produzione di sodio boroidruro, azotidrato di sodio, indaco e trifenilfosfina. Un uso un tempo comune era la produzione di tetraetillead e titanio metallico; a causa dell’abbandono del TEL e dei nuovi metodi di produzione del titanio, la produzione di sodio è diminuita dopo il 1970. Il sodio è anche usato come metallo legante, come agente anticalcare e come agente riducente per i metalli quando altri materiali sono inefficaci. Si noti che l’elemento libero non viene usato come agente di incrostazione, gli ioni nell’acqua vengono scambiati con ioni di sodio. Le lampade al plasma di sodio (“vapori”) sono spesso usate per l’illuminazione stradale nelle città, diffondendo una luce che varia dal giallo-arancio al pesco all’aumentare della pressione. Da solo o con il potassio, il sodio è un essiccante; dà una colorazione blu intenso con il benzofenone quando l’essiccato è secco. Nella sintesi organica, il sodio viene utilizzato in varie reazioni come la riduzione della betulla, e il test di fusione del sodio viene condotto per analizzare qualitativamente i composti. Il sodio reagisce con l’alcool e dà alcossi, e quando il sodio è disciolto in soluzione di ammoniaca, può essere utilizzato per ridurre gli alchini a trans-alcheni. I laser che emettono luce sulla linea D del sodio sono usati per creare stelle artificiali a guida laser che aiutano l’ottica adattiva per i telescopi a luce visibile terrestri.

Trasferimento di calore

Il sodio liquido è usato come fluido termovettore in alcuni tipi di reattori nucleari perché ha l’alta conducibilità termica e la sezione d’urto a basso assorbimento di neutroni necessaria per ottenere un elevato flusso di neutroni nel reattore. L’alto punto di ebollizione del sodio permette al reattore di funzionare a pressione ambiente (normale), ma gli svantaggi includono la sua opacità, che ostacola la manutenzione visiva, e le sue proprietà esplosive. Il sodio radioattivo 24 può essere prodotto dal bombardamento di neutroni durante il funzionamento, con un leggero rischio di radiazioni; la radioattività si arresta entro pochi giorni dalla rimozione dal reattore. Se un reattore deve essere spento frequentemente, si usa il NaK; poiché il NaK è un liquido a temperatura ambiente, il liquido di raffreddamento non si solidifica nei tubi. In questo caso, la piroforicità del potassio richiede ulteriori precauzioni per prevenire e rilevare perdite. Un’altra applicazione di trasferimento del calore è costituita dalle valvole a otturatore nei motori a combustione interna ad alte prestazioni; gli steli delle valvole sono parzialmente riempiti di sodio e funzionano come un tubo di calore per raffreddare le valvole.

Biologia

ruolo biologico negli esseri umani

Nell’uomo, il sodio è un minerale essenziale che regola il volume del sangue, la pressione sanguigna, l’equilibrio osmotico e il pH. Il fabbisogno fisiologico minimo di sodio è stimato a circa 120 milligrammi al giorno nei neonati fino a 500 milligrammi al giorno oltre i 10 anni di età.

Dieta

Il cloruro di sodio è la principale fonte di sodio nella dieta, ed è usato come condimento e conservante in prodotti come conserve sottaceto e jerky; per gli americani, la maggior parte del cloruro di sodio proviene da alimenti trasformati. Altre fonti di sodio sono la sua presenza naturale negli alimenti e gli additivi alimentari come il glutammato monosodico (MSG), il nitrito di sodio, la saccarina di sodio, il bicarbonato di sodio e il benzoato di sodio.

Raccomandazioni dietetiche

L’Istituto di Medicina degli Stati Uniti ha fissato il suo livello tollerabile di assunzione superiore di sodio a 2,3 grammi al giorno, ma la persona media negli Stati Uniti consuma 3,4 grammi al giorno.

Salute

Gli studi hanno scoperto che l’abbassamento dell’assunzione di sodio di 2 g al giorno tende ad abbassare la pressione sistolica di circa due o quattro mm Hg. È stato stimato che una tale diminuzione dell’assunzione di sodio porterebbe a tra il 9 e il 17% in meno di casi di ipertensione.

L’ipertensione causa 7,6 milioni di morti premature in tutto il mondo ogni anno. (Si noti che il sale contiene circa il 39,3% di sodio - il resto è cloro e tracce di sostanze chimiche; quindi, 2,3 g di sodio sono circa 5,9 g, o 5,3 ml, di sale - circa un cucchiaino da tè americano). L’American Heart Association raccomanda non più di 1,5 g di sodio al giorno.

Uno studio ha trovato che le persone con o senza ipertensione che hanno escreto meno di 3 grammi di sodio al giorno nelle loro urine (e quindi stavano prendendo in meno di 3 g/d) avevano un rischio maggiore di morte, ictus o infarto rispetto a quelli che escrescono 4-5 grammi al giorno. Livelli di 7 g al giorno o più nelle persone con ipertensione sono stati associati a una maggiore mortalità e ad eventi cardiovascolari, ma questo non è risultato essere vero per le persone senza ipertensione. La FDA statunitense afferma che gli adulti con ipertensione e preipertensione dovrebbero ridurre l’assunzione giornaliera a 1,5 g.

Il sistema renina-angiotensina regola la quantità di liquido e la concentrazione di sodio nel corpo. La riduzione della pressione sanguigna e della concentrazione di sodio nel rene porta alla produzione di renina, che a sua volta produce aldosterone e angiotensina, che stimola il riassorbimento del sodio nel flusso sanguigno. Quando la concentrazione di sodio aumenta, la produzione di renina diminuisce e la concentrazione di sodio ritorna alla normalità. Lo ione sodio (Na+) è un importante elettrolita nella funzione neuronale e nell’osmoregolazione tra le cellule e il fluido extracellulare. Questo è realizzato in tutti gli animali da Na+/K+-ATPase, un trasportatore attivo che pompa ioni contro il gradiente, e canali sodio/potassio. Il sodio è lo ione metallico più prevalente nel fluido extracellulare.

Insolitamente bassi o alti livelli di sodio negli esseri umani sono riconosciuti in medicina come iponatremia e ipernatremia. Queste condizioni possono essere causate da fattori genetici, invecchiamento, o vomito prolungato o diarrea.

Ruolo biologico nelle piante

Nelle piante C4, il sodio è un micronutriente che aiuta il metabolismo, in particolare nella rigenerazione del fosfoenolpiruvato e nella sintesi della clorofilla. In altre, sostituisce il potassio in diversi ruoli, come il mantenimento della pressione del turgore e l’aiuto nell’apertura e nella chiusura degli stomi. L’eccesso di sodio nel terreno può limitare l’assorbimento di acqua diminuendo il potenziale idrico, che può causare l’appassimento delle piante; concentrazioni eccessive nel citoplasma possono portare all’inibizione degli enzimi, che a sua volta causa necrosi e clorosi. In risposta, alcune piante hanno sviluppato meccanismi per limitare l’assorbimento di sodio nelle radici, per immagazzinarlo nei vacuoli cellulari e limitare il trasporto del sale dalle radici alle foglie; il sodio in eccesso può anche essere immagazzinato nei vecchi tessuti delle piante, limitando i danni alla nuova crescita. Gli alofiti si sono adattati per poter prosperare in ambienti ricchi di sodio.

Sicurezza

Il sodio forma idrogeno infiammabile e idrossido di sodio caustico a contatto con l’acqua; l’ingestione e il contatto con l’umidità della pelle, degli occhi o delle mucose può causare gravi ustioni. Il sodio esplode spontaneamente in presenza di acqua a causa della formazione di idrogeno (altamente esplosivo) e idrossido di sodio (che si scioglie nell’acqua, liberando più superficie). Tuttavia, il sodio esposto all’aria e infiammato o che raggiunge l’autocombustione (si dice che si verifichi quando una pozza di sodio fuso raggiunge circa 290 °C) mostra un fuoco relativamente mite. Nel caso di pezzi massicci (non fusi) di sodio, la reazione con l’ossigeno alla fine diventa lenta a causa della formazione di uno strato protettivo. Gli estintori a base di acqua accelerano gli incendi di sodio; quelli a base di anidride carbonica e bromoclorodifluorometano non dovrebbero essere usati su incendi di sodio. Gli incendi metallici sono di classe D, ma non tutti gli estintori di classe D sono utilizzabili con il sodio. Un agente estinguente efficace per gli incendi di sodio è il Met-L-X. Altri agenti efficaci sono il Lith-X, che ha polvere di grafite e un ritardante di fiamma organofosfato, e sabbia asciutta. Gli incendi di sodio sono evitati nei reattori nucleari isolando il sodio dall’ossigeno mediante l’isolamento del sodio dai tubi di sodio circostanti con gas inerte. Gli incendi di sodio di tipo piscina sono evitati usando diverse misure di progettazione chiamate sistemi di vaschette di raccolta. Essi raccolgono il sodio che perde in un serbatoio di recupero dove viene isolato dall’ossigeno.