Natrium

Natrium is een chemisch element met het symbool Na (van het Latijnse natrium) en atoomnummer 11. Het is een zacht, zilverwit, zeer reactief metaal. Natrium is een alkalimetaal, dat zich in groep 1 van het periodiek systeem bevindt, omdat het één enkel elektron in zijn buitenste schil heeft, dat het gemakkelijk schenkt, waardoor een positief geladen ionen-het Na+-kation ontstaat. Zijn enige stabiele isotoop is 23Na. Het vrije metaal komt niet voor in de natuur, en moet worden bereid uit verbindingen. Natrium is het zesde meest voorkomende element in de aardkorst en bestaat in talrijke mineralen zoals veldspaat, sodaliet en steenzout (NaCl). Veel natriumzouten zijn zeer goed oplosbaar in water: natriumionen zijn door de werking van water uit de aardse mineralen uitgeloogd over eonen, en dus zijn natrium en chloor de meest voorkomende opgeloste elementen in de oceanen naar gewicht.

Natrium werd voor het eerst geïsoleerd door Humphry Davy in 1807 door de elektrolyse van natriumhydroxide. Naast vele andere nuttige natriumverbindingen wordt natriumhydroxide (loog) gebruikt bij de vervaardiging van zeep, en natriumchloride (eetbaar zout) is een ontdooimiddel en een voedingsstof voor dieren, waaronder mensen.

Natrium is een essentieel element voor alle dieren en sommige planten. Natriumionen zijn het belangrijkste kation in de extracellulaire vloeistof (ECF) en leveren als zodanig de grootste bijdrage aan het volume van de osmotische druk van de ECF en het ECF-compartiment. Verlies van water uit het ECF-compartiment verhoogt de natriumconcentratie, een aandoening die hypernatremie wordt genoemd. Isotoonverlies van water en natrium uit het ECF-compartiment vermindert de grootte van dat compartiment in een toestand die ECF-hypovolemie wordt genoemd.

Door middel van de natrium-kaliumpomp pompen levende menselijke cellen drie natriumionen uit de cel in ruil voor twee binnengepompt kaliumionen; vergelijking van de ionenconcentraties over het celmembraan, binnen naar buiten, kalium meet ongeveer 40:1, en natrium, ongeveer 1:10. In zenuwcellen maakt de elektrische lading over het celmembraan de overdracht van de zenuwimpuls mogelijk - een actiepotentiaal - wanneer de lading is verdwenen; natrium speelt een belangrijke rol in die activiteit.

Geschiedenis

Vanwege het belang ervan voor de menselijke gezondheid is zout al lange tijd een belangrijk goed, zoals blijkt uit het Engelse woord salary, dat afkomstig is van salarium, de zoutbroodjes die soms samen met hun andere lonen aan Romeinse soldaten worden gegeven. In het middeleeuwse Europa werd een samenstelling van natrium met de Latijnse naam sodanum gebruikt als hoofdpijnmiddel. De naam natrium zou afkomstig zijn van de Arabische suda, wat hoofdpijn betekent, omdat de hoofdpijnverlichtende eigenschappen van natriumcarbonaat of soda in de beginjaren bekend waren. Hoewel natrium, soms ook wel soda genoemd, al lang in verbindingen werd herkend, werd het metaal zelf pas in 1807 door Sir Humphry Davy geïsoleerd door de elektrolyse van natriumhydroxide. In 1809 stelde de Duitse fysicus en chemicus Ludwig Wilhelm Gilbert de namen Natronium voor Humphry Davy’s “sodium” en Kalium voor Davy’s “kalium” voor. De chemische afkorting voor natrium werd voor het eerst gepubliceerd in 1814 door Jöns Jakob Berzelius in zijn systeem van atoomsymbolen, en is een afkorting van de Nieuwe Latijnse naam natrium van het element, die verwijst naar de Egyptische natron, een natuurlijk mineraal zout dat voornamelijk bestaat uit gehydrateerd natriumcarbonaat. Natron had historisch gezien verschillende belangrijke industriële en huishoudelijke toepassingen, later overschaduwd door andere natriumverbindingen.

Natuurlijk voorkomen

Voorkomen op aarde

De aardkorst bevat 2,27% natrium en is daarmee het zevende meest voorkomende element op aarde en het vijfde meest voorkomende metaal, achter aluminium, ijzer, calcium en magnesium en vóór kalium. De geschatte hoeveelheid natrium in de oceaan is 1,08×104 milligram per liter. Vanwege zijn hoge reactiviteit wordt het nooit gevonden als een zuiver element. Het wordt gevonden in vele mineralen, sommige zeer goed oplosbaar, zoals haliet en natron, andere veel minder oplosbaar, zoals amfibool en zeoliet. De onoplosbaarheid van bepaalde natriummineralen zoals kryoliet en veldspaat ontstaat door hun polymere anionen, wat in het geval van veldspaat een polysilicaat is.

Voorkomen in het universum

Atoomnatrium heeft een zeer sterke spectraallijn in het geel-oranje deel van het spectrum (dezelfde lijn als in de natriumdampstraatverlichting). Dit verschijnt als een absorptielijn in vele soorten sterren, waaronder de Zon. De lijn werd voor het eerst bestudeerd in 1814 door Joseph von Fraunhofer tijdens zijn onderzoek naar de lijnen in het zonnespectrum, nu bekend als de Fraunhofer-lijnen. Fraunhofer noemde het de ‘D-lijn’, hoewel het nu bekend is dat het eigenlijk een groep dicht bij elkaar staande lijnen is die gesplitst zijn door een fijne en hyperfijne structuur.

De sterkte van de D-lijn betekent dat hij in veel andere astronomische omgevingen is ontdekt. In sterren wordt het gezien in elk van de gebieden waarvan het oppervlak koel genoeg is om natrium in atomaire vorm te laten bestaan (in plaats van geïoniseerd). Dit komt overeen met sterren van ongeveer F-type en koeler. Veel andere sterren lijken een natrium-absorptielijn te hebben, maar dit wordt eigenlijk veroorzaakt door gas in het interstellaire medium op de voorgrond. De twee zijn te onderscheiden via hoge-resolutie spectroscopie, omdat interstellaire lijnen veel smaller zijn dan die verbreed worden door stellaire rotatie.

Natrium is ook gedetecteerd in talrijke omgevingen van het Zonnestelsel, waaronder de atmosfeer van Mercurius, de exosfeer van de Maan, en tal van andere lichamen. Sommige kometen hebben een natriumstaart, die voor het eerst werd ontdekt in waarnemingen van Comet Hale-Bopp in 1997. Natrium is zelfs gedetecteerd in de atmosferen van sommige extrapolaire planeten via transit-spectroscopie.

Productie

Alleen in vrij gespecialiseerde toepassingen wordt jaarlijks slechts ongeveer 100.000 ton metallisch natrium geproduceerd. Metallisch natrium werd voor het eerst commercieel geproduceerd aan het einde van de 19e eeuw door de carbothermische reductie van natriumcarbonaat bij 1100 °C, als eerste stap van het Deville-proces voor de productie van aluminium:

Na2CO3 + 2 C → 2 Na + 3 CO

Door de grote vraag naar aluminium ontstond de behoefte aan de productie van natrium. De introductie van het Hall-Héroult proces voor de productie van aluminium door het elektrolyseren van een gesmolten zoutbad maakte een einde aan de behoefte aan grote hoeveelheden natrium. Een aanverwant proces gebaseerd op de reductie van natriumhydroxide werd ontwikkeld in 1886.

Natrium wordt nu commercieel geproduceerd door middel van de elektrolyse van gesmolten natriumchloride, op basis van een in 1924 gepatenteerd proces. Dit gebeurt in een Downs-cel waarin het NaCl wordt gemengd met calciumchloride om het smeltpunt onder 700 °C te brengen. Omdat calcium minder elektropositief is dan natrium, wordt er geen calcium aan de kathode afgezet. Deze methode is minder duur dan het vorige Castner-proces (de elektrolyse van natriumhydroxide).

De markt voor natrium is volatiel vanwege de moeilijkheidsgraad van opslag en verzending; het moet worden opgeslagen onder een droge inerte gasatmosfeer of watervrije minerale olie om de vorming van een oppervlaktelaag van natriumoxide of natriumsuperoxide te voorkomen.

Economisch gebruik

Hoewel metallisch natrium een aantal belangrijke toepassingen heeft, zijn de belangrijkste toepassingen voor natriumverbindingen; jaarlijks worden miljoenen tonnen natriumchloride, -hydroxide en -carbonaat geproduceerd. Natriumchloride wordt op grote schaal gebruikt voor anti-icing en de-icing en als conserveringsmiddel; voorbeelden van het gebruik van natriumbicarbonaat zijn onder andere bakken, als rijsmiddel en doorweekmiddel. Samen met kalium hebben veel belangrijke medicijnen natrium toegevoegd om hun biologische beschikbaarheid te verbeteren; hoewel kalium in de meeste gevallen het betere ion is, wordt natrium gekozen voor zijn lagere prijs en atoomgewicht. Natriumhydride wordt gebruikt als basis voor verschillende reacties (zoals de aldolreactie) in de organische chemie, en als reductiemiddel in de anorganische chemie.

Metallic natrium wordt vooral gebruikt voor de productie van natriumborohydraat, natriumazide, indigo en trifenylfosfine. Een eens zo alledaags gebruik was het maken van tetraethyllood en titaanmetaal; door de beweging weg van TEL en nieuwe titanium productiemethoden, daalde de productie van natrium na 1970. Natrium wordt ook gebruikt als een legeringsmetaal, een anti-schaalmiddel, en als een reductiemiddel voor metalen wanneer andere materialen niet effectief zijn. Let op: het vrije element wordt niet gebruikt als kalkmiddel, ionen in het water worden uitgewisseld voor natriumionen. Natriumplasma (“damp”) lampen worden vaak gebruikt voor straatverlichting in steden, waarbij het licht varieert van geel-oranje tot perzik als de druk toeneemt. Natrium is op zichzelf of met kalium een droogmiddel; het geeft een intense blauwe kleur met benzofenon wanneer de drooglegging droog is. Bij organische synthese wordt natrium gebruikt in verschillende reacties, zoals de berkenreductie, en de natriumfusietest wordt uitgevoerd om de verbindingen kwalitatief te analyseren. Natrium reageert met alcohol en geeft alkoxides, en wanneer natrium is opgelost in een ammoniakoplossing, kan het worden gebruikt om alkynen te reduceren tot trans-alkenen. Lasers die licht uitstralen op de natrium D-lijn worden gebruikt om kunstmatige lasergeleidingssterren te maken die helpen bij de adaptieve optiek voor telescopen met zichtbaar licht op het land.

Warmteoverdracht

Vloeibaar natrium wordt gebruikt als warmteoverdrachtvloeistof in sommige soorten kernreactoren omdat het de hoge thermische geleidbaarheid en lage neutronenabsorptie-doorsnede heeft die nodig is om een hoge neutronenflux in de reactor te bereiken. Door het hoge kookpunt van natrium kan de reactor werken bij omgevingsdruk (normale druk), maar de nadelen zijn onder andere de opaciteit, die het visuele onderhoud belemmert, en de explosieve eigenschappen. Radioactief natrium-24 kan worden geproduceerd door een neutronenbombardement tijdens de werking, wat een licht stralingsgevaar oplevert; de radioactiviteit stopt binnen enkele dagen na verwijdering uit de reactor. Als een reactor regelmatig moet worden stilgelegd, wordt NaK gebruikt; omdat NaK een vloeistof is op kamertemperatuur, stolt de koelvloeistof niet in de leidingen. In dit geval vereist de pyrofore werking van kalium extra voorzorgsmaatregelen om lekkages te voorkomen en op te sporen. Een andere toepassing van warmteoverdracht is schotelkleppen in krachtige verbrandingsmotoren; de kleppenstelen zijn gedeeltelijk gevuld met natrium en werken als een heat pipe om de kleppen te koelen.

Biologie

Biologische rol in de mens

Bij de mens is natrium een essentieel mineraal dat het bloedvolume, de bloeddruk, het osmotische evenwicht en de pH-waarde reguleert. De minimale fysiologische behoefte aan natrium wordt geschat op ongeveer 120 milligram per dag bij pasgeborenen tot 500 milligram per dag boven de leeftijd van 10 jaar.

Dieet

Natriumchloride is de belangrijkste bron van natrium in het dieet, en wordt gebruikt als smaakmaker en conserveermiddel in dergelijke producten zoals ingemaakte conserven en schokkerig; voor Amerikanen is het meeste natriumchloride afkomstig van verwerkt voedsel. Andere bronnen van natrium zijn het natuurlijke voorkomen ervan in levensmiddelen en dergelijke levensmiddelenadditieven zoals mononatriumglutamaat (MSG), natriumnitriet, natriumsaccharine, bakpoeder (natriumbicarbonaat) en natriumbenzoaat.

Voedingsaanbevelingen

Het U.S. Institute of Medicine heeft zijn Tolerable Upper Intake Level voor natrium vastgesteld op 2,3 gram per dag, maar de gemiddelde persoon in de Verenigde Staten verbruikt 3,4 gram per dag.

Gezondheid

Studies hebben aangetoond dat het verlagen van de natriuminname met 2 g per dag de neiging heeft om de systolische bloeddruk met ongeveer twee tot vier mm Hg te verlagen. Geschat wordt dat een dergelijke verlaging van de natriuminname zou leiden tot 9 tot 17% minder gevallen van hypertensie.

Hypertensie veroorzaakt wereldwijd 7,6 miljoen vroegtijdige sterfgevallen per jaar. (Merk op dat zout ongeveer 39,3% natrium bevat - de rest bestaat uit chloor en sporenelementen; 2,3 g natrium is dus ongeveer 5,9 g, of 5,3 ml, zout, ongeveer één Amerikaanse theelepel). De American Heart Association beveelt niet meer dan 1,5 g natrium per dag aan.

Een studie vond dat mensen met of zonder hypertensie die minder dan 3 gram natrium per dag in hun urine uitscheiden (en dus minder dan 3 g/d innamen) een hoger risico op overlijden, een beroerte of een hartaanval hadden dan degenen die 4 tot 5 gram per dag uitscheiden. Niveaus van 7 g per dag of meer bij mensen met hypertensie werden in verband gebracht met een hogere mortaliteit en cardiovasculaire gebeurtenissen, maar dit bleek niet te gelden voor mensen zonder hypertensie. De Amerikaanse FDA stelt dat volwassenen met hypertensie en prehypertensie de dagelijkse inname zouden moeten verminderen tot 1,5 g.

Het renine-angiotensine systeem regelt de hoeveelheid vocht en natriumconcentratie in het lichaam. Verlaging van de bloeddruk en de natriumconcentratie in de nieren resulteert in de productie van renine, dat op zijn beurt aldosteron en angiotensine produceert, wat de heropname van natrium in de bloedsomloop stimuleert. Wanneer de natriumconcentratie toeneemt, neemt de productie van renine af en wordt de natriumconcentratie weer normaal. Het natriumion (Na+) is een belangrijke elektrolyt in de neuronfunctie en in de osmoregulatie tussen de cellen en de extracellulaire vloeistof. Dit wordt bij alle dieren bereikt door Na+/K+-ATPase, een actieve transporteur die ionen tegen de gradiënt in pompt, en natrium/kalium kanalen. Natrium is het meest voorkomende metaalion in extracellulaire vloeistof.

Ongewoon lage of hoge natriumniveaus in de mens worden in de geneeskunde herkend als hyponatremie en hypernatremie. Deze aandoeningen kunnen worden veroorzaakt door genetische factoren, veroudering, of langdurig braken of diarree.

Biologische rol in planten

In C4-planten is natrium een micronutriënt dat de stofwisseling bevordert, met name bij de regeneratie van fosfonolpyruvaat en de synthese van chlorofyl. In andere gevallen vervangt het kalium in verschillende rollen, zoals het handhaven van de turgordruk en het helpen bij het openen en sluiten van de huidmondjes. Overtollige natrium in de bodem kan de opname van water beperken door het waterpotentieel te verminderen, wat kan leiden tot verwelking van de plant; overtollige concentraties in het cytoplasma kunnen leiden tot enzymremming, wat op zijn beurt weer leidt tot necrose en chlorose. Als reactie daarop hebben sommige planten mechanismen ontwikkeld om de natriumopname in de wortels te beperken, deze op te slaan in celvacuoles en het zouttransport van de wortels naar de bladeren te beperken; overtollig natrium kan ook worden opgeslagen in oud plantweefsel, waardoor de schade aan nieuwe groei wordt beperkt. Halofyten hebben zich aangepast om te kunnen floreren in een natriumrijke omgeving.

Veiligheid

Natrium vormt bij contact met water brandbare waterstof en bijtende natriumhydroxide; opname en contact met vocht op de huid, ogen of slijmvliezen kan ernstige brandwonden veroorzaken. Natrium explodeert spontaan in de aanwezigheid van water door de vorming van waterstof (zeer explosief) en natriumhydroxide (dat in het water oplost en zo meer oppervlakte vrijmaakt). Echter, natrium dat aan de lucht wordt blootgesteld en ontbrandt of zelfontbranding bereikt (naar verluidt gebeurt dit wanneer een gesmolten natriumbassin ongeveer 290 °C bereikt), vertoont een relatief mild vuur. In het geval van massieve (niet gesmolten) stukjes natrium wordt de reactie met zuurstof uiteindelijk langzaam door de vorming van een beschermende laag. Brandblussers op basis van water versnellen een natriumbrand; die op basis van kooldioxide en broomchloordifluormethaan mogen niet worden gebruikt bij een natriumbrand. Metaalbranden zijn klasse D, maar niet alle klasse D-blussers zijn bruikbaar met natrium. Een effectief blusmiddel voor natriumbranden is Met-L-X. Andere effectieve middelen zijn Lith-X, dat grafietpoeder en een organofosfaat vlamvertrager heeft, en droog zand. Natriumbranden worden in kernreactoren voorkomen door natrium te isoleren van zuurstof door natriumpijpen te omringen met inert gas. Natriumbranden in zwembaden worden voorkomen met behulp van diverse ontwerpmaatregelen, de zogenaamde “catch pan”-systemen. Ze vangen het lekkende natrium op in een lekbak waar het geïsoleerd is van zuurstof.