נתרן: היסטוריה, מבנה, תכונות, סיכונים ושימושים - כִּימִיָה - 2025

נתרן הוא מתכת אלקלית של קבוצה 1 של הטבלה המחזורית. המספר האטומי שלו הוא 11 והוא מיוצג על ידי הסמל הכימי Na. זוהי מתכת קלה, פחות צפופה ממים, בצבע לבן-כסוף שהופכת לאפור כאשר היא נחשפת לאוויר; זו הסיבה שהיא מאוחסנת בפרפינים או בגזים אצילים.

בנוסף, מדובר במתכת רכה שניתן לחתוך בעזרת סכין והופכת להיות שבירה בטמפרטורות נמוכות. מגיב בפיצוץ עם מים ליצירת נתרן הידרוקסיד וגז מימן; זה מגיב גם עם אוויר לח ועם לחות של ידיים חשופות.

נתרן מתכתי המאוחסן בבקבוק וטבול בשמן כך שהוא לא יגיב באוויר. מקור: תמונות Hi-Res של אלמנטים כימיים

מתכת זו נמצאת במינרלים של מלח סלעים כמו הליט (נתרן כלוריד), במי מלח ובים. נתרן כלוריד מייצג 80% מכל החומרים המומסים בים, כאשר נתרן שופע 1.05%. זהו היסוד השישי בשפע בקרום כדור הארץ.

ניתוח ספקטרום האור המגיע מכוכבים איפשר לגלות את נוכחותם בהם, כולל השמש. כמו כן, נקבע נוכחותם במטאוריטים.

נתרן הוא מוליך תרמי וחשמלי טוב, כמו גם בעל יכולת ספיגת חום נהדרת. הוא חווה את התופעה הפוטואלקטרית, כלומר הוא מסוגל לפלוט אלקטרונים כשהוא מואר. כאשר היא נשרפת, להבתה פולטת אור צהוב עז.

נתרן מותך משמש כחומר העברת חום, וזו הסיבה שהוא משמש כנוזל קירור בכורים גרעיניים מסוימים. הוא משמש גם כמסיר רעלים ומפחית מתכת, וזו הסיבה שהוא שימש לטיהור מתכות מעבר, כגון טיטניום וזירקוניום.

נתרן הוא התורם העיקרי לאוסמולריות של התא החוץ-תאי ונפחו. כמו כן, היא אחראית לייצור פוטנציאלים לפעולה בתאים נרגשים ולהתחלת התכווצות השרירים.

צריכת נתרן מוגזמת עלולה לגרום: מחלות לב וכלי דם, עלייה בסיכון לשבץ מוחי, אוסטאופורוזיס כתוצאה מגיוס סידן בעצמות ונזק לכליות.

הִיסטוֹרִיָה

האדם השתמש בתרכובות נתרן מאז ימי קדם, במיוחד נתרן כלוריד (מלח נפוץ) ונתרן קרבונט. הוכחות חשיבות המלח על ידי השימוש במילה הלטינית "סלריום" כדי לציין חלק מלח שקיבלו החיילים במסגרת התשלום.

בימי הביניים נעשה שימוש בתרכובת נתרן עם השם הלטיני "sodanum", שפירושו כאב ראש.

בשנת 1807 בודד סר האמפרי דייווי נתרן על ידי אלקטרוליזה של נתרן הידרוקסיד. דייווי גם בודד אשלגן, בתקופה בה נתפסים נתרן הידרוקסיד ואשלגן הידרוקסיד כחומרים יסודיים ונקראו אלקליות קבועות.

דייוי במכתב לחבר כתב: "פירקתי ושברתי מחדש את האלקליות הקבועות וגיליתי שהבסיסים שלהם היו שני חומרים דליקים מאוד הדומים למתכות; אבל אחד מהם דליק יותר מהשני ומגיב מאוד ".

בשנת 1814 השתמש ג'ונס יעקב במערכת הסמלים הכימיים שלו בקיצור Na למילה הלטינית 'natrium', בכדי לקרוא לנתרן. מילה זו באה משמה 'נטרון' המצרי המשמש להתייחס לנתרן קרבונט.

מבנה ותצורת אלקטרונים של נתרן

נתרן מתכתי מתגבש למבנה מעוקב (גוף סמוק). לכן אטומי ה- Na שלה ממוקמים ליצירת קוביות, כאשר אחת מהן ממוקמת במרכז וכל אחת מהן שמונה שכנות.

מבנה זה מאופיין בכך שהוא הפחות צפוף מכולם, המסכים עם הצפיפות הנמוכה של מתכת זו; כה נמוך, עד שהוא יחד עם ליתיום ואשלגן, המתכות היחידות שיכולות לצוף במים נוזליים (לפני התפוצצות, כמובן). המסה האטומית הנמוכה שלו, יחסית לרדיוס האטומי הנפח שלה, תורמת גם היא למאפיין זה.

הקשר המתכתי שנוצר, לעומת זאת, הוא חלש למדי, וניתן להסביר אותו מהתצורה האלקטרונית:

3s ¹

האלקטרונים במעטפת הסגורה אינם משתתפים (לפחות בתנאים רגילים) בקשר המתכתי; אבל האלקטרון במסלול השלישי. אטומי Na חופפים את האורביטלים של שנות ה -3 שלהם ליצירת רצועת ערכיות; וה 3p, ריק, רצועת הולכה.

רצועת ה -3 זו, כשהיא מלאה למחצה, כמו גם בגלל הצפיפות הנמוכה של הגביש, הופכת את הכוח, המנוהל על ידי "ים האלקטרונים", לחלש. כתוצאה מכך ניתן לחתוך נתרן מתכתי במתכת ונמס רק על 98 מעלות צלזיוס.

מעברים שלב

גביש הנתרן יכול לעבור שינויים במבנהו כאשר הוא חווה עלייה בלחץ; כאשר הוא מחומם, סביר להניח שהוא לא יעבור מעברים בשלב בגלל נקודת ההתכה הנמוכה שלו.

ברגע שמתחילים מעברי שלב משתנים תכונות המתכת. לדוגמה, המעבר הראשון מייצר מבנה מעוקב עם פנים (fcc). לפיכך, המבנה הדליל bcc נדחס ל- fcc כאשר נלחץ על הנתרן המתכתי.

יתכן וזה לא יביא שינוי ניכר בתכונות הנתרן מלבד בצפיפותו. עם זאת, כאשר הלחצים גבוהים מאוד, האלוטרופים (לא פולימורפיים מאחר שהם מתכת טהורה) הופכים באופן מפתיע למבודדים ומחשבים; כלומר, אפילו האלקטרונים קבועים בגביש כאיונים ואינם מסתובבים בחופשיות.

בנוסף לאמור לעיל, גם צבעיהם משתנים; נתרן מפסיק להיות אפרפר להיות כהה, אדמדם או אפילו שקוף, עם עליית לחצי ההפעלה.

מספרי חמצון

בהתחשב במסלולי העוצמה של ה- 3, כאשר הנתרן מאבד את האלקטרון היחיד שלו, הוא הופך במהירות לקטיון Na ⁺ שהוא איזואלקטרוני לניאון. כלומר, גם ל- Na ⁺ וגם ל- Ne מספר זהה של אלקטרונים. אם משערים כי נוכחות Na ⁺ בתרכובת, אומרים שמספר החמצון שלה הוא +1.

בעוד שאם ההפך קורה, כלומר נתרן שמשיג אלקטרון, תצורת האלקטרון שהתקבל היא 3s ² ; עכשיו הוא איזואלקטרוני עם מגנזיום, בהיותו האניון Na ^- המכונה נתרן. אם ההנחה של נוכחות Na ^- בתרכובת, אזי לנתרן יהיה מספר חמצון של -1.

נכסים

תמיסת אתיל של שריפת נתרן כלוריד כדי לבטא את הצבע הצהוב האופייני של הלהבה למתכת זו. מקור: דר מסר

תיאור פיזי

מתכת קלה ורכה, ניתנת לניתוח.

משקל אטומי

22.989 גרם / מול.

צֶבַע

נתרן הוא מתכת כסופה בהירה. מבריק כאשר נחתך טרי, אך מאבד את הברק שלו כאשר הוא מכניס מגע עם אוויר, הופך אטום. רך בטמפרטורה, אך די קשה ב -20 מעלות צלזיוס.

נקודת רתיחה

880 מעלות צלזיוס

נקודת המסה

97.82 מעלות צלזיוס (כמעט 98 מעלות צלזיוס).

צְפִיפוּת

בטמפרטורת החדר: 0.968 גרם / ס"מ ³ .

במצב נוזלי (נקודת התכה): 0.927 גרם / ס"מ ³ .

מְסִיסוּת

בלתי מסיס בבנזין, נפט ונפטה. זה מתמוסס באמוניה נוזלית, נותן תמיסה בצבע כחול. זה מתמוסס בכספית ויוצר אמלגם.

לחץ אדים

טמפרטורה 802 K: 1 kPa; כלומר לחץ האדים שלו נמוך משמעותית גם בטמפרטורות גבוהות.

הִתפָּרְקוּת

זה מתפרק באלימות במים ויוצר נתרן הידרוקסיד ומימן.

טמפרטורת התלקחות

120-125 מעלות צלזיוס

צְמִיגוּת

0.680 cP בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס

מתח פנים

192 שדים / ס"מ בנקודת התכה.

מדד שבירה

4.22.

אלקטרונגטיביות

0.93 בסולם פאולינג.

אנרגיית יינון

יינון ראשון: 495.8 kJ / mol.

יינון שני: 4,562 kJ / mol.

יינון שלישי: 6,910.3 kJ / mol.

רדיו אטומי

186 בערב.

רדיוס קוולנטי

166 ± 9 בערב.

התפשטות תרמית

71 מיקרומטר (m · K) ב 26 מעלות צלזיוס.

מוליכות תרמית

132.3 W / m K ב 293.15 K.

התנגדות חשמלית

4.77 × 10 ^-8 atm בגובה 293 ק.

מִנוּחַ

מכיוון שלנתרן יש מספר חמצון ייחודי של +1, שמות התרכובות שלהם, הנשלטים על ידי שמות המניות, מפושטים מכיוון שמספר זה אינו מוגדר בסוגריים ועם ספרות רומיות.

באותו אופן, שמותיהם על פי המינוח המסורתי מסתיימים בסיומת-ico.

לדוגמה, NaCl הוא נתרן כלוריד על פי שמות המניות, מכיוון שהוא נתרן כלוריד (I) שגוי. זה נקרא גם נתרן מונוכרloride, על פי הנוטט השיטתי; ונתרן כלורי, על פי המינוח המסורתי. עם זאת, שמו הנפוץ ביותר הוא מלח שולחן.

תפקיד ביולוגי

רכיב אוסמוטי

לנתרן יש ריכוז חוץ תאי של 140 מ"מ / ל"ל, כשהוא נמצא בצורה יונית (Na ⁺ ). כדי לשמור על האלקטרונליות של תא החדר החוץ תאי, Na ⁺ מלווה באנלי כלוריד (Cl ^- ) וביקרבונט (HCO ₃ ^- ), עם ריכוזים של 105 מ"מ / ל"ל ו -25 מ"מ / ל"ל בהתאמה.

הקטיון Na ⁺ הוא המרכיב האוסמוטי העיקרי ויש לו את התרומה הגדולה ביותר לאוסמולריות של התא החוץ תאי, כך שישנו שוויון של אוסמולריות בין התאים החוץ תאיים המבטיחים את שלמות התא התא.

לעומת זאת, הריכוז התוך תאי של Na ⁺ הוא 15 מ"מ / ל"ל. אז: מדוע הריכוזיות Na ⁺ החוץ-תאיות אינן משוות ?

ישנן שתי סיבות לכך שזה לא מתרחש: א) ממברנת הפלזמה חדירה גרועה ל- Na ⁺ . ב) קיומה של משאבת Na ⁺ -K ⁺ .

המשאבה היא מערכת אנזימטית בקרום הפלזמה המשתמשת באנרגיה הכלולה ב- ATP בכדי להסיר שלושה אטומי Na ⁺ ולהכניס שני אטומי K ⁺ .

בנוסף, קיימת מערכת הורמונים, כולל אלדוסטרון, אשר באמצעות קידום ספיגה חוזרת של נתרן כלייתי, מבטיח שמירה על ריכוז הנתרן החוץ תאי בערכו הראוי. הורמון אנטי-דיורטטי עוזר לשמור על נפח חוץ-תאי.

הפקת פוטנציאלים לפעולה

תאים נרגשים (נוירונים ותאי שריר) הם אלה המגיבים לגירוי מתאים עם היווצרות פוטנציאל פעולה או דחף עצבי. תאים אלה שומרים על הפרש מתח על פני קרום הפלזמה.

פנים התא טעון באופן שלילי ביחס לחיצוני התא בתנאי מנוחה. בהינתן גירוי מסוים, יש עלייה בחדירות הממברנה ל- Na ⁺ וכמות קטנה של יוני ⁺ Na נכנסת לתא , וגורמת לחלל הפנימי של התא להיות טעון חיובי.

זה מה שמכונה פוטנציאל פעולה, שיכול להתפשט בכל נוירון וזו הדרך בה מידע עובר דרכו.

כאשר פוטנציאל הפעולה מגיע לתאי שריר, הוא ממריץ אותם להתכווץ באמצעות מנגנונים מורכבים פחות או יותר.

לסיכום, נתרן אחראי לייצור פוטנציאלים לפעולה בתאים נרגשים ולהתחלת התכווצות תאי השריר.

איפה זה נמצא

קרום כדור הארץ

נתרן הוא היסוד השביעי בשכיחותו בקרום כדור הארץ, המייצג 2.8% ממנו. נתרן כלוריד הוא חלק מהמלית המינרלית, המייצגת 80% מהחומרים המומסים בים. תכולת הנתרן בים היא 1.05%.

נתרן הוא יסוד מאוד תגובתי, וזו הסיבה שהוא לא נמצא בצורתו הטבעית או היסודית. הוא נמצא במינרלים מסיסים כמו הליט או במינרלים בלתי מסיסים כמו קריוליט (פלואוריד אלומיניום נתרן).

ים והמלית המינרלית

מלבד הים בכלל, ים המלח מאופיין בכך שיש בו ריכוז גבוה מאוד של מלחים ומינרלים שונים, בעיקר נתרן כלורי. באגם המלח הגדול בארצות הברית יש גם ריכוז גבוה של נתרן.

נתרן כלוריד נמצא כמעט טהור בהליאט המינרלי, שנמצא בים ובמבני סלע. מלח סלעים או מינרלים פחות טהור מהליטיס, שנמצא במצבצי מינרלים בבריטניה, צרפת, גרמניה, סין ורוסיה.

מרבצי מלח

מלח מופק מהמשקעים הסלעיים שלו על ידי פיצול הסלעים, ואחריו תהליך של טיהור המלח. בפעמים אחרות מוחדרים מים למיכלי המלח על מנת להמיסם ויוצרים תמלחת מים אשר מוזרמים לפני השטח.

מלח מתקבל מהים באגנים רדודים המכונים סלינות, באמצעות אידוי סולארי. המלח המתקבל בדרך זו נקרא מלח דפנה או מלח ים.

תא מוריד

נתרן הופק על ידי הפחתה פחמימנית של נתרן קרבונט שבוצע על 1,100 מעלות צלזיוס. נכון לעכשיו הוא מיוצר על ידי אלקטרוליזה של נתרן כלוריד מותך, באמצעות תא דאונס.

עם זאת, מאחר ונתרן כלוריד מותך הוא בעל נקודת התכה של ~ 800 מעלות צלזיוס, מוסיפים סידן כלוריד או נתרן קרבונט כדי להוריד את נקודת ההיתוך ל 600 מעלות צלזיוס.

בתא דאונס, הקתודה עשויה מברזל בצורת מעגל, סביב אנודת פחמן. מוצרי האלקטרוליזה מופרדים על ידי רשת פלדה כדי למנוע ממוצרי האלקטרוליזה לבוא במגע: נתרן וכלור יסודי.

באנודה (+) מתרחשת תגובת החמצון הבאה:

2 Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2 e ^-

בינתיים, בקתודה (-) מתרחשת תגובת ההפחתה הבאה:

2 Na ⁺ (l) + 2 e ^- → 2 Na (l)

תגובות

היווצרות של תחמוצות והידרוקסיד

הוא מגיב מאוד באוויר בהתאם ללחות שלו. זה מגיב ליצירת סרט של נתרן הידרוקסיד, שיכול לספוג פחמן דו חמצני ובסופו של דבר ליצור נתרן ביקרבונט.

זה מתחמצן באוויר ליצירת נתרן חד חמצני (Na ₂ O). ואילו נתרן סופרוקסיד (NaO ₂ ) מוכן על ידי חימום נתרן מתכתי ל -300 מעלות צלזיוס עם חמצן בלחץ גבוה.

במצב נוזלי הוא מתלקח בטמפרטורה של 125 מעלות צלזיוס, ומייצר עשן לבן מרגיז, המסוגל לייעל שיעול. זה גם מגיב בעוצמה עם מים כדי לייצר נתרן הידרוקסיד וגז מימן, וגורם לתגובה להתפוצץ. תגובה זו אקסותרמית מאוד.

Na + H ₂ O → NaOH + 1/2 H ₂ (3,367 קילוקלוריות / מול)

עם חומצות הלוגניות

חומצות הלוגניות, כמו חומצה הידרוכלורית, מגיבות עם נתרן ויוצרים את ההלידים המתאימים. בינתיים, תגובתה עם חומצה חנקתית מייצרת נתרן חנקתי; ועם חומצה גופרתית הוא מייצר נתרן גופרתי.

הפחתות

Na מפחיתה את תחמוצות מתכות המעבר, מייצרת את המתכות המתאימות בכך שהיא משחררת אותן מחמצן. כמו כן, נתרן מגיב עם ההלידים של מתכות המעבר, וגורם לעקירת המתכות ליצירת נתרן כלורי ולשחרור המתכות.

תגובה זו שימשה להשגת מתכות מעבר, כולל טיטניום וטנטלום.

עם אמוניה

נתרן מגיב עם אמוניה נוזלית בטמפרטורה נמוכה ולאט לאט ליצירת סודהמיד (NaNH ₂ ) ומימן.

Na + NH ₃ → NaNH ₂ + 1/2 H ₂

אמוניה נוזלית משמשת כממס לתגובת נתרן עם מתכות שונות, כולל ארסן, טילוריום, אנטימון וביסמוט.

אורגני

מגיב עם אלכוהולים לייצור אלכוהוליטים או אלקוקסידים:

Na + ROH → RONa + 1/2 H ₂

הוא מייצר דה-הלוגניזציה של תרכובות אורגניות, וגורם להכפלה במספר הפחמימות של התרכובת:

2 Na + 2 RCl → RR + 2 NaCl

ניתן לייצר אוקטן על ידי ניוון של בוטאן ברומיד עם נתרן.

עם מתכות

נתרן יכול להגיב עם מתכות אלקליות אחרות ליצירת אאוטקטיקה: סגסוגת הנוצרת בטמפרטורות נמוכות יותר מרכיביה; לדוגמה, NaK עם אחוז K של 78%. כמו כן נוצר נתרן סגסוגות עם בריליום עם אחוז קטן מהראשון.

מתכות יקרות כמו זהב, כסף, פלטינה, פלדיום ואירידיום, כמו גם מתכות לבנות כמו עופרת, פח ואנטימון, יוצרים סגסוגות עם נתרן נוזלי.

סיכונים

זו מתכת המגיבה בעוצמה עם מים. לכן במגע עם רקמות אנושיות המצופות במים עלול לגרום נזק קשה. מייצר כוויות קשות במגע עם עור ועיניים.

באופן דומה, על ידי בליעה זה יכול לגרום לניקוב הוושט והקיבה. עם זאת, אף על פי שהפגיעות הללו חמורות, רק חלק קטן מהאוכלוסייה חשוף להן.

הנזק הגדול ביותר שהנתרן יכול לגרום הוא בגלל צריכתו המופרזת במזונות או במשקאות שנעשו על ידי אנשים.

גוף האדם דורש צריכת נתרן של 500 מ"ג ליום, כדי למלא את תפקודו בהולכה עצבית, כמו גם בהתכווצות שרירים.

אך בדרך כלל נטמע בתזונה כמות גבוהה בהרבה של נתרן, המייצרת עלייה בפלסמה וריכוז הדם שלה.

זה יכול לגרום ללחץ דם גבוה, מחלות לב וכלי דם ושבץ מוחי.

היפרנתרמיה קשורה גם ליצירת אוסטאופורוזיס על ידי גרימת יצוא של סידן מרקמת העצם. הכליות מתקשות לשמור על ריכוז תקין של נתרן בפלזמה למרות צריכת יתר, מה שעלול להוביל לפגיעה בכליות.

יישומים

נתרן מתכתי

הוא משמש במתכות כחומר מחמצון ומפחית בהכנת סידן, זירקוניום, טיטניום ומתכות אחרות. לדוגמא, זה מפחית טיטניום טטרכלוריד (TiCl ₄ ) לייצור טיטניום מתכתי.

נתרן מותך משמש כחומר העברת חום, וזו הסיבה שהוא משמש כחומר נוזל קירור בכורים כורים גרעיניים.

הוא משמש כחומר גלם בייצור נתרן לוריל סולפט, המרכיב העיקרי בחומר ניקוי סינטטי. זה מעורב גם בייצור פולימרים כמו ניילון ותרכובות כמו ציאניד ונתרן מי חמצן. גם בייצור צבעים וסינתזת בושם.

נתרן משמש לטיהור פחמימנים ובפולימריזציה של פחמימנים בלתי מסיסים. הוא משמש גם בהפחתות אורגניות רבות. מומס באמוניה נוזלית ומשמש להפחתת אלקינאים לטרנסקלן.

מנורות אדי נתרן בנויות לתאורה ציבורית בערים. אלה מספקים צבע צהוב, דומה לזה שנצפה כאשר נתרף נתרן במציתים.

נתרן פועל כיבוש המספק גוון כחול בנוכחות בנזופנון, מה שמצביע על כך שהמוצר בתהליך הייבוש הגיע לייבוש הרצוי.

תרכובות

כלוריד

הוא משמש לתיבול מזון ולשימורו. אלקטרוליזה של נתרן כלוריד מייצרת נתרן היפוכלוריט (NaOCl), המשמש לניקוי ביתי כלור. בנוסף, הוא משמש כחומר אקונומיקה תעשייתי לנייר ועיסת טקסטיל או לחיטוי מים.

נתרן היפוכלוריט משמש בתכשירים רפואיים מסוימים כחומר חיטוי ופטרייתי.

קרבונט וביקרבונט

נתרן קרבונט משמש לייצור משקפיים, חומרי ניקוי ומנקים. נתרן קרבונט מונוהידראט משמש בצילום כמרכיב מפתחים.

סודה לשתייה היא מקור לפחמן דו חמצני. מסיבה זו הוא משמש באבקות אפייה, במלחים ובמשקאות סוערים וגם בכיבוי כימיים יבשים. הוא משמש גם בתהליך שיזוף והכנת צמר.

נתרן ביקרבונט הוא תרכובת אלקליין, המשמשת לטיפול רפואי בהפרעת קיבה ושתן.

סולפט

הוא משמש בייצור נייר קראפט, קרטון, זכוכית וחומרי ניקוי. נתרן תיוסולפט משמש בצילום לצורך תיקון שליליות והדפסים מפותחים.

הידרוקסיד

נפוץ המכונה סודה קאוסטית או שומן, משמש לנטרול חומצות בזיקוק נפט. מגיב עם חומצות שומן בייצור סבון. בנוסף, הוא משמש לטיפול בתאית.

חַנְקָה

הוא משמש כדשן המספק חנקן, בהיותו מרכיב לדינמיט.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. נתרן. (2019). נתרן. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). נתרן. מאגר PubChem. CID = 5360545. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ganong, WF (2003). מהדורה 19 רפואה פיזיולוגית עריכה El Manual Moderno.
5. ויקיפדיה. (2019). נתרן. התאושש מ: en.wikipedia.org
6. הנשיא ועמיתיו במכללת הרווארד. (2019). מלח ונתרן. התאושש מ: hsph.harvard.edu
7. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (07 ביוני 2019). נתרן. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com