Natrium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
²¹Na	{syn.}	22,49 s	ε	3,547	²¹Ne
²²Na	{syn.}	2,602 a	ε	2,842	²²Ne
²³Na	100 %	Na ist stabil mit 12 Neutronen
²⁴Na	{syn.}	14,959 h	β^-	5,516	²⁴Mg
²⁵Na	{syn.}	59,1 s	β^-	3,835	²⁵Mg

NMR-Eigenschaften

	²³Na
Kernspin	3/2
gamma	7,076 · 10⁷ rad/T
Empfindlichkeit	100 %
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	52,9 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Natrium (von ägypt. netjer „Natron“ aus arab. natrun „Natron“, da Natrium den Hauptbestandteil von Natron bildet, veraltete und englisch-französische Bezeichnung Sodium (von Soda)), chem. Symbol Na, ist ein chemisches Element. Es gehört zur 1. Hauptgruppe des Periodensystems und hat die Ordnungszahl 11. Natrium ist ein weiches, wachsartiges, silberglänzendes, hochreaktives Alkalimetall.

Geschichte

Im Gegensatz zum elementaren Natrium, sind Natriumverbindungen schon sehr lange bekannt und wurden schon in der Antike abgebaut und gehandelt. Vor allem die Gewinnung von Salz (Natriumchlorid) in Bergwerken oder durch Trocknen von Meerwasser in Salinen sowie der Handel mit Salz war für viele Städte die Grundlage ihres Reichtums. Auch andere natürlich vorkommende Natriumverbindungen wie Natriumcarbonat und Salpeter wurden schon in dieser Zeit gewonnen und gehandelt.

Die Herstellung von elementarem Natrium gelang als erstem Sir Humphry Davy im Jahre 1807 durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid unter Verwendung von Voltaischen Säulen als Stromquelle.

Vorkommen

Natrium ist ein auch im Weltall relativ häufig vorkommendes Element. Im ausgestrahlten Licht vieler Himmelskörper, auch dem der Sonne, können die gelben Spektrallinien der D-Serie gut nachgewiesen werden.

Auf der Erde ist Natrium mit einem Anteil an der Erdkruste von 2,64 % das sechsthäufigste Element. Es kommt aufgrund seiner Reaktivität nicht elementar, sondern stets einwertig vor. Wichtige Natriumdepots sind die Ozeane mit 10 bis 11 g Na⁺ pro l Meerwasser, sowie Salzlagerstätten und Mineralvorkommen. Wichtige natürlich vorkommende Minerale sind:

Halit (umgangssprachlich: Steinsalz) NaCl, das bekannteste Natriumsalz und die wichtigste Quelle für Natrium und Natriumverbindungen (wenn trivial von "Salz" gesprochen wird, ist meist Natriumchlorid gemeint). Steinsalz ist weit verbreitet und entstand beim Austrocknen von Meeren. Bekannte deutsche Salzförderstätten sind u.a. Salzgitter, Bad Reichenhall und Bad Friedrichshall.

Natronsalpeter (Chilesalpeter) NaNO₃, eines der wenigen natürlich vorkommenden Nitratsalze. Es kommt auf Grund seiner Löslichkeit nur in wasserarmen Wüstengebieten (Atacama-Wüste, Chile) vor. Bis zur Erfindung des Haber-Bosch-Verfahrens war Natronsalpeter die wichtigste Quelle für Salpetersäure und Nitrate.

Kryolith (Eisstein) - Na₃[AlF₆], der in geschmolzenem Zustand als Lösungsmittel für Aluminiumoxid bei der Aluminiumherstellung dient. Das einzige bekannte Kryolith-Vorkommen in Grönland ist allerdings abgebaut, Kryolith wird heute künstlich hergestellt.

Natronfeldspat (Albit) - Na[AlSi₃O₈], ein häufiges Mineral, das zur Gruppe der Feldspate zählt.

Weitere Natrium-Mineralien sind Soda Na₂CO₃ und Glaubersalz Na₂SO₄.

Gewinnung und Darstellung

Natrium wird hauptsächlich aus Natriumchlorid gewonnen. Dies wird meist bergmännisch oder durch Austrocknung salzhaltiger Lösungen (Meerwasser) erhalten. Es wird allerdings nur ein kleiner Teil des Natriumchlorids zu elementaren Natrium weiterverarbeitet, der größte Teil wird als Speisesalz oder für die Herstellung anderer Natriumverbindungen verwendet.

Die großtechnische Herstellung von Natrium erfolgt heute durch Schmelzflusselektrolyse von trockenem Natriumchlorid in einer Downs-Zelle. Zur Schmelzpunkterniedrigung wird ein Salzgemisch aus Calcium- (46 %), Natrium- (28 %) und Bariumchlorid (26 %) eingesetzt. Die zylindrische Elektrolysezelle besteht aus einer mittigen Graphitanode, über der das entstehende Chlorgas abgezogen wird. Oberhalb der kleeblattförmig um die Graphitanode angeordneten Stahlblechkathoden wird das flüssige Natrium abgezogen und nach einer Zwischenlagerung einem Reinigungsprozess zugeführt.

Anodenvorgang:

$\mathrm {2Cl^{-}\rightarrow Cl_{2}+2e^{-}}$

Kathodenvorgang:

$\mathrm {Na^{+}+e^{-}\rightarrow Na^{0}}$

Gesamtvorgang bei der Elektrolyse:

$\mathrm {2Na^{+}+2Cl^{-}\rightarrow 2Na+Cl_{2}}$

Seit Einführung der Chlor-Alkali-Schmelzfluss-Elektrolyse hat sich der Preis für Natrium drastisch verringert. Heute ist Natrium volumenbezogen das preiswerteste Leichtmetall überhaupt.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Elementares Natrium kristallisiert im kubisch raumzentrierten Gitter mit einer Gitterkonstante von 4,230 Ångström. Das Metall ist so weich, dass es sich mit dem Messer schneiden lässt. Natrium ist ein silberweißes Metall, das bei 98,7°C schmilzt und bei 883°C unter Bildung eines purpurfarbenen Dampfes siedet. Der Dampf besteht hauptsächlich aus Natriumatomen, doch es lassen sich auch Dinatriummoleküle finden.

Chemische Eigenschaften

Analog den anderen Alkalimetallen reagiert Natrium mit vielen anderen Elementen und Verbindungen oft sehr heftig, vor allem mit Nichtmetallen, und kommt in der natürlichen Umwelt nur in gebundener Form vor. Natrium reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Natriumhydroxid und Freisetzung von Wasserstoff. Da das Natriumstück unkontrolliert zerplatzen kann, ist Vorsicht bei einem Experiment ratsam. Als Alternative bietet sich der Versuch mit Lithium an, was jedoch wesentlich teurer ist.

Reaktion mit Wasser: $\mathrm {2Na+2H_{2}O\rightarrow 2NaOH+H_{2}}$

Allgemein: $\mathrm {2Na+2ROH\rightarrow 2Na^{+}+2OR^{-}+H_{2}}$

Durch die hohe Reaktionswärme schmilzt es häufig auf. Bei feiner Verteilung des Natriums (große Reaktionsoberfläche) kann die Reaktion explosiv sein. Kommt Natrium mit chlorierten Verbindungen wie Dichlormethan, Chloroform, Tetrachlormethan in Kontakt, kommt es unter Bildung von NaCl zu einer schnellen und exothermen Reaktion. Bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit bildet sich auf dem Natrium konzentriertes Natriumhydroxid, so dass man sich bei Berührung mit Natrium leicht die Haut verätzt. An der Luft entzündet es sich recht schnell, deswegen muss man sehr aufpassen. Die dann einsetzende Verbrennung unter Bildung einer intensiv gelbgefärbten Flamme (Wellenlänge ~ 589,3 nm) führt zum Natriumperoxid Na₂O₂ und Natriumoxid Na₂O.

Kleinere Mengen Natrium werden unter Petroleum aufbewahrt. Für größere Mengen gibt es integrierte Handhabungssysteme mit Schutzgasatmosphäre. Natrium ist häufig von einer Schicht aus NaOH und Na₂O überzogen

Natriumbrände lassen sich mit Natriumcarbonat, Kochsalz oder trockenem Zement löschen.

Verwendung

Aus Natrium werden einige wichtige Natriumverbindungen hergestellt, wie zum Beispiel: Natriumperoxid Na₂O₂, Natriumamid NaNH₂, Natriumcyanid NaCN und Natriumhydrid NaH.

Natrium wird häufig als Reduktionsmittel benötigt. Es wird in der organischen Chemie zur Herstellung von Estern und anderen organischen Verbindungen verwendet. Unter anderem ist Natrium ein wichtiges Reagenz in der Birch-Reduktion zur Reduktion von Aromaten. Es wird auch zur Herstellung von Tetraethylblei (Antiklopfmittel) benötigt. Da Benzin heutzutage bleifrei ist, geht die Verwendung von Natrium für diese Anwendung zurück.

Manche Metalle wie Titan, Niob und Tantal werden durch Reduktion mit Natrium hergestellt. Diese Metalle sind stark elektropositiv und die Reduktion mit Kohlenstoff (wie z. B. bei Eisen) verhindert Carbid-Bildung.

Natrium dient zur Gefügeverbesserung von Werkstoffen, beispielsweise zur Desoxidation und Kornfeinung in Aluminium-Siliciumlegierungen.

Da Natrium mit Wasser reagiert, wird es zur Trocknung halogenfreier Lösungsmittel verwendet.

Da Natrium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, nutzt man es zur "Kühlung" von Ventilen in Hochleistungsmotoren. Hier sorgt das in den Ventilen eingeschlossene flüssige Natrium aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit für eine schnelle Abführung der Wärme von den Ventilsitzen in den Ventilschaft. Schon in den 1930er Jahren wurden Hochleistungsmotoren mit natriumgekühlten Ventilen ausgestattet, so z.B. der Maybach HL230 des Panzerkampfwagen V Panther oder der DB 601, der u.a. in der Me 109 verbaut wurde. Auch in Kernkraftwerken mit Brutreaktoren wird Natrium zur Kühlung im Primär- und Sekundärkreislauf verwendet.

Natriumdampflampen zählen zu den effektivsten Lichtquellen.

NaK eine Legierung aus Natrium und Kalium zur Wärmeübertragung sowie zur Dehalogenierung in der organischen Synthese. NaK eignet sich auch gut zum Trocknen einiger bereits gut vorgetrockneter Lösungsmittel. So erreicht man besonders niedrige Rest-Wassergehalte. NaK reagiert mit Wasser zu den entsprechenden Hydroxiden.

Natriumverbindungen werden in vielen anderen Bereichen eingesetzt. Dazu wird aber kein elementares Natrium benötigt.

Nachweis

Der Nachweis erfolgt spektroskopisch durch die intensiv gelbe Flammenfärbung oder genauer über die Na-Doppellinie bei 588,99 nm und 589,59 nm.

Eine quantitative Bestimmung von Natrium ist schwer möglich, da Natriumverbindungen leicht wasserlöslich sind.

Physiologie

Na⁺-Ionen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Wasserhaushaltes von Lebewesen (Regulierung durch osmotischen Druck), sowie bei der Übertragung von Nervenimpulsen. Die Aufnahme von Na⁺ als Mineralstoff ist für Lebewesen daher essentiell.

Mit Speisesalz (NaCl) nehmen Menschen täglich Natrium auf. Dabei entsprechen 5 Gramm Kochsalz etwa 2 Gramm reinem Natrium. Dies entspricht auch der täglich benötigten Menge eines erwachsenen Menschen. Dass viel Kochsalz gesundheitsschädlich ist, trifft neueren Forschungsergebnissen zufolge nur noch für bestimmte Menschen zu. Zuwenig Kochsalz ist aber in jedem Fall schädlich

Verbindungen

Allgemeines

In Verbindungen kommt das Natrium ausschließlich in der Oxidationsstufe +1 vor. Alle Verbindungen weisen einen stark ionischen Charakter auf, fast alle sind gut wasserlöslich. Natriumverbindungen zählen zu den wichtigsten Salzen vieler Säuren. Industriell werden meist Natriumsalze zur Gewinnung der entsprechenden Anionen verwendet, da deren Synthese kostengünstig ist.

Hydride

Natriumhydrid NaH und Natriumborhydrid NaBH₄ sind starke Reduktionsmittel. In ihnen liegt der Wasserstoff in der Oxidationsstufe -1 vor. Beide werden vorwiegend in der organischen Chemie als Reduktions- und Hydrierungsmittel verwendet. Wenn sie mit Wasser in Berührung kommen, entsteht gasförmiger Wasserstoff H₂.

Halogenverbindungen

Natriumchlorid NaCl (Speisesalz) ist das wichtigste Natriumsalz und für den Menschen essentiell. Es ist Namensgeber für die Natriumchlorid-Struktur, eine für viele Salze typische Kristallstruktur.

Daneben sind alle anderen, möglichen Natriumhalogenide, also Natriumfluorid NaF, Natriumbromid NaBr und Natriumiodid NaI, bekannt und stabil.

Sauerstoffverbindungen

Natriumhydroxid NaOH ist für die Industrie mit die wichtigste Base. Die wässrige Lösung von Natriumhydroxid wird Natronlauge genannt. Sie werden u. a. für die Herstellung von Seife und Farbstoffen sowie zum Aufschluss von Bauxit bei der Aluminium-Produktion verwendet.

Natrium bildet mit Sauerstoff drei Oxide:

Natriumperoxid Na₂O₂, das als Oxidations- und Bleichmittel verwendet wird.
Natriumoxid Na₂O, eingesetzt u. a. in der Glasherstellung
Natriumhyperoxid NaO₂

Schwefelverbindungen

Mit Schwefelwasserstoff bildet Natrium zwei Salze, das Natriumsulfid Na₂S und das Natriumhydrogensulfid NaHS. Beide werden u. a. zur Schwermetallfällung verwendet.

Natriumsulfat Na₂SO₄, das Natriumsalz der Schwefelsäure, wird u. a. in Waschmitteln und in der Papierindustrie im Sulfatverfahren eingesetzt. Wie andere zweiwertige Anionen bildet Sulfat neben dem Natriumsulfat noch Natriumhydrogensulfat.

Es gibt noch weitere Natrium-Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen. Dies sind beispielsweise: Natriumthiosulfat Na₂S₂O₃, das in der Fotografie als Fixiersalz und zur einfachen Vernichtung von Brom verwendet wird.

Natriumsulfit Na₂SO₃und Natriumhydrogensulfit NaHSO₃, die Natriumsalze der schwefeligen Säure.

Natriumpersulfat Na₂S₂O₈, das Natriumsalz der Peroxodischwefelsäure.

Weitere Natriumverbindungen

Natriumcarbonat Na₂CO₃ und Natriumhydrogencarbonat NaHCO₃ sind die Natriumsalze der Kohlensäure. Sie zählen, neben Natriumchlorid, zu den wichtigsten Natriumverbindungen. Natriumcarbonat (häufig mit dem Trivialnamen Soda bezeichnet) wird in großen Mengen bei der Glasherstellung benötigt. Natriumhydrogencarbonat wird als Backpulver verwendet. Es zersetzt sich beim Erhitzen mit Säure in Kohlendioxid und Wasser.

Natriumnitrat NaNO₃, das Natriumsalz der Salpetersäure, ist eine der seltenen natürlich vorkommenden Nitratverbindungen (Chilesalpeter). Natriumnitrat wird als Düngemittel und als Konservierungsmittel verwendet.

Auch viele andere Säuren bilden mit Natrium Salze, z.B. die Phosphorsäure: Dinatriumhydrogenphosphat Na₂HPO₄, Natriumdihydrogenphosphat NaH₂PO₄ und Natriumphosphat Na₃PO₄.

Natriumcyanid NaCN ist das Salz der Blausäure. Kommt das feste Natriumcyanid mit Säure in Berührung, bildet sich gasförmige äußerst giftige Blausäure. Natriumcyanid ist billiger und wird dadurch in der Industrie häufiger verwendet als das bekanntere Kaliumcyanid.

Natriumhypochlorit NaOCl und Natriumchlorat NaClO₃ zählen zu den stabilen Salzen der sonst instabilen hypochlorigen Säure bzw. der Chlorsäure.

Natriumazid NaN₃ ist das Natriumsalz der Stickstoffwasserstoffsäure und wird zur Herstellung anderer Azide (z. B. Bleiazid) verwendet.

Natriumamid hat die Zusammensetzung NaNH₂. Es ist eine sehr starke Base und wird in der organischen Chemie verwendet.

Natriumpropionat und Trinatriumcitrat sind Beispiele für Natriumsalze organischer Säuren.

Literatur

A. F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1963, 1995. ISBN 3-11-012641-9
David M. Adams: Inorganic Solids. Wiley, London 1974. ISBN 0-471-00470-7

Weblinks

Wiktionary: Natrium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Natrium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien