Sód Metaliczny

Sód metaliczny

Inne nazwy:sód, sód metaliczny, natrium
Wzór chemiczny:Na
Masa molowa:22.99 g/mol
Numer CAS: 7440-23-5
Liczba atomowa: 11
Wygląd:Miękkie, srebrzystobiałe, metaliczne ciało stałe o lśniącej, świeżo odsłoniętej powierzchni
Zapach:Bezwonny
Gęstość:Około 0.968 g/cm³w 20 °C
Struktura krystaliczna:Regularna przestrzennie centrowana (bcc) w warunkach otoczenia
SMILES:[Na]

Sód jest wysoce reaktywnym metalem alkalicznym należącym do grupy 1 układu okresowego. Jego konfiguracja elektronowa to [Ne]3s¹ , z pojedynczym elektronem walencyjnym, który łatwo ulega oderwaniu, tworząc jon Na⁺ jonu. Ten układ elektronowy odpowiada za silnie elektrododatni i redukujący charakter pierwiastkowego sodu i odróżnia reaktywny metaliczny pierwiastek od znacznie bardziej chemicznie stabilnych jonów sodu obecnych w jego związkach.

Metaliczny sód jest miękki i może być mechanicznie odkształcany w temperaturze pokojowej. Jego świeżo odsłonięta powierzchnia ma jasny, metaliczny wygląd, lecz powierzchnia szybko pokrywa się produktami reakcji po wystawieniu na tlen i wilgoć z powietrza. Sód jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym i cieplnym i ma niezwykle niską temperaturę topnienia w porównaniu z wieloma powszechnymi metalami konstrukcyjnymi.

Właściwości chemiczne i fizyczne

Sód jest ciałem stałym w temperaturze pokojowej i krystalizuje w strukturze przestrzennie centrowanej w warunkach otoczenia. Pomiary dyfrakcji rentgenowskiej sodu metalicznego wyznaczyły w temperaturze pokojowej stałą sieci około 4.29 Å. Szczegółowe badania krystalograficzne pokazują, że jego struktura może ulegać przejściom w niskich temperaturach i przy bardzo wysokich ciśnieniach.

Temperatura topnienia sodu wynosi około 370.96 K, co odpowiada 97.81 °C. NIST Chemistry WebBook podaje normalną temperaturę wrzenia około 1156 K, czyli około 883 °C. Stosunkowo niska temperatura topnienia umożliwia stosowanie sodu jako metalu ciekłego w szerokim zakresie temperatur.

Gęstość stałego sodu wynosi około 0.968 g/cm³ w 20 °C, co czyni go mniej gęstym niż woda. Jego przewodność cieplna wynosi około 130–140 W·m ⁻¹ ·K ⁻¹ w pobliżu temperatury pokojowej, co odzwierciedla wysoką ruchliwość elektronów przewodnictwa, charakterystyczną dla wiązania metalicznego.

Sód ma niską pierwszą energię jonizacji i łatwo przekazuje swój zewnętrzny elektron innym gatunkom chemicznym. Dlatego działa jako silny reduktor w licznych przemianach nieorganicznych i organicznych. Dominujący stopień utlenienia w zwykłych związkach sodu to +1.

Metaliczny sód silnie reaguje z wodą zgodnie z równaniem ogólnym 2Na + 2H₂ O → 2NaOH + H₂ . Proces jest silnie egzotermiczny i wytwarza wodór wraz z wodorotlenkiem sodu. Sód reaguje także łatwo z tlenem, halogenami, alkoholami i licznymi innymi substancjami protonowymi lub utleniającymi.

Ze względu na wysoką reaktywność chemiczną wobec tlenu i wody, sód w stanie wolnym nie występuje naturalnie jako metal w zwykłych warunkach na Ziemi. Zamiast tego sód występuje głównie w postaci termodynamicznie stabilnych związków jonowych.

Zastosowania

Sód metaliczny jest powszechnie stosowany jako odczynnik redukujący w chemii syntetycznej. Jego silne właściwości donorowe elektronów czynią go użytecznym w reakcjach obejmujących redukcję związków organicznych i nieorganicznych, procesy sprzęgania redukcyjnego oraz przygotowanie reaktywnych intermediatów.

W syntezie organicznej sód można stosować w redukcjach z udziałem metalu rozpuszczonego oraz w reakcjach obejmujących transfer pojedynczego elektronu. Sód metaliczny odgrywał historycznie ważną rolę w reakcjach tworzenia wiązań węgiel–węgiel, w tym w chemii sprzęgania typu Wurtza, oraz w przygotowaniu alkoksydów sodu i pokrewnych odczynników organometalicznych lub silnie zasadowych.

Sód jest stosowany jako prekursor w produkcji licznych związków zawierających sód, gdzie bezpośrednia reakcja metalu daje dostęp do wysoko reaktywnych pochodnych sodu. Przykłady obejmują alkoksydy sodu i wybrane związki organosodowe używane jako odczynniki lub intermediaty w syntezie laboratoryjnej i przemysłowej.

Ciekły sód ma istotne zastosowania w przenoszeniu ciepła ze względu na wysoką przewodność cieplną, stosunkowo niską lepkość i szeroki zakres temperatur ciekłych. Był szeroko badany i stosowany jako chłodziwo w sodowo chłodzonych szybkich reaktorach jądrowych, gdzie wymagana jest efektywna ewakuacja ciepła z rdzeni reaktorów o wysokiej gęstości mocy.

Sód metaliczny był również stosowany w wyspecjalizowanych urządzeniach do wymiany ciepła, układach wysokotemperaturowych oraz technologiach par sodowych. Atomowy sód wytwarza intensywne charakterystyczne linie emisyjne, zwłaszcza dobrze znane żółte linie D w pobliżu 589 nm, co czyni pary sodu ważnymi w badaniach spektroskopowych i historycznie w technologiach oświetlenia wyładowczego.

W badaniach podstawowych sód służy jako modelowy metal o niemal swobodnych elektronach. Jego stosunkowo prosta struktura elektronowa sprawiła, że jest on ważny w badaniach wiązania metalicznego, powierzchni Fermiego, dynamiki sieci krystalicznej, przemian fazowych, fizyki wysokich ciśnień oraz teorii materii skondensowanej.

Źródła literaturowe

1. National Institute of Standards and Technology. NIST Chemistry WebBook, SRD 69: Sodium, CAS 7440-23-5. Phase-change, thermochemical and atomic data.
2. Rodebush, W. H.; Walters, E. G. “The Vapor Pressure and Vapor Density of Sodium.” Journal of the American Chemical Society, 1930, 52, 2654–2665. DOI: 10.1021/ja01370a011.
3. Abe, H.; Ohshima, K.; Suzuki, T.; Watanabe, Y. “Temperature Dependence of the Lattice Constant in Metallic Sodium.” Journal of Applied Crystallography, 1994, 27, 1040–1042. DOI: 10.1107/S0021889894008642.
4. Abe, H.; Ohshima, K.; Suzuki, T.; Hoshino, S.; Kakurai, K. “Neutron-Scattering Study of Metallic Sodium.” Physical Review B, 1994, 49, 3739–3745.
5. Gregoryanz, E.; Lundegaard, L. F.; McMahon, M. I.; Guillaume, C.; Nelmes, R. J.; Mezouar, M. “Structural Diversity of Sodium.” Science, 2008, 320, 1054–1057.
6. Lundegaard, L. F.; Gregoryanz, E.; McMahon, M. I.; Guillaume, C.; Loa, I.; Nelmes, R. J. “Single-Crystal Studies of Incommensurate Na to 1.5 Mbar.” Physical Review B, 2009, 79, 064105.
7. Sakamoto, Y.; Garnier, J.-C.; Rouault, J.; Grandy, C.; Fanning, T.; Hill, R.; Chikazawa, Y.; Kotake, S. “Selection of Sodium Coolant for Fast Reactors in the US, France and Japan.” Nuclear Engineering and Design, 2013, 254, 194–217. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2012.09.009.
8. Müller, R. A.; Smidt, D. “Liquid Metal Cooled Fast Breeder Reactor Development and Its Mechanical-Structural Requirements and Problems.” Nuclear Engineering and Design, 1972, 19, 85–98. DOI: 10.1016/0029-5493(72)90011-8.

Klasyfikacja CLP:

Zwroty H (zagrożenia):

• H260: W kontakcie z wodą wydziela gazy palne, które mogą zapalić się samorzutnie.
• H314: Powoduje poważne oparzenia skóry oraz uszkodzenia oczu.
• H335: Może powodować podrażnienie dróg oddechowych.

Zwroty P (środki ostrożności):

• P223: Nie dopuszczać do kontaktu z wodą.
• P280: Stosować rękawice ochronne/odzież ochronną/ochronę oczu/ochronę twarzy.
• P301+P330+P331: IF SWALLOWED: Rinse mouth. DO NOT induce vomiting.
• P303+P361+P353: IF ON SKIN (or hair): Remove immediately all contaminated clothing. Rinse skin with water/shower.
• P305+P351+P338: IF IN EYES: Rinse cautiously with water for several minutes. Remove contact lenses if present and easy to do. Continue rinsing.
• P370+P378: W przypadku pożaru: Użyć środka gaśniczego wskazanego przez producenta do gaszenia.
• P501: Zawartość/pojemnik usuwać do uprawnionego odbiorcy odpadów niebezpiecznych lub zwrócić do dostawcy.

Piktogramy GHS:

• GHS02: Flammable
• GHS05: Corrosive
• GHS07: Harmful