صوديوم

الاكتشاف وأصل التسمية

على العكس من فلزّ الصوديوم الحرّ الذي اكتشف حتى أوائل القرن التاسع عشر للميلاد، فإنّ مركّبات الصوديوم كانت معروفة ومتداولة منذ القدم، وخاصّة ملح الطعام المستخرج من البحر والبحيرات المالحة، وكذلك من المكامن الصخرية. قام المصريون القدماء باستخراج الأملاح من وادي النطرون، ولذلك سادت كلمة نتر المصرية في العهد القديم. انتقلت هذه الكلمة إلى اللغة الإغريقية لتصبح νίτρον (نترون)، والتي استعملها العرب فأصبحت نطرون، ومنهم أخذها الرومان وحوّروها لتصبح nitrium (نتريوم). ولا تزال التسمية اللاتينية للعنصر Natrium وتحويرات منها مستخدمة في عدّة لغات، كما في اللغة الألمانية ولغات منطقة إسكندنافيا وذلك حسب اقتراح من بيرسيليوس. يعتقد البعض أنّ تسمية صوديوم يعود أصلها إلى الكلمة اللاتينية sodanum والتي تعني "علاج وجع الرأس"، والمأخوذة من كلمة صداع العربية. لكن هذا الرأي ضعيف، والأغلب صلة اسم الصوديوم بكلمة صودا، والقادمة من اللاتينية soda التي كانت تشير إلى نبات مزهر ينمو على الأراضي الملحية، مثل نبات السويداء، والذي كان رماده (رماد الصودا) يستخدم في الغسيل، والذي من المرجح أن يكون اشتقاق كلمة صودا منه.
اكتشف عنصر الصويوم لأوّل مرّة بشكله الحرّ من قبل همفري ديفي سنة 1807 وذلك من التحليل الكهربائي لمصهور هيدروكسيد الصوديوم باستخدام عمود فولتي كمصدر كهربائي. حسبما ورد في سجلاّت الجمعية الملكية في لندن، فإنّ ديفي حصل في عمليّته تلك على ناتجين مختلفين: الناتج الأوّل الموجود في الصودا  أسماه صوديوم، وهذه التسمية للفلزّ هي المستخدمة في نطاق المتحدّثين باللغتين الإنجليزية والفرنسية، ومنها انتقلت إلى عدّة لغات أخرى، منها العربية. أمّا الفلزّ الآخر المكتشف فأسماه بوتاسيوم. في سنة 1809، وفي سعي لتوحيد التسمية اقترح العالم الألماني لودفيغ فيلهلم غيلبرت على ديفي استخدام Natronium (ناترونيوم) وKalium (كاليوم) كاسمين للعنصرين المكتَشَفين حديثاً. نشر يونس ياكوب بيرسيليوس الرمز الكيميائي للصوديوم لأول مرة سنة 1814 وذلك ضمن مسعاه لتنظيم رموز العناصر الكيميائية، واختار الرمز Na من كلمة Natrium في اللاتينية الجديدة، والقادمة عبر كلمة نطرون العربية من المصرية القديمة، للإشارة إلى أملاح المعادن الطبيعية على شكل كربونات صوديوم مميّهة. كانت تسمية نطرون منتشرة في أوروبا وذلك للاستخدام الكبير للمادّة على المستويين الصناعي والمنزلي.

الخواص

يضفي الصوديوم لوناً أصفر إلى اللهب، وهذه ملاحظة تعود إلى سنة 1860، حيث قام العالمان غوستاف روبرت كيرشهوف وروبرت بنسن بتدوين هذه الملاحظة في منشورهم العلمي في دورية Annalen der Physik العلمية.

الوفرة الطبيعية

بسبب النشاط الكيميائي الكبير للعنصر، لا يوجد الصوديوم على شكله الحرّ على سطح الأرض، إنّما يدخل في تركيب العديد من المعادن، والتي يمتاز البعض منها بالانحلالية الكبيرة في الماء مثل الهاليت والنطرون. يعدّ ماء البحر أحد مصادر الصوديوم المهمّة، فكلّ ليتر منه يحوي وسطياً 11 غرام من أيونات الصوديوم، وتقدّر وفرة الصوديوم في المحيطات بحوالي 1.08×10⁴ ميليغرام في كل ليتر. أمّا البعض الآخر فهي أقلّ انحلالية مثل مجموعة معادن الأمفيبول والزيوليتات. يعود ضعف الانحلالية لبعض المعادن الحاوية على الصوديوم مثل الكريوليت والفلدسبار إلى الخاصّة البوليميرية للأنيونات، والتي تكون على شكل بولي سيليكات مثلاً في الفلدسبار.
تحوي القشرة الأرضية على الصوديوم بنسبة 2.36% من تركيبها، ممّا يجعله سادس أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، والخامس من حيث ترتيب الفلزات بعد الألومنيوم والحديد والكالسيوم، وبنسبة مقاربة للمغنسيوم، ولكن قبل البوتاسيوم. من أكثر المعادن الحاوية على الصوديوم انتشاراً كلّ من الألبيت (NaAlSi₃O₈ فلدسبار الصوديوم) والأوليغوكلاس Na,Ca)Al(Si,Al)₃O₈)؛ كما يوجد أيضاً بكمّيّات كبيرة نسبياً في القباب الملحية على شكل هاليت (ملح الصخر). يوجد الصوديوم في الطبيعة أيضاً على شكل نترات الصوديوم (يعرف باسم ملح بيتر تشيلي) NaNO₃، وهو أحد المصادر الطبيعية القليلة لمعادن النترات، والتي تنتشر في المناطق القاحلة مثل صحراء أتاكاما في تشيلي؛ بالإضافة إلى ذلك تعدّ مكامن النطرون Na₂CO₃ · 10 H₂O من المصادر المهمّة للصوديوم.
يحتلّ الصوديوم المرتبة 14 من حيث وفرة العناصر في الكون؛ وذلك بنسبة مقاربة للكالسيوم والنيكل. يتمّ التعرّف على الصوديوم في العديد من الأجرام السماوية (من ضمنها الشمس) وكذلك في الوسط بين النجمي عن طريق الخطّ الطيفي D المميّز. على الرغم من ارتفاع درجة حرارة تبخّره، إلاّ أنّ وفرته في الغلاف الجوّي لكوكب عطارد مكّنت من كشفه بواسطة مسبار مارينر 10. كما تمكّن علماء الفلك أثناء رصدهم مذنب هيل-بوب سنة 1997 من ملاحظة أنّ ذيل المذنب يتكوّن من الصوديوم.

الخواص الفيزيائية

يكون الصوديوم في الظروف القياسية من الضغط ودرجة الحرارة على شكل فلزّ طري فضّي اللون، والذي يتّحد مع أكسجين الهواء ليشكّل طبقة رمادية اللون من الأكسيد. للحيلولة دون ذلك يتمّ عادةً غمس الصوديوم الفلزي في زيت معدني أو أحد مشتقّات النفط، أو أن يحفظ في جوّ من غاز خامل. يمكن قطع فلز الصوديوم بسهولة بالسكّين، فله قيمة صلادة تبلغ 0.5 حسب مقياس موس. وهو ناقل جيّد للكهرباء وللحرارة، وذلك بسبب سهولة التخلّص من الإلكترون الوحيد الموجود في غلاف التكافؤ، بالتالي يؤدّي هذا التشكيل الإلكتروني للصوديوم إلى ضعف الرابطة الفلزية. بسبب قلّة الوزن الذرّي وكبر نصف قطرذرّة الصوديوم نسبياً، فإنّه يصنّف من الفلزّات الخفيفة، وهو ثالث أقلّ الفلزّات كثافة (0.968 غ/سم³) بعد الليثيوم والبوتاسيوم، والتي هي الوحيدة القادرة من بين الفلزات على العوم على سطح الماء. يقع الصوديوم في العديد من خواصه بين الليثيوم والبوتاسيوم، فله نقطة انصهار (97.82 °س) أخفض من الليثيوم (180.54 °س)، إلّا أنّها أعلى من البوتاسيوم (63.6 °س)؛ وكذلك الأمر بالنسبة في نقطة الغليان (883 °س) والحرارة النوعية.
يتبلور الصوديوم كما هو الحال مع باقي الفلزّات القلوية وفق نظام بلوري مكعّب مركزي الجسم، له زمرة فراغية Im3m مع وجود وحدتي صيغة لكلّ وحدة خلية. عند درجات حرارة أدنى من 51 كلفن تتغيّر البنية البلّورية إلى نظام تعبئة متراصّة سداسية، تبلغ قيمة ثابت الشبكة البلورية لها a = 376 pm وc = 615 pm.
تتغيّر خواص الصوديوم الظاهرية بشكل كبير عند ضغوط مرتفعة؛ فعند ضغط مقداره 1.5 ميغابار يتغيّر اللون إلى الأسود، وعند ضغط 1.9 ميغابار يصبح ذا لون أحمر شفاف، وعند 3 ميغابار يصبح الصوديوم ذا هيئة صلبة شفافة صافية، وتكون جميع هذه المتآصلات عازلة وذات صفة إلكتريدية.
يتكوّن بخار الصوديوم، وهو ذو لون أصفر إلى أرجواني، من ذرّات فلزّية منفردة، ومن ثنائيات لها الشكل Na₂، والأخيرة تكون بنسبة 16% عند نقطة الغليان. يشكّل الصوديوم مع البوتاسيوم ضمن مجال عريض من التراكيز مزائج سائلة، حيث يظهر المخطّط الطوري عند الدرجة 7 °س
(وهي نقطة انصهار لا متطابقة Peritectic) التركيب Na₂K، أمّا النقطة الأصهرية فهي عند − 12.6 °س، بوجود تركيز من البوتاسيوم مقداره 77% (كسر كتلي).

السبائك

يشكّل الصوديوم سبائكاً مع العديد من الفلزّات مثل البوتاسيوم والكالسيوم والرصاص، بالإضافة إلى عناصر المجموعتين الحادية عشرة والثانية عشرة. يستطيع الصوديوم أن يشكّل مع البوتاسيوم سبيكة NaK، وتتراوح نسبة البوتاسيوم في تركيبها من 40–90% وهي سائلة في درجة الحرارة المعتدلة، وتتميّز بأنّ لها خواص موصلية حرارية وكهربائية ممتازة. تعدّ سبائك صوديوم-كالسيوم منتجات ثانوية أثناء إنتاج الصوديوم من عملية التحليل الكهربائي بوجود المزيج الملحي من NaCl-CaCl₂، على الرغم من أنّ الكالسيوم يمتزج بشكل جزئي فقط مع الصوديوم.
في الحالة السائلة يمتزج الصوديوم مع الرصاص بشكل كامل. هناك العديد من الوسائل التي تمكّن من صنع سبائك صوديوم-رصاص، من بينها الصهر المشترك، وأخرى تتمثّل بترسيب الصوديوم كهربائياً على مهابط مصهورة مصنوعة من الرصاص. من الأمثلة على تركيبات سبائك صوديوم-رصاص كل من NaPb₃ وNaPb وNa₉Pb₄ وNa₅Pb₂ وNa₁₅Pb₄.
من الممكن أيضاً الحصول على سبائك للصوديوم مع الذهب (NaAu₂) والفضة (NaAg₂). كذلك الأمر مع عناصر الزنك (NaZn₁₃) والكادميوم (NaCd₂) والزئبق، والعنصر الأخير يشكل ما يسمى ملغمة صوديوم: NaHg وNaHg₄ وNaHg₂ وNa₃Hg₂ وNa₃Hg.

المحاليل

يميل الصوديوم إلى تشكيل مركّبات كيميائية منحلّة مثل أملاح الهاليدات والكبريتات والنترات والكربونات والكربوكسيلات. تكون الأنواع الكيميائية المائية الرئيسية على شكل المعقّد: ⁺[Na(H₂O)ₙ] أثناء عملية الإماهة، حيث n = 4–8، مع العلم أنّ قيمة n = 6 حُدّدت بواسطة بيانات حيود الأشعة السينية والمحاكاة الحاسوبية. للصوديوم انحلالية أقلّ في المذيبات العضوية، فعلى سبيل المثال ينحلّ فقط 0.35 غ/ل من كلوريد الصوديوم في الإيثانول.
كما هو الحال مع باقي الفلزات القلوية فإنّ الصوديوم ينحلّ في الأمونيا وبعض الأمينات الأخرى ليعطي محاليل ملوّنة غامقة، والتي يعود تلوّنها إلى الإلكترونات الحرّة التي يمنحها الصوديوم إلى المحلول. بالتالي فالمحلول موصل للكهرباء، وعند تمديده يكون ذا مغناطيسية مسايرة.
يؤدّي تبخير هذه المحاليل إلى ترك طبقة رقيقة (فيلم) لامعة من الصوديوم الفلزّي. تحوي هذه المحاليل على معقدات تناسقية من النمط ⁺(Na(NH₃)₆)، حيث تُعاكَس الشحنة الموجبة بشكل مساوٍ عن طريق الإلكتريدات (الإلكترونات كأنيونات). يمكن استخدام الإيثرات التاجية، كحفّازات انتقال طوري؛ كما تسمح مركّبات كريبتاند بعزل هذه المعقّدات كمواد صلبة بلّورية، إذ أنّ الصوديوم يشكّل معقّدات معها أيضاً ومع ربيطات أخرى. على سبيل المثال، فإنّ لمركّب إيثر 15-تاج-5 ألفة عالية تجاه الصوديوم، لأنّ حجم التجويف للمركّب يتراوح بين 1.7–2.2 أنغستروم (Å)، وهو مقدار كافٍ لينحشر أيون صوديوم داخله. إنّ الكريبتاندات، مثلها مثل الإيثرات التاجية وحاملات الأيون الأخرى، ذات ألفة عالية تجاه أيون الصوديوم، بحيث يمكن في النهاية الحصول على مشتقّات من القلويدات ⁻Na (ناتريد Natride: أنيون صوديوم)، بواسطة إضافة مركّبات الكريبتاند إلى محاليل من الصوديوم في الأمونيا عن طريق تفاعل عدم تناسب.

المركّبات الكيميائية

تعد المركّبات الكيميائية للصوديوم ذات أهمّيّة كبيرة، وذلك على مرّ التاريخ وخاصّة في المجال التجاري والصناعي، حيث كان لها استخدام مركزي خاصّ في صناعات مختلفة، منها صناعة الزجاج والورق والصابون والنسيج.

العضوية

جرى تحضير العديد من مركّبات الصوديوم العضوية، وبسبب استقطاب الرابطة الكيميائية بين C-Na فإنّ هذه المركّبات تعدّ كمصدر للكربانيونات. من بين هذه المركّبات حلقي بنتاديينيد الصوديوم NaC₅H₅ وتريتيل الصوديوم (C₆H₅)₃CNa)).
بسبب كبر حجم وضعف القوة المستقطبة للكاتيون ⁺Na فإنّه يستطيع أن يثبّت الأنيونات العطرية الجذرية الكبيرة القابلة للاستقطاب، مثلما هو الحال في نفثالينيد الصوديوم ⁻[•Na⁺[C₁₀H₈، وهو مختزل قويّ جدّاً.

اختبار اللهب

عند إجراء اختبار اللهب يعطي الصوديوم ومركّباته لوناً أصفر مميّز، وذلك بسبب أنّ الإلكترونات في المدار الذري 3s تتهيّج وتثار بسبب امتصاص الحرارة وتقفز إلى المدار 3p، وعند عودتها إلى المدار 3s تصدر طاقة على شكل فوتون له طول موجة عند 589.3 نانومتر، ويرمز له الخطّ D في خطوط فراونهوفر. يؤدّي التآثر المغزلي المداري للإلكترونات إلى انفصام الخط D إلى خطّين D₁ وD₂، كما تسبّب البنى فائقة الدقة في المدارات إلى الحصول على خطوط ضعيفة أخرى.

الكيمياء التحليلية

من النادر حدوث عملية ترسيب لأملاح الصوديوم، لأنّ لها ألفة كيميائية عالية تجاه الماء، باستثناء ملح بزموتات الصوديوم (NaBiO₃). كما أنّه من الممكن إجراء ترسيب للصوديوم باستخدام ملح مزدوج صوديومي من الكبريتات والبزموت 3Na₂SO₄*2Bi₂(SO₄)₃*2H₂O.
يمكن تحديد المحتوى الصوديومي في المواد بالمعالجة مع كمّيّة فائضة من أسيتات يورانيل الزنك؛ حيث يترسّب سداسي الهيدرات UO₂)₂ZnNa(CH₃CO₂)·6H₂O) ويحدد وزنه. لا يتداخل السيزيوم والروبيديوم في تفاعل الكشف هذا، ولكن التداخلات تحدث مع عنصري البوتاسيوم والليثيوم. كما يمكن أن يتمّ الكشف بالترسيب باستخدام أسيتات يورانيل الصوديوم والمغنسيوم  حيث يعطي راسب أصفر من NaMg(UO₂)₃(CH₃COO)₉·9 H₂O؛ أو باستخدام سداسي هيدروكسي إثمدات الصوديوم [Na[Sb(OH)₆ الذي يعطي راسب عديم اللون.
تحدّد التراكيز الضئيلة من الصوديوم بواسطة مطيافية الامتصاص الذري، أو بإجراء معايرة بمقياس الجهد باستخدام أقطاب انتقائية لأيونات الصوديوم.

الاستخدامات

هناك طلب كبير على مركّبات الصوديوم في الصناعة، وخاصّة أملاح الكلوريد والهيدروكسيد والكربونات لاستخداماتها المتنوّعة، وذلك بشكل أكبر من الطلب على الصوديوم الفلزّي بحدّ ذاته. يستخدم الصوديوم مع البوتاسيوم على شكل أيون في العديد من الأدوية والمستحضرات الصيدلانية لتحسين التوافر الحيوي؛ على الرغم من أفضليّة أيون البوتاسيوم في حالات عدّة، إلّا أنّ الصوديوم هو الذي يتم اختياره لانخفاض سعره ووزنه الذرّي. يستخدم الصوديوم بشكل مباشر في تحضير مركّبات الصوديوم قليلة الانتشار في الطبيعة، والتي لا يمكن تحضيرها من كلوريد الصوديوم، وذات التطبيقات الخاصة مثل بيروكسيد الصوديوم وأميد الصوديوم وسيانيد الصوديوم وهيدريد الصوديوم وبورهيدريد الصوديوم وأزيد الصوديوم؛ بالإضافة إلى تحضير صبغة النيلة ومركّب ثلاثي فينيل الفوسفين.
كان الصوديوم مستخدماً لوقت طويل في إنتاج رباعي إيثيل الرصاص من كلورو الإيثان، والذي كان يمزج في الماضي بكثرة مع وقود السيارات كمانع للخبط في محركات الاحتراق الداخلي؛ قبل أن يمنع لأسباب صحّية وبيئية في أغلب دول العالم، ممّا أدّى إلى انخفاض إنتاج الصوديوم عالميّاً منذ سبعينات القرن العشرين.

التحفيز

يستخدم الصوديوم في تحفيز بلمرة 3،1-بوتاديين والإيزوبرين، وفي إنتاج المطّاط الاصطناعي. كان يطلق على المطّاط الاصطناعي المنتَج باستخدام الصوديوم كحفّاز اسم بونا Buna، وكان من أوائل أنواع المطّاط الاصطناعي المنتج في العالم.

التبريد

يستخدم الصوديوم السائل في تبريد المفاعلات النووية لقدرته العالية على نقل الحرارة. فللصوديوم ناقلية حرارية تبلغ 140 واط/م.كلفن، وهي قيمة تفوق التي للفولاذ (الصلب، 58 واط/م.كلفن)، كما أنّه سهل الانصهار وذو نقطة غليان مرتفعة نسبيّاً ممّا يمكّن من العمل في المفاعلات تحت ضغوط عادية غير مرتفعة. كما أنّ له مقطع تصادم صغير مع النيوترونات، ممّا يجعله جيّداً للاستخدام كمادة تبريد للمفاعلات النووية مثل مفاعل الاستنسال السريع، والتي لا يستخدم الماء للتبريد فيها لتجنّب كبح النيوترونات.
لكن من مساوئ استخدام الصوديوم في تبريد المفاعلات النووية هو عدم شفافيّته (اعتامه)، ممّا يعيق إصلاح الأعطال بصرياً، بالإضافة إلى خطر وقوع حوادث انفجارية. كما يمكن أن يتكوّن النظير صوديوم-24 عبر تنشيط النيوترون أثناء التشغيل، ممّا قد يشكّل خطر إشعاع بسيط؛ فالنشاط الإشعاعي يتوقّف بعد عدّة أيام من إزالته من المفاعل. عندما تكون هناك الحاجة لإيقاف وإعادة تشغيل المفاعل لعدّة مرات، فإنّه من الأفضل استخدام سبيكة صوديوم-بوتاسيوم (NaK) للتبريد، إذ أنّها سائلة عند درجة حرارة الغرفة، بالتالي لا تتصلّب مادة التبريد في الأنابيب؛ ولكن بالمقابل يُخشى من تلقائية اشتعال البوتاسيوم، ممّا يستدعي اتخاذ إجراءات احترازية إضافية.
من التطبيقات الحرارية للصوديوم أيضاً استخدامه في الصمّامات القَفَّازة في محرّكات الاحتراق الداخلي عالية الأداء؛ إذ أنّ ساق الصمام تكون مملوءةً جزئياً بالصوديوم وتعمل كأنبوب حراري لتبريد الصمّام.

الإنارة

لإنارة الشوارع يستخدم أحياناً مصابيح بخار الصوديوم، والتي تتميّز بلونها الأصفر البرتقالي، والذي يتشكّل عند تعريض بخار الصوديوم إلى تفريغ كهربائي.

الاختزال

يتميّز الصوديوم بأنّه من المختزلات القويّة، ولذلك يستخدم في تعدين بعض الفلزّات التي لا يمكن اختزالها بالكربون مثل التيتانيوم والزركونيوم والتانتالوم واليورانيوم والألومنيوم والمغنسيوم، لأنّ هذه الفلزات تشكّل كربيدات ثابتة حرارياً صعبة التفكك. كما يمكن استخدام البوتاسيوم لهذا الغرض أيضاً.
في المجال المخبري يستخدم الصوديوم كمختزل مهمّ في الاصطناع العضوي،  مثل اختزال بيرتش وتفاعل ازدواج البيناكول. يستخدم ناتج إذابة الصوديوم في الأمونيا لاختزال الألكاينات إلى ألكينات المفروقة (ترانس).

التجفيف

بسبب القابلية المرتفعة للتفاعل حتى مع آثار من الماء، يمكن أن يستخدم سلك مضغوط من الصوديوم كمجفّف للمذيبات العضوية مثل ثنائي إيثيل الإيثر والتولوين. بالمقابل لا يمكن استخدام هذه الطريقة لتجفيف الكحولات أو المذيبات الهالوجينية (مثل ثنائي كلورو الميثان) لأنّ الصوديوم يتفاعل معها. يمكن استخدام NaK لغرض التجفيف أيضاً، حيث تبدي ميّزات نوعية في هذا المجال. يعطي ناتج عملية التجفيف بالصوديوم (أو NaK) لوناً شديد الزرقة مع مركّب بنزوفينون.

احتياطات الأمان

عند التماس مع الماء يشكّل الصوديوم غاز الهيدروجين القابل للاشتعال، بالإضافة إلى محلول هيدروكسيد الصوديوم الأكّال. بالتالي فإن ابتلاع الصوديوم وتماسّه مع الجلد أو العين أو الأغشية المخاطية يسبّب حروقاً شديدة. ينفجر الصوديوم بشكل تلقائي بوجود المؤكسدات.
إنّ مطافئ الحريق ذات الأساس المائي غير مناسبة لإطفاء حرائق الصوديوم، فهي تعمل بالعكس على تسريعها، كما ينبغي تجنّب استعمال مطافئ ذات أساس من ثنائي أكسيد الكربون وبرومو كلورو ثنائي فلورو الميثان (هالون 1211) أيضاً. يستخدم لإطفاء حرائق الفلزّات مطافئ من الصنف D (بودرة جافّة)، والتي يعتمد بعضها مثلاً (Lith-X) على مسحوق من الغرافيت والرمل ومثبّط لهب فوسفاتي عضوي.
تُكافَح حرائق الصوديوم في المفاعلات النووية بعزل الصوديوم عن الأكسجين بإحاطة أنابيب الصوديوم بغاز خامل. أمّا حرائق الصوديوم ذات النمط البِرَكي فتكافَح بأسلوب مختلف يعتمد على تجميع الصوديوم المتسرّب وسَوقِه إلى خزّانات استرجاع لعزله عن الأكسجين.