Natrium

Fisika

Natrium pada suhu dan tekanan standar adalah logam lunak keperakan yang jika bereaksi dengan oksigen di udara dan membentuk natrium oksida berwarna putih keabu-abun kecuali direndam dalam minyak atau gas inert, yang merupakan kondisi penyimpanan umumnya. Logam natrium dapat dengan mudah dipotong menggunakan pisau dan merupakan konduktor listrik dan panas yang baik, karena hanya memiliki satu elektron pada kelopak valensinya, sehingga menghasilkan ikatan logam dan elektron bebas yang lemah, yang membawa energi. Akibat massa atomnya yang rendah dan jari-jari atomnya yang panjang, natrium adalah unsur logam dengan densitas paling rendah ke-3 di antara seluruh logam dan salah satu dari tiga logam yang dapat terapung di air, dua lainnya adalah litium dan kalium. Titik lebur (98 °C) dan didih (883 °C) natrium lebih rendah daripada litium tetapi lebih tinggi daripada logam alkali yang lebih berat (kalium, rubidium, dan sesium), mengikuti tren periodik sepanjang golongan dari atas ke bawah. Sifat ini berubah secara dramatis pada kenaikan tekanan: pada 1,5 Mbar, warna berubah dari keperakan menjadi hitam; pada 1,9 Mbar menjadi transparan dengan warna merah; dan pada 3 Mbar, natrium berupa padatan jernih dan transparan. Semua alotropi tekanan tinggi ini bersifat isolator dan elektrida.
Dalam uji nyala api, natrium dan senyawanya menghasilkan warna kuning karena elektron 3s natrium yang tereksitasi memancarkan foton ketika mereka kembali dari 3p ke 3s; panjang gelombang foton ini berada pada garis D sekitar 589,3 nm. interaksi spin–orbit yang melibatkan elektron pada orbital 3p memecah garis D menjadi dua, pada 589,0 dan 589,6 nm; struktur hiperhalus yang melibatkan kedua orbital menyebabkan garis lebih banyak.

Isotop

Ada dua puluh isotop natrium yang diketahui, namun hanya ²³Na yang stabil. ²³Na dibuat dalam proses pembakaran karbon dalam bintang-bintang melalui peleburan dua atom karbon bersama-sama; ini memerlukan suhu di atas 600 megakelvin dan sebuah bintang bermassa sekurang-kurangnya tiga kali massa matahari. Dua isotop kosmogenik, radioaktif adalah produk sampingan dari spalasi sinar kosmis: ²²Na dengan waktu paruh 2,6 tahun dan ²⁴Na, waktu paruh 15 jam; semua isotop lainnya memiliki waktu paruh kurang dari satu menit. Dua isomer nuklir telah ditemukan, yang memiliki umur terpanjang adalah ²⁴ᵐNa dengan waktu paruh sekitar 20,2 milidetik. Radiasi neutron akut, seperti dari kecelakaan kegentingan, mengubah beberapa ²³Na yang stabil dalam darah manusia menjadi ²⁴Na; dosis radiasi neutron pada korban dapat dihitung dengan mengukur konsentrasi ²⁴Na relatif terhadap ²³Na.

Kimia

Atom natrium memiliki 11 elektron, lebih banyak satu daripada konfigurasi gas mulia neon yang sangat stabil. Oleh karena itu, dan katena energi ionisasi pertamanya yang rendah pada 495,8 kJ/mol, atom natrium jauh lebih mudah kehilangan elektron terakhir dan menjadi bermuatan positif daripada mendapatkan satu elektron untuk menjadi bermuatan negatif. Proses ini membutuhkan sangat sedikit energi sehingga natrium mudah teroksidasi dengan melepaskan elektron ke-11nya. Sebaliknya, energi ionisasi kedua sangat tinggi (4562 kJ/mol), karena elektron ke-10 lebih dekat ke inti atom daripada elektron ke-11. Akibatnya, natrium biasanya membentuk senyawa ionik sebagai kation Na⁺.
Tingkat oksidasi natrium yang paling umum adalah +1. Ia umumnya tidak sereaktif kalium tetapi lebih reaktif daripada litium. Logam natrium adalah reduktor kuat, dengan potensial reduksi standar untuk pasangan Na⁺/Na adalah −2.71 volt, meskipun kalium dan litium memiliki potensial yang lebih negatif.

Garam dan oksida

Senyawa natrium memiliki kepentingan komersial yang sangat besar, terutama bagi industri yang memproduksi kaca, kertas, sabun, dan tekstil. Senyawa natrium yang paling penting adalah garam dapur (NaCl), soda abu (Na₂CO₃), baking soda (NaHCO₃), soda api (NaOH), natrium nitrat (NaNO₃), di- dan tri-natrium fosfate, natrium tiosulfat (Na₂S₂O₃·5H₂O), serta boraks (Na₂B₄O₇·10H₂O). Dalam senyawa, natrium biasanya berikatan ionik dengan air dan anion, serta dianggap sebagai sebuah asam Lewis kuat.
Sebagian besar sabun adalah garam natrium dari asam lemak. Sabun natrium memiliki titik leleh lebih tinggi (dan tampaknya "lebih kuat") daripada sabun kalium.
Seperti semua logam alkali, natrium bereaksi eksotermik dengan air, dan potongan yang cukup besar meleleh dan bisa meledak. Reaksinya menghasilkan soda api (natrium hidroksida) dan gas hidrogen yang mudah terbakar. Ketika terbakar di udara, ia membentuk, terutama, natrium peroksida dan natrium oksida.

Larutan air

Natrium cenderung membentuk senyawa yang larut dalam air, seperti halida, sulfat, nitrat, karboksilat dan karbonat. Spesies akuatik utama adalah kompleks akuo [Na(H₂O)ₙ]⁺, di mana n = 4–8; dengan n = 6 menunjukkan data dari difraksi sinar X dan simulasi komputer.
Presipitasi langsung garam natrium dari larutan akuatik jarang terjadi karena garam natrium biasanya memiliki afinitas tinggi terhadap air; kecuali natrium bismutat (NaBiO₃). Oleh karena itu, garam natrium biasanya diisolasi sebagai padatan dengan penguapan atau melalui presipitasi dengan pelarut organik, seperti etanol; sebagai contoh, hanya 0,35 g/L natrium klorida yang akan larut dalam etanol. Eter mahkota, seperti 15-mahkota-5, dapat digunakan sebagai katalis transfer fase.
Kandungan natrium dalam jumlah besar dapat ditentukan dengan perlakuan menggunakan uranil seng asetat sangat berlebih; heksa hidratnya, (UO₂)₂ZnNa(CH₃CO₂)·6H₂O mengendap dan dapat ditimbang. Sesium dan rubidium tidak mengganggu reaksi ini, tapi kalium dan litium mengganggu. Konsentrasi natrium yang lebih rendah dapat ditentukan dengan spektrofotometri serapan atom atau dengan potensiometri menggunakan elektrode ion selektif.

Elektrida dan sodida

Seperti logam alkali lainnya, natrium larut dalam amonia dan beberapa amina menghasilkan larutan berwarna; penguapan larutan ini meninggalkan film natrium berkilau metalik. Larutannya mengandung kompleks koordinasi (Na(NH₃)₆)⁺, dengan muatan positif yang diimbangi oleh elektrida (elektron sebagai anion); kriptan memungkinkan isolasi kompleks ini sebagai padatan kristal. Natrium membentuk kompleks dengan eter mahkota, kriptan dan ligan lainnya. Contohnya, 15-mahkota-5 memiliki afinitas tinggi terhadap natrium karena ukuran rongga (cavity) 15-mahkota-5 adalah 1,7–2,2 Å, yang cukup pas untuk ion natrium (1,9 Å). Kriptan, seperti eter mahkota dan ion ionofor lainnya, juga memiliki afinitas tinggi terhadap ion natrium; derivat alkalida Na⁻ dapat diperoleh dengan adisi kriptan pada larutan natrium dalam amonia melalui disproporsionasi.

Senyawa organonatrium

Banyak senyawa organonatrium yang telah dibuat. Mereka berperilaku seperti sumber karbanion (garam dengan anion organik), karena polaritas ikatan C-Na yang tinggi. Beberapa derivat yang terkenal termasuk natrium siklopentadienida (NaC₅H₅) dan tritil natrium ((C₆H₅)₃CNa). Oleh karena kation Na⁺ berukuran besar dan memiliki kekuatan polarisasi yang sangat rendah, ia dapat menstabilkan radikal anion besar, aromatik, terpolarisasi, seperti pada natrium naftalenida, Na⁺[C₁₀H₈•]⁻, sebuah reduktor kuat.

Senyawa intermetalik

Natrium membentuk paduan dengan banyak logam, seperti kalium, kalsium, timbal, dan unsur golongan 11 serta 12. Natrium dan kalium membentuk KNa₂ dan NaK. NaK adalah kalium 40-90% dan berwujud cair pada suhu ambien. Ia adalah penghantar panas dan listrik yang sangat baik. Paduan natrium-kalsium adalah produk sampingan dari produksi elektrolitik natrium dari campuran garam biner NaCl-CaCl₂ dan campuran terner NaCl-CaCl₂-BaCl₂. Ketercampuran kalsium dengan natrium hanya sebagian. Dalam keadaan cair, natrium bercampur sempurna dengan timbal. Terdapat beberapa metode untuk membuat paduan natrium-timbal. Salah satunya adalah mencairkan keduanya bersama-sama dan yang lainnya adalah mendepositkan natrium secara elektrolitik pada katoda timbal cair. NaPb₃, NaPb, Na₉Pb₄, Na₅Pb₂, dan Na₁₅Pb₄ adalah beberapa paduan natrium-timbal yang diketahui. Natrium juga membentuk paduan dengan emas (NaAu₂) dan perak (NaAg₂). Logam golongan 12 (seng, kadmium dan raksa diketahui membuat paduan dengan natrium. NaZn₁₃ dan NaCd₂ adalah paduan dengan seng dan kadmium. Natrium dan raksa membentuk NaHg, NaHg₄, NaHg₂, Na₃Hg₂, dan Na₃Hg.

Sejarah

Oleh karena pentingnya dalam metabolisme manusia, garam telah lama menjadi komoditas penting, seperti yang ditunjukkan oleh kata bahasa Inggris salary (bahasa Indonesia: gaji), yang berasal dari salarium, wafer garam (garam bata) kadang diberikan kepada tentara Romawi bersamaan dengan upah mereka lainnya. Di Eropa abad pertengahan, senyawa natrium dengan nama Latin sodanum digunakan sebagai obat sakit kepala. Nama soda diperkirakan berasal dari bahasa Arab suda, yang berarti sakit kepala, karena sifat natrium karbonat atau soda yang dapat mengurangi sakit kepala sudah dikenal sejak awal. Meskipun natrium, kadang-kadang disebut soda, telah lama dikenal dalam senyawanya, logam itu sendiri baru diisolasi pada tahu 1807 oleh Sir Humphry Davy melalui elektrolisis natrium hidroksida. Pada tahun 1809, fisikawan sekaligus kimiawan Jerman Ludwig Wilhelm Gilbert mengusulkan nama Natronium untuk "natrium" temuan Humphry Davy dan Kalium untuk "kalium" temuan Davy. Singkatan kimia untuk natrium pertama kali diterbitkan pada tahun 1814 oleh Jöns Jakob Berzelius dalam sistem simbol atomnya, dan merupakan singkatan dari nama unsur Neo Latin natrium, yang mengacu pada bahasa Mesir natron, garam mineral alami yang kandungan utamanya adalah natrium karbonat terhidrasi. Natron secara historis memiliki beberapa keperluan industri dan rumah tangga yang penting, kemudian digantikan oleh senyawa natrium lainnya.
Natrium memberi warna kuning yang kuat pada nyala api. Pada awal 1860, Kirchhoff dan Bunsen mencatat sensitivitas natrium yang tinggi terhadap uji nyala api, dan dinyatakan dalam Annalen der Physik und Chemie:
Di sudut terjauh dari aparatus di dalam kamar 60 m³ kami, kami meledakkan 3 mg natrium klorat dengan gula susu sambil mengamati nyala api yang tidak bercahaya dari balik celah. Setelah beberapa saat, ia bersinar kuning cerah dan menunjukkan garis natrium kuat yang hilang hanya setelah 10 menit. Dari berat garam natrium dan volume udara di dalam ruangan, kita dengan mudah menghitung bahwa satu bagian berat udara tidak boleh mengandung lebih dari 1/20 juta bagian berat natrium.

Keterjadian

Kerak bumi mengandung 2,27% natrium, membuatnya unsur paling melimpah ke-7 di Bumi dan logam paling melimpah ke-5, setelah aluminium, besi, kalsium, dan magnesium, dan sebelum kalium. Estimasi kelimpahan natrium di lautan adalah 1,08×10⁴ miligram per liter. Oleh karena reaktivitasnya yang tinggi, ia tidak pernah dijumpai sebagai unsur murni. Ia dijumpai dalam banyak mineral yang berbeda, beberapa sangat mudah larut, seperti halit dan natron, lainnya kurang mudah larut, seperti amfibol dan zeolit. Ketaklarutan mineral natrium tertentu seperti kriolit dan felspar muncul dari anion polimernya, yang dalam kasus feldspar adalah polisilikat.

Pengamatan astronomi

Dalam medium antarbintang, natrium diidentifikasi melalui garis spektrum D; meskipun ia memiliki suhu penguapan tinggi, kelimpahannya dalam atmosfer planet Merkurius memungkinkannya terdeteksi oleh Potter dan Morgan menggunakan spektroskopi stasiun bumi berresolusi tinggi. Natrium telah terdeteksi dalam sekurang-kurangnya satu komet; para astronom yang menyaksikan Komet Hale-Bopp pada tahun 1997 mengamati ekor natrium yang mengandung atom-atom netral (bukan ion) dan mencapai jarak hingga 50 juta kilometer di belakang kepala.

Aplikasi

Meskipun logam natrium memiliki beberapa kegunaan penting, aplikasi utama natrium menggunakan senyawanya; jutaan ton natrium klorida, hidroksida, dan karbonat diproduksi setiap tahunnya. Natrium klorida digunakan secara luas untuk anties dan pencair es dan sebagai pengawet; natrium bikarbonat terutama digunakan untuk memasak. Bersama kalium, banyak obat-obatan penting yang ditambahkan natrium untuk meningkatkan bioavailabilitas; meskipun kalium merupakan ion yang lebih baik dalam banyak kasus, natrium dipilih karena harganya yang murah dan bobot atomnya yang rendah. Natrium hidrida digunakan sebagai basa untuk beragam reaksi (misalnya reaksi aldol) dalam kimia organik, dan sebagai reduktor dalam kimia anorganik.
Logam natrium terutama digunakan untuk produksi natrium borohidrida, natrium azida, indigo, dan trifenilfosfina. Kegunaan yang pernah meluas adalah dalam pembuatan tetraetiltimbal dan logam titanium; tetapi produksi natrium menurun sejak 1970an karena ditinggalkannya TEL dan adanya metode produksi titanium yang baru. Natrium juga digunakan sebagai logam pemadu, zat pelunak air dan sebagai reduktor untuk logam ketika bahan lain tidak efektif. Perlu diperhatikan bahwa unsur bebas tidak digunakan sebagai zat pengendap, ion di air ditukar dengan ion natrium. Lampu ("uap") plasma natrium sering digunakan untuk penerangan jalan di kota, memancarkan cahaya yang berkisar dari kuning-jingga hingga peach saat tekanan meningkat. Sebagai Na tunggal atau dengan kalium, natrium adalah desikan; ia memberi warna biru kuat dengan benzofenon saat yang dikeringkan kering. Dalam sintesis organik, natrium digunakan dalam berbagai reaksi seperti reduksi Birch, dan uji fusi natrium dilakukan untuk menganalisis senyawa secara kualitatif. Natrium bereaksi dengan alkohol menghasilkan alkoksida, dan bila natrium dilarutkan dalam larutan amonia, ia dapat digunakan untuk mereduksi alkuna menjadi trans-alkena.

Pemindahan kalor

Natrium cair digunakan sebagai fluida perpindahan panas pada beberapa reaktor cepat berpendingin natrium karena memiliki konduktivitas termal yang tinggi dan penyerapan tampang-lintang neutron rendah yang diperlukan untuk mencapai fluks neutron tinggi di dalam reaktor. Titik didih natrium yang tinggi memungkinkan reaktor beroperasi pada tekanan ambien (normal), tetapi kekurangannya meliputi opasitasnya, yang menghambat perawatan visual, dan sifatnya yang mudah meledak. Natrium-24 radioaktif dapat dibuat melalui bombardir neutron selama operasi, menimbulkan bahaya radiasi ringan; radioaktivitas berhenti dalam beberapa hari setelah dikeluarkan dari reaktor. Jika sebuah reaktor perlu sering dimatikan, digunakan NaK; karena NaK adalah cairan pada suhu kamar, pendingin ini tidak memadat di dalam pipa. Dalam kasus ini, piroforisitas kalium memerlukan tindakan pencegahan ekstra untuk mencegah dan mendeteksi kebocoran. Aplikasi perpindahan kalor lainnya adalah katup poppet pada mesin pembakaran internal berkinerja tinggi; batang katup sebagian diisi dengan natrium dan bekerja sebagai pipa kalor untuk mendinginkan katup.

Peran biologis

Pada manusia, natrium adalah mineral penting yang mengatur volume darah, tekanan darah, kesetimbangan osmotik dan pH; persyaratan fisiologis minimum natrium adalah 500 miligram per hari. Natrium klorida adalah sumber utama natrium dalam makanan, dan digunakan sebagai bumbu dan pengawet dalam komoditas seperti pengawet acar dan dendeng; bagi orang Amerika, kebanyakan natrium klorida berasal dari makanan olahan. Sumber natrium lainnya adalah keberadaan alami pada makanan dan bahan tambahan makanan seperti monosodium glutamat (MSG), natrium nitrit, natrium sakarin, soda kue (natrium bikarbonat), dan natrium benzoat.
Kementerian Kesehatan Republik Indonesia menetapkan Angka Kecukupan Gizi natrium adalah adalah 1500 mg per orang per hari, tetapi rata-rata orang Indonesia mengkonsumsi natrium (dari garam saja) sekitar 5300 mg/hari (setara dengan 15 gram garam dengan kadar NaCl 90%); belum termasuk sumber natrium lainnya seperti MSG. Penelitian mengungkapkan bahwa menurunkan asupan natrium hingga 2 g per hari cenderung menurunkan tekanan darah sistolik sekitar dua hingga empat mm Hg. Telah diperkirakan bahwa penurunan asupan natrium sebesar itu akan menurunkan kasus tekanan darah tinggi sebesar 9 hingga 17%.
Tekanan darah tinggi menyebabkan 7,6 juta kematian dini di seluruh dunia setiap tahunnya. (Sebagai catatan, garam mengandung sekitar 39,3% natrium—sisanya adalah klorin dan zat renik lainnya; sehingga 2,3 g natrium setara dengan sekitar 5,9 g, atau 2,7 mL garam—sekitar setengah sendok teh). American Heart Association merekomendasikan asupan natrium tidak lebih dari 1,5 g per hari, sesuai dengan Permenkes RI no 75 tahun 2013
Satu studi menemukan bahwa orang dengan atau tanpa hipertensi yang mengekskresikan kurang dari 3 gram natrium per hari dalam urin mereka (dan karena itu mengasup kurang dari 3 g/hari) memiliki risiko kematian, stroke, atau serangan jantung yang lebih tinggi daripada yang mengekskresikan 4 sampai 5 gram per hari. Tingkat 7 g per hari atau lebih pada orang dengan hipertensi dikaitkan dengan kematian dan kejadian kardiovaskular yang lebih tinggi, namun hal ini tidak diketahui kebenarannya untuk orang-orang tanpa hipertensi. US FDA menyatakan bahwa orang dewasa dengan hipertensi dan prahipertensi harus mengurangi asupan harian menjadi 1,5 g.
Sistem renin–angiotensin mengatur jumlah cairan dan konsentrasi natrium dalam tubuh. Pengurangan tekanan darah dan konsentrasi natrium dalam ginjal mengakibatkan produksi renin, yang pada gilirannya menghasilkan aldosteron dan angiotensin, mempertahankan natrium dalam urin. Ketika konsentrasi natrium meningkat, produksi renin menurun, dan konsentrasi natrium kembali normal. Ion natrium (Na⁺) adalah elektrolit penting dalam fungsi neuron, dan pada osmoregulasi antara sel dan cairan ekstrasel. Hal ini berlaku pada semua hewan oleh Na⁺/K⁺-ATPase, transporter aktif yang memompa ion melawan gradien, dan kanal natrium/kalium. Natrium adalah ion logam yang paling lazim dalam cairan ekstrasel.
Tingkat natrium yang sangat rendah atau sangat tinggi pada manusia dikenali dalam dunia kedokteran sebagai hiponatremia dan hipernatremia. Kondisi ini mungkin disebabkan oleh faktor genetik, penuaan, atau muntah atau diare berkepanjangan.
Pada tanaman C4, natrium adalah mikronutrien yang membantu metabolisme, khususnya dalam regenerasi fosfoenolpiruvat dan sintesis klorofil. Pada tanaman lain, ia menggantikan beberapa peran kalium, seperti mempertahankan tekanan turgor dan membantu pembukaan dan penutupan stomata. Kelebihan natrium di dalam tanah dapat membatasi penyerapan air dengan menurunkan potensi air, yang dapat menyebabkan tanaman layu; konsentrasi berlebih pada sitoplasma dapat menyebabkan inhibisi enzim, yang pada gilirannya menyebabkan nekrosis dan klorosis. Sebagai reaksinya, beberapa tanaman telah mengembangkan mekanisme untuk membatasi pengambilan natrium di akar, untuk menyimpannya di dalam sel vakuola, dan membatasi pengangkutan garam dari akar ke daun; kelebihan natrium juga dapat disimpan di jaringan tanaman tua, sehingga membatasi kerusakan pada sel yang baru tumbuh. Halofit telah menyesuaikan diri untuk dapat berkembang di lingkungan yang kaya akan natrium.

Keselamatan dan pencegahan

Natrium membentuk hidrogen yang mudah terbakar dan natrium hidroksida ketika kontak dengan air; jika tertelan dan terkena uap air pada kulit, mata atau membran mukosa dapat menyebabkan luka bakar yang parah. Natrium secara spontan meledak dengan adanya oksidator seperti air. Alat pemadam kebakaran berbasis air mempercepat pembakaran natrium; sedangkan yang berbasis karbon dioksida dan bromoklorodifluorometana tidak boleh digunakan pada kebakaran natrium. Kebakaran logam adalah kebakaran Kelas D, namun tidak semua alat pemadam Kelas D dapat digunakan untuk natrium. Bahan pemadam kebakaran yang efektif untuk kebakaran natrium adalah Met-L-X. Zat efektif lainnya termasuk Lith-X, yang memiliki bubuk grafit dan penghambat nyala organofosfat, dan pasir kering. Kebakaran natrium dicegah pada reaktor nuklir dengan mengisolasi natrium dari oksigen dengan melingkupi pipa natrium menggunakan gas lembam. Kebakaran natrium tipe kolam dicegah dengan menggunakan berbagai ukuran perancangan yang disebut sistem tangkapan panci. Mereka mengumpulkan natrium yang bocor ke dalam tangki pemulih kebocoran yang diisolasi dari oksigen.