Natri

Natri (bắt nguồn từ từ tiếng Latinh mới: "natrium") hay Sodium là một nguyên tố hóa học hóa trị một trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Na và số nguyên tử bằng 11, nguyên tử khối bằng 23. Natri là kim loại mềm, màu trắng bạc, hoạt động mạnh, và thuộc nhóm kim loại kiềm; nó chỉ có một đồng vị bền là 23Na. Kim loại nguyên chất không có mặt trong tự nhiên nên để có được dạng này phải điều chế từ các hợp chất của nó; natri được Humphry Davy cô lập đầu tiên năm 1807 bằng cách điện phân natri hydroxide. Natri là nguyên tố phổ biến thứ 6 trong vỏ Trái Đất, và có mặt trong nhiều loại khoáng vật như felspat, sodalit và đá muối. Phần lớn muối natri là những hợp chất hòa tan mạnh trong nước, và natri của chúng bị rò rỉ do hoạt động của nước nên chlor và natri là các nguyên tố hòa tan phổ biến nhất theo khối lượng trong các vùng biển trên Trái Đất.
Nhiều hợp chất natri được sử dụng rộng rãi như natri hydroxide để làm xà phòng và tẩy trắng nhựa bị ố vàng, và natri chloride dùng làm chất tan băng và là một chất dinh dưỡng (muối ăn). Natri là một nguyên tố thiết yếu cho tất cả động vật và một số thực vật. Ở động vật, các ion natri được dùng làm chất đối nghịch với các ion kali để tạo thành các điện tích trên các màng tế bào, cho phép truyền các xung thần kinh khi điện tích bị mất đi. Nhu cầu thiết yếu của natri đối với động vật làm cho nó được phân loại là một khoáng vô cơ trong khẩu phần ăn.
Tính chất.
Tính chất vật lý.
Natri ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn là một kim loại mềm, màu bạc, khi bị oxy hóa chuyển sang màu trắng xám trừ khi nó được cất giữ trong dầu hoặc khí trơ. Natri có thể bị cắt dễ dàng bằng dao, và là một chất dẫn nhiệt và điện tốt. Các tính chất này thay đổi rõ rệt khi tăng áp suất: ở 1,5 Mbar, màu sắc thay đổi từ bạc sang đen; ở 1,9 Mbar vật liệu trở nên trong, có màu đỏ; và ở 3 Mbar natri là chất rắn trong suốt không màu. Tất cả các đồng phân ở áp suất cao này là chất cách điện và electride.
Khi natri hoặc các hợp chất của natri cháy, chúng chuyển thành màu vàng, do các electron ở lớp 3s của natri bị kích thích phát ra photon khi chúng từ phân lớp 3p trở về 3s; bước sóng của các photon này tương ứng với đường D có giá trị 589,3 nm. Tương tác orbitan liên quan đến electron trong phân lớp 3p chia đường D thành 2; cấu trúc siêu mịn liên quan đến cả hai orbitan tạo ra nhiều đường hơn.
Tính chất hóa học.
Natri thường ít phản ứng hơn kali và phản ứng mạnh hơn lithi. Natri nổi trong nước và có phản ứng mãnh liệt với nước, tạo ra hydro và các ion hydroxide. Nếu được chế thành dạng bột đủ mịn, natri sẽ tự bốc cháy trong không khí. Kim loại natri có tính khử mạnh, để khử các ion natri cần −2,71 vôn. Do đó, để tách natri kim loại từ các hợp chất của nó cần sử dụng một lượng năng lượng lớn. Tuy nhiên, kali và lithi còn có mức âm nhiều hơn.
Đồng vị.
Có 20 đồng vị của natri đã được biết đến. Đồng vị ổn định duy nhất là 23Na. Natri có hai đồng vị phóng xạ nguồn gốc vũ trụ là (22Na, chu kỳ bán rã = 2,605 năm; 24Na, chu kỳ bán rã ≈ 15 giờ). Tất cả các đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã nhỏ hơn một phút. Hai đồng phân hạt nhân đã được phát hiện, đồng phân có thời gian tồn tại lâu hơn 24mNa có chu kỳ bán rã khoảng 20,2 micro giây. Phát xạ neutron cấp, như các vụ tai nạn hạt nhân, chuyển đổi một số 23Na trong máu người thành 24Na; bằng cách đo hàm lượng 24Na tương quan với 23Na, liều trị phát xạ neutron cho bệnh nhân có thể tính toán được.
Sự phổ biến.
23Na được tạo ra từ quá trình đốt cháy carbon trong các sao bởi sự hợp hạch của hai nguyên tử carbon; quá trình này cần nhiệt độ trên 600 megakelvin và ngôi sao có khối lượng ít nhất bằng 3 lần khối lượng Mặt Trời. Natri là nguyên tố tương đối phổ biến trong các ngôi sao và quang phổ vạch D của nguyên tố này là nằm trong số các vạch rõ nhất từ ánh sáng của các sao.
Natri chiếm khoảng 2,6% theo khối lượng của vỏ Trái Đất, làm nó trở thành nguyên tố phổ biến thứ sáu nói chung và là kim loại kiềm phổ biến nhất. Trong môi trường liên sao, natri được xác định bằng đường D; mặc dù nó có nhiệt độ hóa hơi cao, sự phổ biến của nó cho phép tàu Mariner 10 phát hiện nó trong khí quyển của Sao Thủy. Natri còn được phát hiện trong ít nhất một sao chổi; các nhà thiên văn học trong quá trình quan sát sao chổi Hale-Bopp năm 1997 đã quan sát được đuôi sao chổi bằng natri, nó bao gồm các nguyên tử trung hòa điện và kéo dài khoảng 50 triệu km.
Lịch sử.
Muối ăn là một loại hàng hóa quan trọng trong các hoạt động của con người, các tấm muối đôi khi được giao cho lính La Mã cùng với lương thực của họ. Ở châu Âu thời Trung cổ các hợp chất của natri với tên Latin sonadum đã được sử dụng như là thuốc chữa đau đầu. Tên gọi "sodium" trong tiếng Anh được cho là có nguồn gốc từ tiếng Ả Rập "suda", nghĩa là đau đầu, vì tính chất giảm đau của natri carbonat hay soda được biết khá rõ từ rất sớm. Ký hiệu của natri được Jöns Jakob Berzelius công bố đầu tiên trong hệ thống ký hiệu nguyên tử của ông, và có tên trong tiếng Latinh mới là "natrium", nhằm ám chỉ tên gọi trong tiếng Hy Lạp của "natron", một loại muối tự nhiên ban đầu được làm từ natri carbonat ngậm nước. Về tính lịch sử, natron có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và gia đình, sau đó trở nên ít chú ý khi có nhiều hợp chất natri khác. Mặc dù vậy, natri, đôi khi còn được gọi là "soda" một thời gian dài được xem là một hợp chất, bản thân kim loại không được cô lập mãi cho đến năm 1807 khi Sir Humphry Davy điện phân natri hydroxide.
Sản xuất.
Có khoảng 100.000 tấn natri kim loại được sản xuất hàng năm. Natri kim loại được sản xuất thương mại đầu tiên năm 1855 bằng cách khử carbon nhiệt từ natri carbonat ở 1100 °C, hay còn gọi là công nghệ Deville:
Quá trình liên quan dựa trên sự khử natri hydroxide được phát triển năm 1886.
Natri hiện được sản xuất thương mại bằng phương pháp điện phân natri chloride nóng chảy, theo công nghệ được cấp bằng sáng chế năm 1924. Phương pháp này rẻ tiền hơn so với phương pháp cũ là điện phân xút ăn da nóng chảy. Natri kim loại có giá khoảng 15 đến 20 cent Mỹ trên một pound (0,30 USD/kg đến 0,45 USD/kg) năm 1997 nhưng loại dùng trong các phản ứng hóa học (ACS) của natri có giá khoảng 35 USD trên pound (75 USD/kg) vào năm 1990. Nó là kim loại rẻ tiền nhất tính theo khối lượng.
Natri dạng thuốc thử được cung cấp với số lượng hàng tấn có giá khoảng 3,30 $US/kg năm 2009; số lượng mua ít hơn có giá khác nhau dao động trong khoảng 165 $US/kg; giá cao một phần là do chi phí vận chuyển vật liệu độc hại.
Vì natri là kim loại kiềm đứng trước Mg nên muốn sản xuất natri phải điện phân nóng chảy các muối của natri:
Ứng dụng.
Natri trong dạng kim loại của nó là thành phần quan trọng trong sản xuất ester và các hợp chất hữu cơ. Kim loại kiềm này là thành phần của natri chloride (NaCl, muối ăn) là một chất quan trọng cho sự sống. Các ứng dụng khác còn có:
Hợp chất.
Natri chloride, được biết đến nhiều hơn như muối ăn, là hợp chất phổ biến nhất của natri được sử dụng làm các chất chống đông đá, tan đá, chất bảo quản và nấu ăn. Natri bicarbonat, mononatri glutamat được sử dụng chủ yếu trong nấu ăn. Cùng với kali, nhiều dược phẩm quan trọng đã cho thêm natri vào để cải thiện ứng dụng sinh học của chúng; mặc dù trong hầu hết các trường hợp, kali là loại ion tốt hơn, natri được chọn do chi phí và khối lượng nguyên tử thấp. Natri hiđrat được dùng làm chất nền cho nhiều phản ứng khác nhau (như phản ứng aldol) trong hóa hữu cơ, và là chất khử trong hóa vô cơ. Natri còn có mặt trong nhiều khoáng chất, chẳng hạn amphibol, cryôlit, muối mỏ, diêm tiêu, zêôlit, v.v. Các hợp chất của natri rất quan trọng trong các công nghiệp hóa chất, thủy tinh, luyện kim, sản xuất giấy, dầu mỏ, xà phòng và dệt may. Nói chung xà phòng là muối của natri với các acid béo. Các xà phòng natri là cứng hơn (độ nóng chảy cao hơn) so với xà phòng kali.
Các hợp chất quan trọng nhất đối với công nghiệp là muối (NaCl), sôđa khan (Na2CO3), bột nở (NaHCO3), xút ăn da (NaOH), diêm tiêu Chile (NaNO3), đi- và tri-natri phosphat, natri thiosulfat (hypo, Na2S2O3·5H2O), và borac (Na2B4O7·10H2O). Trong các hợp chất của nó, natri thường tạo liên kết ion với nước và các anion, và được xem là một acid Lewis mạnh.
Cảnh báo.
Dạng bột của natri là chất nổ mạnh trong nước và là chất độc có khả năng liên kết và rời liên kết với nhiều nguyên tố khác. Làm việc hay tiếp xúc với natri phải cực kỳ cẩn thận trong mọi lúc, mọi nơi. Natri phải được bảo quản trong khí trơ hay dầu mỏ.
Sinh lý học và ion Na.
Các ion natri đóng vai trò khác nhau trong nhiều quá trình sinh lý học. Ví dụ, các tế bào dễ bị kích thích dựa vào sự tiếp nhận ion Na+ để sinh ra sự phân cực. Một ví dụ của nó là biến đổi tín hiệu trong hệ thần kinh trung ương.