espectre del sodi

Pràctica Flames de colors

Divendres, 27 de març de 2015, pràctica: flames de colors.

Ciencia, Educación, Cultura y Estilo de Vida

Sodio: historia, estructura, propiedades, riesgos y usos

El sodio es un metal alcalino del grupo 1 de la tabla periódica. Su número atómico es 11 y se representa con el símbolo químico Na. Es un metal liviano, menos denso que al agua, de color blanco plateado que se torna gris al exponerse al aire; es por eso que se almacena en parafinas o gases nobles.

Además, es un metal blando que puede ser cortado con un cuchillo y se torna quebradizo a bajas temperaturas. Reacciona en forma explosiva con el agua para formar hidróxido de sodio e hidrógeno gaseoso; igualmente reacciona con el aire húmedo y con la humedad de las manos desnudas.

Este metal se encuentra en rocas de minerales de sal como la halita (cloruro de sodio), en salmueras y en el mar. El cloruro de sodio representa el 80% de todos los materiales disueltos en el mar, teniendo el sodio una abundancia del 1,05%. Es el sexto elemento en abundancia de la corteza terrestre.

El análisis de los espectros de la luz provenientes de las estrellas, ha permitido detectar su presencia en ellas, incluyendo el Sol . Asimismo, se ha determinado su presencia en meteoritos.

El sodio es un buen conductor térmico y eléctrico, además de tener gran capacidad de absorción del calor. Experimenta el fenómeno fotoeléctrico, es decir, es capaz de emitir electrones cuando es iluminado. Al ser quemado su llama emite una luz de color amarillo intenso.

El sodio fundido actúa como un agente de transferencia de calor, razón por la cual se usa como refrigerante en ciertos reactores nucleares. También se usa como desoxidante y reductor de metales, por lo que se ha usado en la purificación de metales de transición, como el titanio y el circonio.

El sodio es el principal contribuyente a la osmolaridad del compartimiento extracelular y del volumen del mismo. Asimismo, es el responsable de la generación de los potenciales de acción en las células excitables y el inicio de la contracción muscular.

La ingesta excesiva de sodio puede producir: enfermedades cardiovasculares, aumento del riesgo de accidentes cerebrales, osteoporosis por la movilización del calcio óseo y daño renal.

El hombre ha usado compuestos del sodio desde la antigüedad, especialmente el cloruro de sodio (sal común) y el carbonato de sodio. La importancia de la sal está evidenciada por el uso de la palabra latina “salarium”, para señalar una porción de sal que recibían los soldados como parte del pago.

En la Edad Media se usó un compuesto sódico con el nombre latino “sodanum”, que significaba dolor de cabeza.

En 1807, Sir Humprey Davy aisló al sodio mediante la electrólisis del hidróxido de sodio. También Davy aisló el potasio, en un momento en que consideraban al hidróxido de sodio y al hidróxido de potasio como sustancias elementales y denominadas álcalis fijos.

Davy en una carta a un amigo, escribió: “Descompuse y recompuse los álcalis fijos y descubrí que sus bases eran dos sustancias nuevas sustancias muy inflamables similares a los metales; pero una de ellas es más inflamable que la otra y muy reactiva”.

En 1814, Jöns Jakob en su Sistema de Símbolos Químicos usó la abreviatura Na para la palabra latina ‘natrium’, con el fin de denominar al sodio. Esta palabra proviene del egipcio ‘natron’ nombre usado para denominar al carbonato de sodio.

Estructura y configuración electrónica del sodio

El sodio metálico cristaliza en una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc por sus siglas en inglés). Por lo tanto, sus átomos Na se posicionan formando cubos, con uno situado en el centro y cada uno con ocho vecinos.

Esta estructura se caracteriza por ser la menos densa de todas, lo cual concuerda con la baja densidad para este metal; tan baja, que es junto con el litio y el potasio, los únicos metales que pueden flotar en agua líquida (antes de estallar, por supuesto). Su baja masa atómica, en relación a su voluminoso radio atómico, también contribuye a esta propiedad.

El enlace metálico resultante, sin embargo, es bastante débil, pudiendo explicarse a partir de la configuración electrónica:

Los electrones de la capa cerrada no participan (al menos en condiciones normales) en el enlace metálico; sino el electrón del orbital 3s. Los átomos Na solapan sus orbitales 3s para crear una banda de valencia; y los 3p, vacíos, una banda de conducción.

Esta banda 3s al estar semillena, así como por la baja densidad del cristal, hace que la fuerza, regida por el “mar de electrones”, sea débil. En consecuencia, el sodio metálico puede cortarse con un metal y funde apenas a 98ºC.

Transiciones de fase

El cristal de sodio puede experimentar cambios en su estructura al experimentar incrementos de la presión; mientras que al calentarlo, es improbable que sufra transiciones de fase debido a su bajo punto de fusión.

Una vez inician las transiciones de fase, las propiedades del metal cambian. Por ejemplo, la primera transición genera una estructura cúbica centrada en las caras (fcc, por sus siglas en inglés). Así, la estructura poco densa bcc se compacta a fcc al presionar el sodio metálico.

Quizás esto no produzca un cambio apreciable en las propiedades del sodio más que en su densidad. Sin embargo, cuando las presiones son muy altas, los alótropos (no polimorfos por tratarse de un metal puro) se convierten sorpresivamente en aislantes y electruros; es decir, inclusive los electrones están fijos en el cristal como aniones y no circulan libremente.

Además de lo anterior dicho, sus colores también cambian; el sodio deja de ser grisáceo para tornarse oscuro, rojizo o hasta transparente, a medida que se elevan las presiones operantes.

Números de oxidación

Dado el orbital de valencia 3s, cuando el sodio pierde su único electrón se transforma rápidamente en el catión Na + , el cual es isoelectrónico al neón. Es decir, tanto el Na + como el Ne tienen el mismo número de electrones. Si se asume la presencia del Na + en el compuesto, se dice entonces que su número de oxidación es +1.

Mientras que si sucede lo contrario, es decir, el sodio ganando un electrón, su configuración electrónica resultante es [Ne]3s 2 ; ahora es isoelectrónico con el magnesio, tratándose del anión Na –  llamado soduro. Si se asume la presencia del Na – en el compuesto, entonces el sodio tendrá número de oxidación de -1.

Propiedades

Descripción física

Metal ligero suave, dúctil, maleable.

Peso atómico

22,989 g/mol.

El sodio es un metal plateado ligero. Brillante al estar recién cortado, pero pierde su lustre cuando es puesto en contacto con el aire, volviéndose opaco. Suave a temperatura, pero bastante duro a -20 ºC.

Punto de ebullición

Punto de fusión.

97,82 ºC (casi 98 ºC).

A temperatura ambiente: 0,968 g/cm 3 .

En estado líquido (punto de fusión): 0,927 g/cm 3 .

Solubilidad

Insoluble en benceno, kerosén y nafta. Se disuelve en amonio líquido, dando una solución de color azul. Se disuelve en mercurio formando una amalgama.

Presión de vapor

Temperatura 802 K: 1 kPa; es decir, su presión de vapor es considerablemente baja incluso a altas temperaturas.

Descomposición

Se descompone violentamente en el agua, formando hidróxido de sodio e hidrógeno.

Temperatura de auto ignición

120-125 ºC.

0,680 cP a 100 ºC

Tensión superficial

192 dinas/cm al punto de fusión.

Índice de refracción

Electronegatividad.

0,93 en la escala Pauling.

Energía de ionización

Primera ionización: 495,8 kJ/mol.

Segunda ionización: 4.562 kJ/mol.

Tercera ionización: 6.910,3 kJ/mol.

Radio atómico

Radio covalente.

166 ± 9 pm.

Expansión térmica

71 µm(m·K) a 26 ºC.

Conductividad térmica

132,3 W/m·K a 293,15 K.

Resistividad eléctrica

4,77×10 -8 Ω·m a 293 K.

Nomenclatura

El sodio por tener un único número de oxidación de +1 los nombres de sus compuestos, regidos por la nomenclatura stock, se simplifican al no especificarse dicho número entre paréntesis y con números romanos.

Del mismo modo, sus nombres de acuerdo a la nomenclatura tradicional terminan todos con el sufijo –ico.

Por ejemplo, el NaCl es el cloruro de sodio según la nomenclatura stock, siendo erróneo cloruro de sodio (I). También recibe el nombre de monocloruro de sodio, según la nomenclatura sistemática; y cloruro sódico, según la nomenclatura tradicional. Sin embargo, su nombre más común es sal de mesa.

Papel biológico

Componente osmótico.

El sodio tiene una concentración extracelular de 140 mmol/L, encontrándose en forma iónica (Na + ). Para mantener la electroneutralidad del compartimiento extracelular, el Na + se encuentra acompañado por los aniones cloruro (Cl – ) y bicarbonato (HCO 3 – ), con concentraciones de 105 mmol/L y 25 mmol/L respectivamente.

El catión Na + es el principal componente osmótico y tiene la mayor contribución a la osmolaridad del compartimiento extracelular, de manera tal que exista una igualdad de osmolaridad entre los compartimiento extracelular e intracelular que garantice la integridad del compartimiento intracelular.

Por otro lado, la concentración intracelular de Na + es  de 15 mmol/L. Entonces: ¿Por qué razón no se igualan las concentraciones extra e intracelular de Na + ?

Hay dos razones para que ello no ocurra: a) la membrana plasmática es poco permeable al Na + . b) la existencia de la bomba Na + -K + .

La bomba es un sistema enzimático existente en la membrana plasmática que usa la energía contenida en el ATP para sacar tres átomos de Na + e introducir dos átomos de K + .

Además, existe un conjunto de hormonas, entre ellas la aldosterona que al promover la reabsorción renal del sodio garantiza el mantenimiento de la concentración extracelular del sodio a su debido valor. La hormona antidiurética ayuda al mantenimiento del volumen extracelular.

Producción de potenciales de acción

Las células excitables (neuronas y las células musculares) son aquéllas que responden a un estímulo adecuado con la formación de un potencial de acción o impulso nervioso. Estas células mantienen una diferencia de voltaje a través de la membrana plasmática.

El interior celular está cargado negativamente con relación al exterior celular en condiciones de reposo. Ante un cierto estímulo, se produce un aumento de la permeabilidad de la membrana al Na + e ingresa a la célula una pequeña cantidad de iones Na + , haciendo que el interior celular se cargue positivamente.

Lo anterior es lo que se conoce como un potencial de acción, el cual puede propagarse a lo largo de una neurona y es la forma en que viaja la información a través de ella.

Cuando el potencial de acción llega a las células musculares, las estimula para su contracción a través de mecanismos más o menos complejos.

En resumen, el sodio es el responsable de la producción de los potenciales de acción en las células excitables y del inicio de la contracción de las células musculares.

Dónde se encuentra

Corteza terrestre.

El sodio es el séptimo elemento más abundante en la corteza terrestre, representando el 2,8 % de ella. El cloruro de sodio forma parte del mineral halita, el cual representa el 80% de los materiales disueltos en el mar. El contenido de sodio del mar es de 1,05%.

El sodio es un elemento muy reactivo, razón por la cual no se encuentra en forma nativa o elemental. Se encuentra en minerales solubles como la halita o en minerales insolubles como la criolita (un fluoruro de aluminio y sodio).

Mar y el mineral halita

Además del mar en general, el Mar Muerto se caracteriza por tener una concentración muy alta de diferentes sales y minerales, especialmente cloruro de sodio. El Gran Lago Salado en Estados Unidos también presenta una concentración alta de sodio.

El cloruro de sodio se encuentra casi puro en el mineral halita, presente en el mar y en estructuras rocosas. La sal de roca o mineral es menos pura que la halita, encontrándose en depósitos minerales en Gran Bretaña, Francia, Alemania, China y Rusia.

Depósitos salinos

La sal se extrae de sus depósitos rocosos mediante la fragmentación de las rocas, seguida de un proceso de purificación de la sal. En otras ocasiones se introduce agua en los depósitos de sal para disolverla y formar una salmuera, que luego es bombeada a la superficie.

La sal es obtenida del mar en las cuencas de poca profundidad conocidas como salinas, mediante evaporación solar. La sal obtenida de esta forma es denominada sal de la bahía o sal marina.

Celda de Downs

El sodio era producido por la reducción carbotérmica del carbonato de sodio realizada a 1.100 ºC. Actualmente, se produce por la electrólisis del cloruro de sodio fundido, usando la celda de Downs.

Sin embargo, como el cloruro de sodio fundido tiene un punto de fusión ~ 800 ºC, se añade cloruro de calcio o carbonato de sodio para reducir el punto de fusión a 600 ºC.

En la cámara de Downs el cátodo es de hierro en forma circular, alrededor de un ánodo de carbono. Los productos de la electrólisis son separados por una malla de acero para prevenir que entren en contacto los productos de la electrólisis: el sodio y el cloro elementales.

En el ánodo (+) ocurre la reacción de oxidación siguiente:

2 Cl – (l)    →     Cl 2 (g)       +       2 e –

Mientras, en el cátodo (-) ocurre la reacción de reducción siguiente:

2 Na + (l)      +        2 e –     →    2 Na (l)

Formación de óxidos e hidróxido

Es muy reactivo en el aire dependiendo de su humedad. Reacciona para formar una película de hidróxido de sodio, la cual puede absorber dióxido de carbono y formar finalmente bicarbonato de sodio.

Se oxida en el aire para originar el monóxido de sodio (Na 2 O). Mientras que el superóxido de sodio (NaO 2 ) se prepara mediante el calentamiento del sodio metálico a 300 ºC con oxígeno a presión alta.

En estado líquido se inflama a 125 ºC, produciendo un humo blanco irritante, capaz de producir tos. Asimismo, reacciona vigorosamente con el agua para producir hidróxido de sodio e hidrógeno gaseoso, causante de la explosividad de la reacción. Esta reacción es fuertemente exotérmica.

Na     +     H 2 O    →   NaOH     +      1/2 H 2  (3.367 kilocalorías/mol)

Con ácidos halogenados

Los ácidos halogenados, como el ácido clorhídrico, reaccionan con el sodio para formar los haluros correspondientes. Mientras, su reacción con el ácido nítrico genera nitrato de sodio; y con el ácido sulfúrico, genera sulfato de sodio.

Reducciones

El Na reduce los óxidos de los metales de transición, produciendo los metales correspondientes al liberarlos del oxígeno. Asimismo, el sodio reacciona con los haluros de los metales de transición, produciendo el desplazamiento de los metales para formar cloruro de sodio y liberando los metales.

Esta reacción ha servido para la obtención de metales de transición, entre ellos el titanio y el tántalo.

Con el amoniaco

El sodio reacción con el amoniaco líquido a baja temperatura y de manera lenta para formar la sodamida (NaNH 2 ) e hidrógeno.

Na     +      NH 3     →   NaNH 2      +       1/2 H 2

El amoniaco líquido sirve como solvente para la reacción del sodio con varios metales, entre ellos arsénico, teluro, antimonio y bismuto.

Reacciona con los alcoholes para producir alcoholatos o alcóxidos:

Na     +     ROH    →   RONa      +      1/2 H 2

Produce la deshalogenación de compuestos orgánicos , originando una duplicación en el número de carbonos del compuesto:

2 Na      +      2 RCl    →     R-R     +      2 NaCl

El octano puede ser producido por la deshalogenación del bromuro de butano con el sodio.

Con los metales

El sodio puede reaccionar con otros metales alcalinos para formar un eutéctico: una aleación que se forma a temperaturas más bajas que sus componentes; por ejemplo, NaK que tiene un porcentaje de K del 78%. También el sodio forma aleaciones con el berilio con un pequeño porcentaje del primero.

Los metales preciosos como el oro, plata, platino, paladio e iridio, al igual que los metales blancos como plomo, estaño y antimonio, forman aleaciones con el sodio líquido.

Es un metal que reacciona intensamente con el agua. Por lo tanto, en contacto con los tejidos humanos recubiertos con agua puede ocasionarles daños severos. Produce por contacto con la piel y los ojos quemaduras graves.

Asimismo, por ingestión puede causar perforación del esófago y estómago. Sin embargo, aunque estas lesiones son graves, sólo una pequeña proporción de la población está expuesta a ellas.

El mayor daño que puede causar el sodio es debido a su ingesta excesiva en las comidas o bebidas realizadas por las personas.

El cuerpo humano requiere de una ingesta de sodio de 500 mg/día, para que cumpla con su función en la conducción nerviosa, así como en la contracción muscular.

Pero usualmente se ingiere en la dieta una cantidad de sodio mucho mayor, lo cual produce un incremento en la concentración plasmática y sanguínea del mismo.

Esto puede causar hipertensión arterial, enfermedades cardiovasculares y accidentes cerebrales.

La hipernatremia, también está asociada a la generación de las osteoporosis por inducir a una salida del calcio del tejido óseo. Los riñones tienen problemas para mantener una concentración plasmática de sodio normal a pesar de su ingesta excesiva, lo que puede llevar a un daño renal.

Sodio metálico

Se usa en la metalurgia como agente desoxidante y reductor en la preparación de calcio, circonio, titanio y otros metales. Por ejemplo, reduce al tetracloruro de titanio (TiCl 4 ) para producir titanio metálico.

El sodio fundido se utiliza como un agente de transferencia de calor, por lo que se usa como refrigerante en algunos reactores nucleares.

Se usa como materia prima en la manufactura del sulfato de lauril sódico, el principal ingrediente del detergente sintético. Asimismo, interviene en la manufactura de polímeros como el nylon y en compuestos como el cianuro y peróxido de sodio. También en la producción de tintes y síntesis de perfumes.

El sodio se utiliza en la purificación de hidrocarburos y en la polimerización de hidrocarburos insolubles. También se emplea en numerosas reducciones orgánicas. Disuelto en amonio líquido es usado para reducir los alquinos a transalqueno.

Se construyen lámparas de vapores de sodio para el alumbrado público de las ciudades. Estas suministran un color amarillo, semejante al observado cuando el sodio es quemado en mecheros.

El sodio actúa como un desecante que aporta una coloración azul en presencia de benzofenona, indicativo que el producto en proceso de desecación ha alcanzado el secado deseado.

Es usado para sazonar y conservar los alimentos. La electrólisis del cloruro de sodio produce hipoclorito de sodio (NaOCl), utilizado en la limpieza del hogar como cloro. Además, se usa como blanqueador industrial de la pulpa del papel y los textiles o en la desinfección del agua.

El hipoclorito de sodio es utilizado en ciertas preparaciones medicinales como antiséptico y fungicida.

Carbonato y bicarbonato

El carbonato de sodio se utiliza en la fabricación de vidrios, detergentes y limpiadores. El carbonato de sodio monohidratado se emplea en la fotografía como un componente de los desarrolladores.

El bicarbonato de sodio es una fuente de dióxido de carbono. Por esta razón se emplea en los polvos de hornear, en sales y bebidas efervescentes y también en los extinguidores de incendios químicos secos. Se emplea además en el proceso de curtiembre y preparación de la lana.

El bicarbonato de sodio es un compuesto alcalino, usado en el tratamiento medicinal de la hiperacidez gástrica y urinaria.

Se utiliza en la fabricación del papel kraft, cartón, vidrio y detergentes. El tiosulfato de sodio es utilizado en la fotografía con el fin de corregir los negativos y las impresiones desarrolladas.

Llamado comúnmente soda cáustica o lejía, se utiliza en la neutralización de los ácidos en la refinación del petróleo . Reacciona con los ácidos grasos en la fabricación del jabón. Además, se utiliza en el tratamiento de la celulosa.

Es usado como un fertilizante que aporta nitrógeno, siendo un componente de la dinamita.

Referencias

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• The President and Fellows of Harvard College. (2019). Salt and sodium. Recuperado de: hsph.harvard.edu
• The Editors of Encyclopaedia Britannica . (07 de junio de 2019). Sodium. Encyclopædia Britannica. Recuperado de: britannica.com