شما در حال مطالعه نسخه آفلاین یکی از مطالب «مجله فرادرس» هستید. لطفاً توجه داشته باشید، ممکن است برخی از قابلیتهای تعاملی مطالب، مانند امکان پاسخ به پرسشهای چهار گزینهای و مشاهده جواب صحیح آنها، نمایش نتیجه آزمونها، پاسخ تشریحی سوالات، پخش فایلهای صوتی و تصویری و غیره، در این نسخه در دسترس نباشند. برای دسترسی به نسخه آنلاین مطلب، استفاده از کلیه امکانات آن و داشتن تجربه کاربری بهتر اینجا کلیک کنید.
سدیم (Sodium | Na) با عدد اتمی ۱۱ از عنصرهای فلزات قلیاییگروه ۱ جدول تناوبی است. این فلز، رنگی نقرهای مایل به سفید و واکنشپذیری بسیاری بالایی دارد. این عنصر ششمین عنصر فراوان در پوستهزمین و بههمراه کلر از فراوانترین عناصر محلول در آب اقیانوس هستند. نمک خوراکی یکی از ترکیبهای بسیار پرکاربرد آن در صنعت بهشمار میآید. در این مطلب با ویژگیهای این فلز و ترکیبات مختلف آن آشنا خواهید شد.
سدیم با عدد اتمی ۱۱ و نماد شیمیاییNa که از واژه آلمانی «Natrium» گرفته شده است یکی از فلزات قلیایی است. این عنصر فلزی نرم، بسیار واکنشپذیر و رنگی نقرهای مایل به سفید دارد. تنها ایزوتوپ پایدار آن ۲۳Na است که بهطور آزاد در طبیعت یافت نمیشود و از کانیهایی مانند «فلدسپات» (Feldspar)، «سودالیت» (Sodalite) و «سنگ نمک یا هالیت» (Halite) استخراج میشود. نمکهای Na انحلالپذیری بالایی در آب دارند و این فلز به همراه کلر از فراوانترین عناصر محلول در آب اقیانوس هستند.
کانیهایی عنصر Na
این عنصر مانند منیزیم (Mg)، استرانسیم (Sr) و باریم (Ba) نخستین بار توسط شیمیدان بزرگ «همفری دیوی» (Humphry Davy) از برقکافت یا الکترولیز سدیم هیدروکسید به دست آمد.
فلزات قلیایی
این فلز به همراه لیتیم (Li)، پتاسیم (K)، روبیدیم (Rb)، سزیم (Cs) و فرانسیم (Fr) عناصر تشکیلدهنده فلزات قلیایی هستند. فلزات قلیایی و هیدروژن در گروه ۱ جدول تناوبی قرار دارند. بهدلیل تشکیل قلیا هنگام واکنش با آب به این فلزات، قلیایی گفته میشود. ترکیبات هیدروکسید این فلزات مانند پتاسیم هیدروکسید بازهای قوی هستند.
Na در گروه فلزات قلیایی
این فلزات نرم، ظاهری براق و نقطه ذوب پایین و واکنشپذیری بالایی در هوای آزاد دارند، به همین دلیل معمولاً در نفت نگهداری میشوند. فلزات قلیایی با از دست دادن بیرونیترین الکترون لایه ظرفیت خود به کاتیونهای1+ تبدیل میشوند.
سزیم، پنجمین فلز این گروه با عدد اتمی ۵۵، واکنش پذیرترین فلز در بین تمام فلزات جدول تناوبی است. با افزایش عدد اتمی و حرکت از بالاترین عنصر گروه به سمت پایینترین عنصر به ترتیب ویژگیهای زیر تغییر میکند.
در دما و فشار استاندارد Na فلزی نقرهای و نرم است و برای اینکه خواص خود را حفظ کند باید بهطور کامل در روغن یا گاز نجیب قرار بگیرد در غیر این صورت به سرعت با اکسیژنهوا ترکیب میشود و سدیم اکسید سفید متمایل به خاکستری تولید میشود.
رنگ و ظاهر فلز Na
فلز Na به راحتی با چاقو برش داده میشود. از آنجا که این فلز تنها یک الکترون در لایه ظرفیتی خود دارد، رسانای خوبی برای الکتریسیته و گرما به حساب میآید. این موضوع موجب ایجاد پیوند فلزی ضعیف و الکترونهای آزاد حامل انرژی، میشود. این عنصر از نظر چگالی در بین فلزات عنصری بهدلیل جرم اتمی کم و شعاع اتمی زیاد سومین عنصر با چگالی بسیار کم است و بههمراه لیتیم و پتاسیم یکی از سه فلزی است که میتواند روی آب شناور بماند.
برخی از ویژگیهای این عنصر با افزایش فشار بهطور چشمگیری تغییر میکند. برای مثال:
در ۱/۵ مگابار، رنگ فلز از نقرهای به سیاه در میآید.
همه این دگرشکلها که در فشارهای بالا بهوجود میآیند، «الکترید» (Electride) و عایق هستند.
نقطه ذوب
نقطه ذوب این عنصر ۹۸ درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن ۸۸۳ درجه سانتیگراد است که کمتر از لیتیم است اما در مقایسه با فلزات قلیایی سنگینتر موجود در قسمت پایین گروه مانند پتاسیم، روبیدیم و سزیم و به دلیل تغییرات تناوبی، نقطه ذوب و جوش بالاتری دارد.
رنگ شعله
در آزمون شعله، Na و ترکیبات آن به رنگ زرد پدیدار میشوند، زمانی که الکترونهای برانگیخته ۳s سدیم از اوربیتال ۳p به ۳s منتقل میشوند، فوتون آزاد میکنند که طول موج این فوتون با خط D، خطوط فراونهوفر در حدود ۵۹۸/۳ نانومتر مطابقت دارد.
برهمکنشهای اسپین-مدار که الکترون در مدار ۳p را شامل میشوند، خط D را به دو قسمت در طول موجهای ۵۸۹/۶ و ۵۸۹/۰ نانومتر تفکیک میکنند. «ساختار هایپرفاین» (Hyperfine Structure) که هر دو اوربیتال را درگیر میکنند منجر به تشکیل خطوط بسیار بیشتری میشوند.
ایزوتوپ ها
از میان بیست ایزوتوپ شناخته شده این عنصر، تنها ۲۳Na پایدار است. ۲۳Na در فرایند کربنسوزی در ستارگان از ترکیب دو اتم کربن به یکدیگر تشکیل میشود که برای تولید آن به دمای بالاتر از ۶۰۰ مگاکلوین و یک ستاره با جرمی حداقل سهبرابر خورشید نیاز است. دو ایزوتوپ کیهانی و پرتوزای این فلز محصول جانبی پرتوهای کیهانی میباشند.
اتمهای سدیم یک الکترون بیشتر از پیکربندی پایدار نئونگاز نجیب پیش از خود دارند در واقع سدیم ۱۱ الکترون دارد. معمولاً ترکیبات یونی سدیمدار کاتیون (Na+/Na) را بهوجود میآورند. انرژی یونش اول و دوم سدیم به ترتیب ۴۹۵/۸ و ۴۵۶۲ کیلوژول بر مول است. بهطور کلی فلز سدیم نسبت به پتاسیم واکنشپذیری کمتری و نسبت به لیتیم واکنشپذیرتر است. اگرچه پتاسیم و لیتیم پتانسیل منفی بیشتری نسبت به سدیم دارند اما فلز سدیم با پتانسیل کاهش استاندارد(Na+/Na) برابر با ۲/۷۱- ولت به شدت احیاکننده است.
مدل اتمی سدیم
عدد اتمی که همان تعداد پروتونهای عنصر است برای سدیم برابر با ۱۱ و تعداد الکترونهای آن نیز با تعداد پروتونها برابر است. در مدل اتمی این عنصر، در هسته ۱۲ نوترون و ۱۱ پروتون وجود دارد که الکترونها در سه لایه الکترونی پیرامون هسته قرار گرفتهاند. به الکترونهای بیرونیترین لایه الکترونی، الکترون ظرفیت گفته میشود.
در مدل اتمی بور، الکترونهای پیرامون هسته نمایش داده میشود. هر لایه تعداد مشخصی الکترون را در خود جای میدهند. الکترونهای موجود در نزدیکترین لایه به هسته کمترین انرژی و در دورترین لایه، بیشترین انرژی را دارند.
مراحل رسم مدل بور اتم سدیم:
برای رسم مدل اتمی Na ابتدا باید تعداد پروتونها، الکترونها و نوترونهای اتم Na را پیدا کرد. پروتونها ذراتی با بار مثبت و نوترونها ذراتی بدون بار هستند که در هسته قرار میگیرند. الکترونها بار منفی دارند و پیرامون هسته در گردش هستند. تعداد پروتونها با عدد اتمی عنصر برابر است.
تعداد نوترونها از رابطه زیر بهدست میآید. عدد جرمی Na برابر با ۲۳ و تعداد نوترونهای آن برابر با ۱۲ است.
عدد اتمی - عدد جرمی عنصر = تعداد نوترونها
بنابراین در اتم خنثی Na تعداد پروتونها، الکترونها و نوترونها به صورت زیر است.
تعداد الکترونها: ۱۱
تعداد پروتونها: ۱۱
تعداد نوترونها: ۱۲
حال با توجه به تعداد الکترونی که هر لایه میتواند داشته باشد، ۱۱ الکترون Na را باید در هر لایه قرار داد. اولین لایه تنها ۲ الکترون و لایه دوم ۸ الکترون ظرفیت دارند. بنابراین دو الکترون در لایه نخست و ۸ الکترون در دومین لایه قرار میگیرند. لایه سوم ظرفیت ۱۸ الکترون دارد و تنها یک الکترون باقیمانده است که در این لایه قرار میگیرد.
سدیم همانند سایر فلزات قلیایی، به صورت گرماده با آب واکنش میدهد. واکنش این فلز با آب موجب تولید ترکیب سود سوزآور یا سدیم هیدروکسید و گاز هیدروژن قابل اشتعال میگردد. واکنش سوختن آن در مجاورت اکسیژن هوا موجب تشکیل سدیم پراکسید (Na2O2) با مقداری سدیم اکسید (Na2O) میشود. ایجاد لایهای از سدیم اکسید روی سطح سدیم موجب تغییر رنگ آن از نقرهای به کدر و خاکستری مات میشود.
واکنش Na با آب
این عنصر تمایل زیادی به تشکیل ترکیبات محلول در آب همانند سولفاتها، نیتراتها، هالیدها، کربوکسیلاتها و کربناتها دارد. در ترکیبات محلول آب بهشکل کمپلکسهای آبی[Na(H2O)n]+ وجود دارد که در آن n = ۴–۸ است. مقادیر n = 6 از دادههای «بلورنگاری پرتوی ایکس» (X-ray Crystallography) و شبیهسازیهای کامپیوتری بهدست آمدهاند.
بهدلیل انحلالپذیری و تمایل زیاد نمکهای سدیم با آب معمولاً این ترکیبات بهطور مستقیم بهشکل رسوب دیده نمیشوند. سدیم بیسموتات (NaBiO3) از جملههای نمکهای این فلز است که از این قاعده پیروی نمیکند. ترکیبات نمک آن معمولاً از راه تبخیر یا استفاده از ضدحلالی مانند اتانول بهشکل جامد جدا میشوند. انحلالپذیری سدیم کلرید در اتانول تنها ۰٫۳۵ گرم در لیتر است.
از «اترهای تاجی» (Crown Ethers)، همچون ۱۵-کرون-۵ (C10H20O5)، میتوان برای «فروکافت تغییر فاز» (Phase-transfer Catalyst) استفاده کرد. میزان سدیم در نمونهها را میتوان بوسیلهٔ طیفسنجی جذب اتمی یا با استفاده از الکترودهای انتخاب یونی در پتانسیومتری تعیین کرد.
الکتریدها و سدیدها
این فلز مانند سایر فلزات قلیایی در در آمونیاک و برخی آمینها حل میشود و محلولهای رنگی بسیار پررنگی ایجاد میکند. تبخیر این محلول ورقههای براقی از سدیم فلزی به جا میگذارد. محلولها این فلز، حاوی کمپلکس شیمیایی (Na(NH3)6)+ هستند. کریپتاندها (Cryptand) شرایط جداسازی این کمپلکسها را به صورت جامد کریستالی فراهم میسازند. این عنصر همچنین با کریپتاندها، اترهای تاجی و دیگر لیگاندها کمپلکس تشکیل میدهد.
تشکیل محلول رنگی Na با آمونیاک
ترکیبات ارگانوسدیم
تاکنون ترکیبات ارگانوسدیم بسیاری ساخته شدهاند. پیوندهای سدیم-کربن (C−Na)قطبیت بالایی دارند و مانند منابع کربانیون رفتار میکنند و نمکهای آلی را تولید میکنند. برخی از این ترکیبات عبارتند از:
سدیم سیکلوپنتادیانید (NaC5H5)
سدیم تریتیل با فرمول (C6H5)3CNa
سدیم نفتالین با فرمول Na+[C10H8•]−، که از مخلوط کردن سدیم و نفتالین در محلولهای اتری ایجاد میشود.
ترکیب سدیم و پتاسیم: از ترکیب این دو عنصر آلیاژهای KNa2 و NaK تولید میشود. آلیاژ NaK با نسب ۴۰ تا ۹۰ پتاسیم که در دمای اتاق در فاز مایع است رسانای بسیار خوب گرما و الکتریسیته است.
ترکیب سدیم و کلسیم: از ترکیب این دو فلز نمکهای دوتایی NaCl−CaCl2 و سهتایی NaCl−CaCl2−BaCl2 تولید میشود.
ترکیب سدیم و سرب: سدیم در حالت مایع با فلز سرب مخلوط میشود. آلیاژ این دو فلز را میتوان به روشهای گوناگونی تولید کرد. یکی از این روشها ذوب هر دوی آنها با یکدیگر و روش دیگر، رسوب سدیم به صورت الکترولیتی روی کاتدهای مذاب سرب میباشد. برخی از آلیاژهای شناختهشده این دو فلز عبارتند از:
NaPb3
NaPb
Na9Pb4
Na5Pb2
Na15Pb4
همچنین آلیاژهایی با طلا(NaAu2)، نقره (NaAg2)، روی(NaZn13)، کادمیم (NaCd2) و جیوه(NaHg) تشکیل میدهد.
ترکیبات سدیم
ترکیبات این فلز اهمیت تجاری بسیار زیادی بهویژه در صنایع تولید شیشه، پارچه، کاغذ و صابون دارند. در ترکیبات آن، عنصر سدیم معمولاً به صورت یون، به آب و آنیونها متصل میشود و به عنوان یک اسید لوئیس سخت به حساب میآید. از مهمترین ترکیبات این فلز عبارتند از:
نمک خوراکی (NaCl)
سدیم کربنات (Na2CO3)
سدیم هیدروژنکربنات یا جوش شیرین (NaHCO3)
سدیم هیدروکسید (NaOH)
سدیم نیترات (NaNO3)
سدیم فسفات (Na3PO4)
سدیم تیوسولفات (Na2S2O3⋅5H2O)
بوراکس (Na2B4O7⋅10H2O)
بسیاری از صابونها نمک سدیم «اسیدهای چرب» (Fatty Acids) میباشند. صابونهای سدیم در مقایسه با صابونهای پتاسیم دمای ذوب بالاتری دارند و در اصطلاح «سختتر» به حساب میآیند. اکسیدهای مخلوط سدیم فوتوکاتالیست و کاتالیزورهای نویدبخشی هستند. یون سدیم با فعالیت فتوشیمیایی خود فوتوالکتروکاتالیستی تنگستن تریاکسید (WO3) را افزایش میدهد.
در زیر برخی از مهمترین ترکیبات این عنصر فهرست شدهاند:
سدیم کلرید: این ترکیب معدنی با نقطه ذوب ۸۰۱ درجه سلسیوس به شکل بلورهای سفید رنگ است. این ترکیب گاهی بهدلیل وجود برخی عناصر مانند منیزیم رنگهای صورتی و خاکستری نیز دارد. نمک خوراکی تعادل مایعات بدن را حفظ می کند و برای بقای موجودات زنده لازم است. استفاده از نمک برای طعم دادن به غذا از کاربردهای رایج آن است و از مهمترین و قدیمیترین طعمدهندههای مورد استفاده توسط انسان است. به دلیل خواص کلر و سدیم و همچنین ترکیبات آنها، نمک به یکی از مواد پرکاربرد در صنعت تبدیل شده است. فرمول شیمیایی و نقطه ذوب این ترکیب در زیر آورده شده است.
نمک خوراکی از ترکیبات بسیار مهم Na
سدیم اکسید: این ترکیب با فرمول شیمیایی Na2O و نقطه ذوب ۱٬۹۵۰ درجه سلسیوس جامدی سفید رنگ است در تولید سرامیک و شیشه استفاده میشود.
سدیم هیدروکسید: این ترکیب معدنی با فرمول شیمیایی NaOH نقطه ذوبی نزدیک به ۱٬۳۸۸ درجه سلسیوس دارد. این ترکیبی بازی قوی است که میتواند موجب سوختگی پوست شود. انحلالپذیری بالایی در آب دارد و به راحتی رطوبت و کربن دیاکسید را از هوا جذب میکند.
ترکیب NaOH
سدیم بیکربنات: جوش شیرین با فرمول شیمیایی NaHCO3 یکی از ترکیبات شناخته شده این فلز است. از جوش شیرین در پخت و پز در نقش تخمیرکننده استفاده میشود.
جوش شیرین
سدیم نیترات: این ترکیب شیمیایی با فرمول NaNO3 جامدی سفید رنگ با انحلالپذیری بالا در آب است. از NaNO3 در مقیاس صنعتی برای تولید انواع کود کشاورزی، مواد آتشزا، بمبهای دودزا و مواد منفجره، لعابهای شیشه و سفال و نگهدارندههای مواد غذایی استفاده میشود.
سدیم استات: این ترکیب با فرمول شیمیایی CH3COONa که بهطور کوتاهنوشت بهشکل NaOAc نیز نوشته میشود از جمله نمکهای خوراکی است. همچنین در صنعت نساجی، فرایند ساخت بتن کاربرد دارد.
فلز Na در تولید استرها و ترکیبات آلی نقش بسیار مهمی دارد. از آن برای بهبود ساختار برخی از آلیاژها نیز استفاده میشود. ترکیب NaOH یا سود سوزآور از شناخته شدهترین ترکیبات Na است که در تولید صابون کاربرد دارد. نمک NaCl از دیگر ترکیبات پرکاربرد این عنصر عامل یخزدایی و مادهای مغذی برای حیوانات از جمله انسان است. از این فلز همچنین برای رسوبزدایی و خالصسازی فلزات و ساخت شیشه نیز استفاده میشود.
برخی از کاربردهای این عنصر در زیر فهرست شدهاند.
در نقش براقکننده در فلزات استفاده میشود.
فاز مایع این فلز در نقش خنککننده در راکتورهای هستهای استفاده میشود.
از نمک آن برای اسیدهای چرب در صابون استفاده میشود.
ترکیب NaK، عاملی مهم انتقال حرارت است.
از ترکیبات این عنصر در صنایع کاغذ، نساجی، نفت و صنایع شیمیایی استفاده میشود.
ترکیب NaI برای درمان درماتوفیتوز یا قارچ پوستی (Dermatophytosis) بهطور گسترده استفاده میشود.
این فلز برای تولید نور و روشنایی در چراغهای خیابانی بهکار میرود، زیرا میتواند درخشش زرد با درخشندگی روشن ایجاد کند.
از هیدروکسید آن در پاککنندهها استفاده میشود.
لامپ بخار سدیم
«لامپ بخار سدیم» (Sodium-vapor Lamp) از نوع لامپهای تخلیه در گاز است که از سدیم در حالت برانگیخته برای تولید نور با طول موج ۵۸۹ نانومتر استفاده میشود.
لامپ بخار سدیم
کارکرد زیستی سدیم چیست ؟
این فلز همچنین از عنصرهای ضروری برای موجودات زنده بهشمار میرود و یونهای آن از اجزای اصلی «مایعات برونسلولی» (Extracellular Fluid | ECF) هستند و نقش عمدهای در فشار اسمزی و حجم محفظه ECF دارند. از دست دادن آب محفظه ECF منجر به افزایش غلظت سدیم میگردد، وضعیتی که به آن «هایپرناترمی» (Hypernatremia) گفته میشود.
سلولهای انسان بوسیلهٔ پمپ سدیم-پتاسیم، سه یون Na را به ازای دو یون پتاسیم پمپ شده، از سلول خارج میسازند. با مقایسه غلظت یون از داخل به خارج در سراسر غشای سلولی، به این نتیجه میرسیم که Na، حدود ۱ به ۱۰ و پتاسیم حدود ۴۰ به ۱ میباشد. در سلولهای عصبی، بار الکتریکی موجود در سرتاسر غشای سلول هنگام انتقال جریانهای عصبی یا «پتانسیل عمل» (Action Potential) از بین میرود که Na در افزایش بار الکتریکی آن، نقش بسزایی دارد.
احمد امانپور دانشآموخته کارشناسی ارشد شیمی تجزیه است. وی هم اکنون در زمینه شیمی با مجله فرادرس همکاری میکند. اخترشناسی، انرژیهای تجدیدپذیر، فناوریهای نوپدید از موضوعات مورد علاقه اوست و از هر فرصتی برای خواندن کتاب استفاده میکند.
شما در حال مطالعه نسخه آفلاین یکی از مطالب «مجله فرادرس» هستید. لطفاً توجه داشته باشید، ممکن است برخی از قابلیتهای تعاملی مطالب، مانند امکان پاسخ به پرسشهای چهار گزینهای و مشاهده جواب صحیح آنها، نمایش نتیجه آزمونها، پاسخ تشریحی سوالات، پخش فایلهای صوتی و تصویری و غیره، در این نسخه در دسترس نباشند. برای دسترسی به نسخه آنلاین مطلب، استفاده از کلیه امکانات آن و داشتن تجربه کاربری بهتر اینجا کلیک کنید.
بسیار معلومات دلچسپ بود و برایم مفید تمام شد