NaK

Definition und Bedeutung

NaK ist eine Legierung aus Natrium und Kalium. Sie bildet ein Eutektikum: Ein Gemisch aus beiden Komponenten hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die reinen Stoffe. Das Eutektikum besteht aus 22 % Natrium und 78 % Kalium und schmilzt bei −11 °C. Dadurch sind NaK-Mischungen in einem weiten Konzentrationsbereich bei Raumtemperatur flüssig.

NaK wurde unter anderem als Kühlmittel für Kernreaktoren verwendet. Der Siedepunkt liegt bei 785 °C und damit deutlich über dem Siedepunkt von Wasser bei 100 °C. Bei gleichem oder sogar niedrigerem Druck können dadurch höhere Betriebstemperaturen erreicht werden als bei Wasserkühlung.

Physikalische Eigenschaften

NaK-Mischungen mit einem Natriumgehalt von 11 % bis 55 % sind bei Raumtemperatur flüssig. Das Eutektikum mit 22 % Natrium und 78 % Kalium besitzt einen Schmelzpunkt von −11 °C und einen Siedepunkt von 785 °C.

Die Dichte der Legierung beträgt bei 21 °C 0,866 g/cm³ und ist damit geringer als die Dichte von Wasser. Wegen ihrer sehr hohen Grenzflächenspannung neigt die Flüssigkeit dazu, große Tropfen zu bilden. Die Wärmekapazität beträgt etwa ein Viertel derjenigen von Wasser; die thermische Leitfähigkeit ist jedoch wesentlich größer.

Chemische Eigenschaften und Herstellung

NaK reagiert wie seine Bestandteile Natrium und Kalium sehr leicht mit Wasser und Sauerstoff. Bei der Lagerung unter Luft bildet sich ein gelber Belag aus Kaliumhyperoxid. Dieser Stoff ist brandfördernd. Als Legierung aus Alkalimetallen wirkt NaK außerdem stark reduzierend.

Industriell wird NaK durch Destillation hergestellt. Flüssiges Natrium und Kaliumchlorid werden kontinuierlich einer Destillationskolonne zugeführt. In der Reaktionszone reagiert Kaliumchlorid mit Natrium; dabei entstehen Natriumchlorid und Kalium. Im darüberliegenden Verstärkungsteil der Kolonne wird das leichter siedende Kalium angereichert. Es kann anschließend über Kopf zusammen mit Natrium in beliebiger Konzentration abgezogen werden.

Verwendung

Als Kühlmittel kann NaK in Kernreaktoren eingesetzt werden, die mit schnellen Neutronen arbeiten. Sein niedriger Schmelzpunkt macht eine externe Heizung überflüssig, damit das Kühlmittel nach dem Abschalten des Reaktors flüssig bleibt. Die sowjetischen RORSAT-Satelliten nutzten einen mit NaK gekühlten Kernreaktor als Energiequelle.

In der organischen Chemie kann NaK als Katalysator in verschiedenen Reaktionen verwendet werden, beispielsweise bei der Herstellung von Ibuprofen. Bei der Vermischung mit Wasser wird Wasser gespalten; dabei entstehen Wasserstoff und Alkalihydroxide.

Wegen seiner hohen Reaktivität mit Wasser und seines flüssigen Zustands kann NaK außerdem als Trocknungs- beziehungsweise Entwässerungsmittel dienen. Es entfernt Restfeuchte aus Lösungsmitteln, zum Beispiel aus Ether oder Tetrahydrofuran. Zweckmäßig ist, dass das Lösungsmittel eine geringere Dichte als NaK besitzt, damit NaK nicht aufschwimmt.

Weitere niedrig schmelzende Legierungen

Neben NaK gibt es weitere Legierungen mit sehr niedrigen Schmelztemperaturen. Cs₇₇K₂₃ schmilzt bei −37,5 °C, Cs₉₅Na₅ bei −30 °C und Rb₉₂Na₈ bei −5 °C. Eine Legierung aus 11,8 % Natrium, 47,4 % Kalium und 40,8 % Cäsium besitzt mit −79,4 °C eine noch niedrigere Schmelztemperatur.