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Natrium
Natrium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Na und der Ordnungszahl 11. Im Periodensystem der Elemente steht es in der 3. Periode und als Alkalimetall …
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Grundlagen, Vorkommen und Isotope
Natrium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Na und der Ordnungszahl 11. Es steht in der 3. Periode und in der 1. IUPAC-Gruppe des Periodensystems und gehört zu den Alkalimetallen. Seine Elektronenkonfiguration lautet [Ne] 3s¹. Elementares Natrium ist ein silberweißes, wachsweiches und äußerst reaktionsfähiges Metall. Deshalb kommt es in der Natur nicht elementar, sondern nur gebunden in Natriumsalzen vor. Es muss unter inerten Bedingungen gelagert werden, meist unter Paraffinöl oder Petroleum und in großen Mengen in luftdichten Stahlfässern.
Natrium ist im Universum das 14.-häufigste Element. Für seinen Anteil an der Erdkruste nennt der Artikel widersprüchliche Werte von 2,36 % beziehungsweise 2,64 %; nach beiden Angaben steht es an sechster Stelle. Meerwasser enthält durchschnittlich 11 g Natriumionen pro Liter. Wichtige Minerale sind Albit NaAlSi₃O₈, Oligoklas (Na,Ca)Al(Si,Al)₃O₈ und vor allem Halit NaCl, dessen Lagerstätten beim Austrocknen von Meeresteilen entstanden. Weitere natürliche Verbindungen sind Natriumnitrat NaNO₃, Natriumcarbonat Na₂CO₃ und Kryolith Na₃[AlF₆]. Natriumnitrat kommt wegen seiner Wasserlöslichkeit vor allem in sehr trockenen Gebieten wie der Atacamawüste vor. Kryolith dient geschmolzen als Lösungsmittel für Aluminiumoxid bei der Aluminiumherstellung und wird heute künstlich hergestellt.
Natrium ist ein Reinelement: Von den insgesamt 20 bekannten Isotopen und drei Kernisomeren von ¹⁸Na bis ³⁷Na kommt nur das stabile ²³Na natürlich vor. Die langlebigsten künstlichen Isotope sind ²²Na mit einer Halbwertszeit von 2,602 Jahren und ²⁴Na mit 14,957 Stunden. ²²Na zerfällt durch β⁺-Zerfall zu ²²Ne, ²⁴Na durch Betazerfall zu ²⁴Mg. Beide werden als Tracer, also als radioaktive Markierungsstoffe, in der Nuklearmedizin verwendet. Alle übrigen Isotope und Isomere besitzen nur Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden.
Gewinnung und Eigenschaften
Humphry Davy stellte elementares Natrium 1807 erstmals durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid her. Heute wird Natrium großtechnisch aus trockenem Natriumchlorid durch Schmelzflusselektrolyse in einer Downs-Zelle gewonnen. Ein eutektisches Gemisch aus 60 % Calciumchlorid und 40 % Natriumchlorid senkt den Schmelzpunkt auf 580 °C. Bei einer Spannung von etwa 7 V entsteht an der Eisenkathode Natrium und an der Graphitanode Chlor: 2 Na⁺ + 2 e⁻ → 2 Na; 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻. Die Gesamtreaktion lautet 2 Na⁺ + 2 Cl⁻ → 2 Na + Cl₂. Für 1 kg Natrium benötigt die Elektrolyse ungefähr 10 kWh, der gesamte Produktionsprozess etwa 12 kWh. Das Verfahren ersetzte die Elektrolyse von Natriumhydroxid nach Castner.
Natrium hat eine Dichte von 0,968 g/cm³ bei 20 °C, eine Mohshärte von 0,5, einen Schmelzpunkt von etwa 97,8 °C und einen Siedepunkt von etwa 883 °C. Es ist so weich, dass es mit einem Messer geschnitten werden kann. Bei normalen Bedingungen kristallisiert es kubisch-raumzentriert; unterhalb von 51 K nimmt es eine hexagonal dichteste Kugelpackung an. Natrium leitet Wärme mit 140 W/(m·K) und elektrischen Strom mit 21 · 10⁶ S/m. Mit Kalium bildet es über einen großen Konzentrationsbereich flüssige Gemische; das Eutektikum mit 77 % Kalium schmilzt bei −12,6 °C.
Chemisch ist Natrium ein sehr unedles Metall mit dem Normalpotential −2,71 V. In Verbindungen besitzt es ausschließlich die Oxidationsstufe +1. Es reagiert heftig mit vielen Nichtmetallen. Mit Wasser bildet es Natriumhydroxid und Wasserstoff: 2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂. In Alkoholen entstehen Natrium-Alkoholate und Wasserstoff; mit Ethanol gilt: 2 C₂H₅OH + 2 Na → 2 C₂H₅ONa + H₂. Fein verteiltes Natrium kann dabei explosionsartig reagieren. Trockenes Natrium reagiert mit vollständig wasserfreiem Sauerstoff zunächst nicht direkt; Feuchtigkeitsspuren ermöglichen dagegen eine leichte Verbrennung zu Natriumperoxid: 2 Na + O₂ → Na₂O₂. Mit chlorierten Lösungsmitteln reagiert es schnell und stark exotherm. In flüssigem Ammoniak löst es sich blau; freie Elektronen machen diese Lösung elektrisch leitfähig und in verdünnter Form paramagnetisch.
Technische Verwendung und Nachweis
Natrium ist das meistverwendete Alkalimetall, obwohl nur ein kleiner Teil des geförderten Natriumchlorids zu elementarem Natrium verarbeitet wird. Es dient zur Herstellung von Stoffen wie Natriumperoxid, Natriumamid, Natriumcyanid und Natriumhydrid. Als Zusatz beeinflusst es außerdem das Erstarrungsgefüge von Aluminium-Silicium-Legierungen.
Als Reduktionsmittel, also als Stoff zur Elektronenübertragung auf andere Stoffe, ermöglicht Natrium die Gewinnung von Titan, Zirconium, Tantal, Uran und Kalium. In der organischen Chemie wird es unter anderem bei der Birch-Reduktion und der Pinakol-Kupplung eingesetzt. Früher war die Herstellung des Antiklopfmittels Tetraethylblei eine besonders wichtige Anwendung; mit dessen Einschränkung oder Verbot sank der Natriumverbrauch. Natrium katalysiert zudem die Polymerisation von 1,3-Butadien und Isopren. Der damit hergestellte Kunststoff Buna war das erste künstliche Gummi der Welt und wurde ab 1937 in Schkopau produziert.
Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, seines niedrigen Schmelzpunkts und seines großen flüssigen Temperaturbereichs dient Natrium als Kühlmittel. In hohlen Auslassventilen von Verbrennungsmotoren transportiert schmelzendes Natrium Wärme vom heißen Ventilteller ab. Schnelle Brüter werden ebenfalls mit geschmolzenem Natrium gekühlt, weil Wasser die schnellen Neutronen abbremsen würde. Natriumdampflampen erzeugen bei elektrischer Entladung charakteristisches gelbes Licht und wurden wegen ihrer hohen Lichtausbeute häufig zur Straßenbeleuchtung verwendet, bevor effizientere LED-Lampen sie ersetzten.
Natriumdraht und flüssige Natrium-Kalium-Legierungen können Spuren von Wasser aus bereits vorgetrockneten organischen Lösungsmitteln entfernen. Für halogenhaltige Lösungsmittel ist Natrium wegen heftiger Reaktionen ungeeignet. Versuche, Natrium als leichtes Leitermaterial in Kabeln einzusetzen, führten wegen seiner Reaktivität und der erforderlichen Schutzhülle nicht zu einer wirtschaftlichen Anwendung.
Der qualitative Nachweis erfolgt vor allem durch die intensiv gelbe Flammenfärbung oder spektroskopisch über die Na-Doppellinie bei 588,99 nm und 589,59 nm. Chemische Nachweise sind schwierig, weil fast alle Natriumverbindungen gut wasserlöslich und Natriumionen in Wasser farblos sind. Praktisch wichtig sind daher spektroskopische Verfahren und die Ionenchromatographie.
Bedeutung im menschlichen und tierischen Organismus
Natrium ist für alle tierischen Organismen essenziell und liegt in Lebewesen als Na⁺-Ion vor. Im menschlichen Körper eines 70 kg schweren Menschen befinden sich etwa 100 g Natrium; zwei Drittel davon liegen als NaCl und ein Drittel als NaHCO₃ vor. Natrium bildet etwa 90 % der extrazellulären Elektrolyte und beeinflusst über das Gefäßvolumen das Volumen der Flüssigkeit zwischen den Zellen.
Die D-A-CH-Referenzwerte nennen für Erwachsene eine geschätzte minimale Zufuhr von 550 mg Natrium pro Tag. Als Höchstwerte empfehlen die WHO 2 g/Tag und die American Heart Association 1,5 g/Tag. 2,5 g Salz enthalten etwa 1 g Natrium. Die Nationale Verzehrsstudie II ermittelte im Median 3,2 g/Tag für Männer und 2,4 g/Tag für Frauen. Da Fragebögen fehleranfällig sind, gilt die Messung im 24-Stunden-Urin als Goldstandard. In der INTERSALT-Studie lagen die Ausscheidungen an deutschen Orten bei 4,1–4,5 g/Tag für Männer und 2,7–3,5 g/Tag für Frauen.
Die normale Natriumkonzentration im Blutserum beträgt etwa 135–145 mmol/l. Ein zu niedriger Spiegel heißt Hyponatriämie und vergrößert das Zellvolumen; bei einer Hypernatriämie ist der Spiegel zu hoch und die Zellen schrumpfen. Beide Störungen beeinträchtigen besonders das Gehirn und können epileptische Anfälle, Bewusstseinsstörungen oder ein Koma verursachen. Die Niere reguliert den Natrium- und Wasserhaushalt zusammen mit dem Renin-Angiotensin-Aldosteron-System, Adiuretin und Atriopeptin. Bei Natriumüberschuss hält sie zunächst Wasser zurück und scheidet Natrium aus; bei Mangel scheidet sie mehr Wasser aus und hält Natrium zurück.
Na⁺ befindet sich überwiegend außerhalb der Zellen, K⁺ überwiegend innerhalb. Diese Konzentrationsunterschiede tragen wesentlich zum Membranpotential bei, also zur elektrischen Spannung an der Zellmembran. Die Natrium-Kalium-Pumpe erhält die Verteilung unter Energieverbrauch aufrecht. Insgesamt liegen 95 % des Natriums extrazellulär, nur jeweils 2,5 % intrazellulär und transzellulär. 45 % des Gesamt-Natriums befinden sich im Knochen, 30 % in der interstitiellen Flüssigkeit und jeweils 10 % im Plasma und im Bindegewebe.
In Nerven- und Muskelzellen strömen Na⁺-Ionen nach Öffnung bestimmter Kanäle in die Zelle. Dadurch wird das Zellinnere weniger negativ; diese Änderung heißt Depolarisation. Erreicht sie am Axon den notwendigen Wert, öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle. Gemeinsam mit anderen Ionenkanälen erzeugen sie eine fortlaufende Spannungswelle, das Aktionspotential. Die Natrium-Kalium-Pumpe hilft anschließend, den Grundzustand wiederherzustellen.
Natrium bei Pflanzen und sichere Handhabung
Für Pflanzen ist Natrium meist weniger wichtig als Kalium. Einige C4- und CAM-Pflanzen benötigen es, C3-Pflanzen in der Regel nicht. Halophyten sind an salzreiche Standorte angepasst. Pflanzen wie Zuckerrübe, Kohl und viele C4-Gräser transportieren Natrium in die Vakuolen der Blattzellen. Dort erhöht es als osmotisch wirksames Ion den Turgor, kann teilweise Kalium ersetzen und Zellstreckung sowie Blattflächenwachstum fördern.
Natrophobe Pflanzen wie Buschbohne und Mais halten Natrium dagegen im Xylemparenchym zurück. Gelangte es in ihre Blattzellen, könnte es nicht ausreichend in den Vakuolen gespeichert werden und würde im Cytosol Kalium verdrängen. Dieser natriuminduzierte Kaliummangel hemmt die Photosynthese. Hohe Natriumkonzentrationen erschweren außerdem Wasseraufnahme und Wassertransport. Weil die meisten Pflanzen nur wenig Natrium enthalten, müssen viele Pflanzenfresser zusätzlich Natriumchlorid aus natürlichen Salzvorkommen aufnehmen.
Metallisches Natrium wird in kleinen Mengen unter Petroleum, in großen Mengen in geschlossenen Systemen unter Schutzgas aufbewahrt. Natriumbrände können mit Metallbrandpulver auf Kochsalzbasis, Kaliumchlorid oder Graugussspänen gelöscht werden; Sand oder trockener Zement sind nur Behelfsmittel. Wasser, Schaum, gewöhnliches Löschpulver, Kohlenstoffdioxid und Halone dürfen keinesfalls eingesetzt werden, da sie stark exotherm reagieren und Brände oder Explosionen verstärken können.
Wichtige Natriumverbindungen
Natriumverbindungen sind überwiegend stark ionisch und fast alle gut wasserlöslich. Natriumchlorid NaCl ist als Koch- oder Speisesalz die bekannteste Verbindung, wichtigste Natriumquelle des Menschen und bedeutendster Rohstoff für elementares Natrium sowie weitere Natriumverbindungen. Es dient unter anderem zur Lebensmittelkonservierung und als Streusalz. Auch Natriumfluorid NaF, Natriumbromid NaBr und Natriumiodid NaI sind stabil.
Zu den Sauerstoffverbindungen gehören Natriumoxid Na₂O, Natriumperoxid Na₂O₂, Natriumhyperoxid NaO₂ und Natriumozonid NaO₃. Natriumperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel und wird als Bleichmittel sowie als Sauerstoffquelle beim Tauchen und in U-Booten eingesetzt. Natriumhydroxid NaOH ist eine der wichtigsten industriellen Basen. Seine wässrige Lösung heißt Natronlauge und dient etwa zur Herstellung von Seife und Farbstoffen sowie zum Aufschluss von Bauxit bei der Aluminiumproduktion.
Natriumsulfid Na₂S und Natriumhydrogensulfid NaHS werden unter anderem zur Fällung von Schwermetallen verwendet. Natriumsulfat Na₂SO₄ kommt in Waschmitteln und bei der Papierherstellung zum Einsatz; Natriumthiosulfat Na₂S₂O₃ dient in der Analogfotografie als Fixiersalz. Natriumhydrid NaH ist eine starke, wenig nucleophile Base, während Natriumborhydrid NaBH₄ beispielsweise Ketone reduziert. Beide bilden bei Kontakt mit Wasser gasförmigen Wasserstoff.
Natriumcarbonat Na₂CO₃, auch Soda genannt, wird in großen Mengen für Glas benötigt. Natriumhydrogencarbonat NaHCO₃ wird als Backpulver verwendet und bildet beim Erhitzen mit Säuren Kohlenstoffdioxid und Wasser. Natriumnitrat NaNO₃ dient als Düngemittel und Konservierungsstoff. Seifen sind Natrium- oder Kaliumsalze von Fettsäuren. Beim Seifensieden werden Fette mit Natron- oder Kalilauge durch Verseifung in Glycerin und die eigentlichen Seifen zerlegt.
