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鈉   11Na
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外觀
金屬:銀白色


鈉的光譜線
概況
名稱·符號·序數鈉(Sodium)·Na·11
元素類別鹼金屬
·週期·1 ·3·s
標準原子質量22.98976928(2)
電子排布[Ne] 3s1
2,8,1
鈉的電子層(2,8,1)
歷史
發現漢弗里·戴維(1807年)
分離漢弗里·戴維(1807年)
命名漢弗里·戴維(1807年)
物理性質
物態固體
密度(接近室溫
0.968 g·cm−3
熔點時液體密度0.927 g·cm−3
熔點370.87 K,97.72 °C,207.9 °F
沸點1156 K,883 °C,1621 °F
臨界點(推測)
2573 K,35 MPa
熔化熱2.60 kJ·mol−1
汽化熱97.42 kJ·mol−1
比熱容28.230 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 554 617 697 802 946 1153
原子性質
氧化態+1,-1
(強鹼性)
電負性0.93(鮑林標度)
電離能第一:495.8 kJ·mol−1

第二:4562 kJ·mol−1
第三:6910.3 kJ·mol−1

更多
原子半徑186 pm
共價半徑166±9 pm
范德華半徑227 pm
雜項
晶體結構體心立方
磁序順磁性
電阻率(20 °C)47.7 n Ω·m
熱導率142 W·m−1·K−1
膨脹係數(25 °C)71 µm·m−1·K−1
聲速(細棒)(20 °C)3200 m·s−1
楊氏模量10 GPa
剪切模量3.3 GPa
體積模量6.3 GPa
莫氏硬度0.5
布氏硬度0.69 MPa
CAS號7440-23-5
最穩定同位素
主條目:鈉的同位素
同位素 豐度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
22Na 痕量 2.602 年 β+γ 0.5454 22Ne*
1.27453(2)[1] 22Ne
εγ - 22Ne*
1.27453(2) 22Ne
β+ 1.8200 22Ne
23Na 100% 穩定,帶12個中子

拼音注音ㄋㄚˋ粵拼naap6;英語:Sodium),是一種化學元素,其化學符號Na(源於拉丁語natrium),原子序數為11,原子量22.98976928 u。它是柔軟且活性大的銀白色金屬。鈉是週期表的第一族元素,為鹼金屬的一員。因為它的價殼層只有單個電子,所以容易失去電子形成帶正電的陽離子Na+。鈉唯一的穩定同位素為鈉-23。純金屬態的鈉並不存在自然界中,須以含鈉的化合物來製備。鈉是地殼中含量第六多的元素,並且多數存在於礦物中,如長石方鈉石以及鹽岩(NaCl)等。多數鈉鹽溶解度都很高:超過億萬的鈉離子都被水自礦物中給溶出,因此在溶於的元素中,鈉離子氯離子是最常見的。

鈉在西元1807年最先由漢弗里·戴維以電解氫氧化鈉分解出來,鈉化合物有許多應用,像是NaOH鹼液)可用於肥皂製造、NaCl食鹽)可做為除冰劑也是動物和人類體內的養分。

鈉對所有動物植物都是必要的元素。鈉離子是細胞外液(ECF)中最重要的陽離子,對細胞外液的滲透壓和細胞外液的間隔具重要影響,間隔中的水份流失,會造成鈉離子濃度上升,這種情況稱為高鈉血症,細胞外液間隔中的水和鈉離子等滲性的流失,造成間隔大小變小,這種情況稱為低血鈉症

鈉鉀幫浦在人的細胞中用來三個鈉離子移到細胞外,並將兩個鉀離子進入細胞內。測量細胞膜內外的離子濃度,鉀離子為40:1,而鈉離子為1:10。在神經細胞中,當神經細胞靜止時,細胞膜電荷的交換會造成神經衝動的傳導,稱之為動作電位,而鈉是此作用的關鍵。

物理性質[編輯]

鈉的發射光譜,顯示了D線

標準情況下,鈉是一種軟的銀色金屬。除非浸入油或惰性氣體中(這也是它通常的儲存方式),不然鈉會與空氣中的氧氣反應,形成灰白色的氧化鈉。金屬鈉可以被刀輕易切割,也是良好的熱導體和電導體。由於原子量低且原子半徑大,鈉是密度第三低的金屬,也是三種可浮於水的金屬之一,另外兩種是鋰和鉀。[2]鈉的熔點(98 °C)和沸點(883 °C)低於鋰但高於鉀,符合元素周期律。[3]這些性質在高壓下變化:在1.5 Mbar下,金屬鈉的外觀從銀白色變成黑色,在1.9 Mbar下變成透明的紅色,在3 Mbar下變成透明清澈的固體。這些高壓同素異形體都是電的絕緣體,結構都為電子鹽[4]

鈉的焰色反應是明亮的黃色

焰色反應中,鈉和其化合物是黃色的,[5]因為激發態的3s電子會在從3p跌到3s時放出一個光子,而這個光子的波長為D線,也就是589.3 nm。自旋-軌道作用使得3p軌道和D線都分成兩條,分別處於589.0和589.6 nm;而超精細結構使得這兩條軌道放出更多的線。[6]

同位素[編輯]

20種鈉同位素是已知的,不過只有23Na是穩定的。23Na是在碳聚變中兩個原子核融合並放出質子而成的,這需要超過6億開爾文的溫度和3個太陽質量才能做到。[7]兩種放射性宇宙射線同位素英語cosmogenic是由宇宙射線散裂產生的:22Na的半衰期為2.6年,而 24Na的半衰期為15小時,其它鈉同位素的半衰期都小於一分鐘。[8]兩種鈉的同核異構體也是已知的,半衰期較長的24mNa 的半衰期為20.2毫秒。在臨界事故中,急性中子輻射會把人體內的一些23Na轉變成24Na,因此可以通過 24Na和23Na的比例計算受害者的輻射劑量。[9]

化學性質[編輯]

鈉原子有11個電子,比稀有氣體多一個。鈉的第一和第二電離能分別為495.8 kJ/mol和4562 kJ/mol,因此鈉通常形成含有Na+陽離子的離子化合物[10]

鈉的反應性比低,但比高。[11]金屬鈉是一種強還原劑,Na+/Na的標準電極電勢為−2.71V,[12]不過鋰和鉀的標準電極電勢都更低。[13]

含鈉鹽類及鈉氧化物[編輯]

氯化鈉的結構,顯示了Na+和Cl的八面體型框架。這個框架在水中時會分解,並在水蒸發時重新組裝。
燃燒金屬鈉主要產生淡黃色的過氧化鈉

鈉化合物具有巨大的商業重要性,對於生產玻璃肥皂紡織品的行業尤其重要。[14]最重要的鈉化合物包括氯化鈉(NaCl)、碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、氫氧化鈉(NaOH)、硝酸鈉(NaNO3)、磷酸鈉硫代硫酸鈉(Na2S2O3·5H2O)、氟化鈉醋酸鈉硼砂(Na2B4O7·10H2O)。[15]在這些化合物中,鈉通常形成離子鍵,是一種路易斯酸[16]

硬脂酸鈉,一種典型的肥皂的結構。

很多肥皂都是脂肪酸的鈉鹽。鈉肥皂比鉀肥皂的熔點更高(也更硬)。[15]

類似其它鹼金屬,鈉和水的反應是強烈的放熱反應。反應會產生氫氧化鈉和可燃的氫氣。當鈉在空氣中燃燒時,會產生過氧化鈉和一些氧化鈉[17]

水溶液[編輯]

鈉傾向於形成可溶於水的化合物,例如鹵化物硫酸鹽硝酸鹽羧酸鹽碳酸鹽。鈉的主要水合物是水配合物 [Na(H2O)n]+,其中n = 4–8。[18]

從水溶液中直接沉澱鈉鹽是罕見的,因為鈉鹽通常對水具有高親和力(鉍酸鈉 NaBiO3除外)。[19]由於鈉化合物在水中的高溶解度,鈉鹽通常是通過蒸發或用有機溶劑沉澱分離的。它們在有機溶劑的溶解度低,例如氯化鈉在乙醇的溶解度只有 0.35 g/L。[20]冠醚,像是15-冠-5,可用作相轉移催化劑[21]

樣本的鈉含量可以通過原子吸收光譜法電位差計測量。[22]

電子鹽和鈉化物[編輯]

與其他鹼金屬一樣,鈉溶於氨和一些胺中,形成深色溶液。這些溶液蒸發後會留下一層閃亮的金屬鈉薄膜。這些溶液會形成配合物 (Na(NH3)6)+,它的正電荷會被作為陰離子的電子抵消。穴醚可以將這些配合物作為結晶分離。鈉會和冠醚、穴醚和其它配體形成配合物。[23]舉個例子,15-冠-5對鈉有高親和性,因為它的孔徑為 1.7–2.2 Å,可以裝下一個鈉原子(1.9 Å)。[24][25]穴醚,類似冠醚和其它離子載體英語Ionophore,也對鈉離子具有高親和力。通過歧化將穴醚加到鈉的氨溶液中[26],可以獲得鈉負離子 Na的衍生物。[27]

有機鈉化合物[編輯]

鈉(Na+,黃色球)和莫能菌素英語monensin-A的配合物

很多有機鈉化合物是已知的。由於C-Na鍵的高極性,它們類似碳負離子。一些著名的有機鈉化合物包括環戊二烯基鈉(NaC5H5)和三苯基碳鈉((C6H5)3CNa)。[28]萘鈉,化學式 Na+[C10H8•],是一種強還原劑,由鈉和萘在醚類環境中反應而成。[29]

金屬間化合物[編輯]

鈉可以和很多金屬形成合金,例如鉀、11族元素12族元素。鈉和鉀的合金有 KNa2NaK。含有 40–90% 鉀的鈉鉀合金在常溫下是液體,是極佳的熱導體和電導體。鈉鈣合金是從 NaCl-CaCl2和 NaCl-CaCl2-BaCl2中電解鈉的副產物。鈣僅與鈉部分混溶。在液態下,鈉和鉛完全混溶。有幾種製造鈉鉛合金的方法,其中一種方法是將它們一起融化,另一種方法是將鈉電解沉積在熔化的鉛陰極上。NaPb3、NaPb、Na9Pb4、Na5Pb2和Na15Pb4都是已知的鈉鉛合金。鈉也和 (NaAu2) 、 (NaAg2)形成合金。12族元素()可以和鈉形成合金。NaZn13和NaCd2是已知的。鈉會形成 NaHg、NaHg4、NaHg2、Na3Hg2和 Na3Hg等各種汞齊。[30]

歷史[編輯]

鈉的名稱來自阿拉伯語suda(صداع),意思是頭痛,因為人們很早就知道碳酸鈉或蘇打水有緩解頭痛的特性。[31]儘管鈉(有時被稱為蘇打)長期以來一直在化合物中被識別,但直到1807年,漢弗里·戴維通過電解氫氧化鈉,才分離出金屬鈉。[32][33]1814年,鈉的化學符號Na由約恩斯·貝爾塞柳斯在他的化學符號系統中首次發表,[34][35]是這種元素的新拉丁語名稱natrium,指的是埃及的石鹼[31],即主要是水合碳酸鈉組成的天然礦物。石鹼在歷史上有多個重要的工業和家庭用途,後來被其它鈉化合物取代。[36]

分布[編輯]

地殼中含有 2.27% 鈉,是地殼中第七豐富的元素,也是第五豐富的金屬,僅次於,位於鉀之前。[37]鈉在海洋中的豐度為 1.08×104 mg/L。[38]由於其高反應性,鈉從不以單質形式存在於自然界。它存在於許多礦物質中,一些非常易溶,例如石鹽石鹼,另一些則溶解性較差,例如角閃石沸石。某些鈉礦物,如冰晶石長石不溶於水,這源於它們的聚合陰離子。

太空的鈉[編輯]

原子鈉在光譜的橙黃色部分有極強的譜線(和鈉燈的譜線一樣)。這存在於很多恆星的譜線中,包括太陽。1814年,約瑟夫·馮·夫琅和費在研究太陽光譜中的譜線(夫琅和費線)時首次研究了這條線。他把這條線命名為D線,儘管它其實是由精細結構超精細結構分開的緊密的線。[39]

D 線的強度意味著它已在許多其他天文環境中被檢測到。在恆星中,可以在任何表面冷卻到足以使鈉以原子形式(而不是電離的離子形式)看到它。這對應於黃-白矮星和溫度更低的恆星。許多恆星似乎有鈉吸收線,但這實際上是由前面的星際物質中的氣體引起的。這兩者可以通過高解析度光譜來區分,因為星際譜線比通過恆星自轉產生的線窄得多。[40]

在許多太陽系環境中也檢測到了鈉,包括水星的大氣層、[41]月球散逸層[42]和許多天體。一些彗尾中含有鈉,[43]而它們是在 1997 年對海爾-波普彗星的觀測中首次發現的。[44]鈉甚至在一些太陽系外行星的大氣中被檢測到了。[45]

生產[編輯]

每年生產 100,000 噸的金屬鈉。[14]金屬鈉在 19 世紀後期首次商業化生產[46],由碳酸鈉在 1100 °C下的碳熱反應而成。這類似於生產金屬鋁的德維爾法英語Deville process的第一步。[47][48][49]

Na2CO3 + 2 C → 2 Na + 3 CO

人們對鋁的高需求創造了生產鈉的需求。通過電解熔鹽浴生產鋁的霍爾-埃魯法的引入結束了對大量鈉的需求。1886年,又開發了基於還原氫氧化鈉的相關工藝。[47]

基於 1924 年獲得專利的工藝,鈉現在是通過熔融氯化鈉電解來進行商業生產。[50][51]這個反應會在當斯槽英語Downs Cell中完成,其中 NaCl 會和氯化鈣混合,使熔點下降到 700 °C以下。由於電正性比鈉低,所以沒有鈣會沉積在陰極。[52]這個方法比之前的卡斯納法英語Castner process(電解氫氧化鈉)便宜。[53]

由於儲存和運輸困難,鈉的市場波動較大。它必須儲存在乾燥的非活性氣體氣氛或無水礦物油里,以防止形成氧化鈉超氧化鈉氧化膜。[54]

用處[編輯]

儘管金屬鈉有很多重要的用處,鈉化合物有更多的用處。每年都會生產數百萬噸的氯化鈉氫氧化鈉碳酸鈉。氯化鈉廣泛用於除冰,也用作為防腐劑。碳酸氫鈉的使用包括烘焙、作為膨鬆劑和蘇打爆破英語Sodablasting。類似鉀,許多重要的藥物都添加了鈉以提高生物利用度。雖然在大多數情況下,鉀是更好的離子,但鈉的價格和原子量較低。[55]氫化鈉在各種有機反應(例如羥醛反應)和無機化學中用作還原劑。[56]

金屬鈉主要用於製造硼氫化鈉疊氮化鈉靛藍三苯基膦。曾經,鈉常見的用途是製造四乙基鉛和金屬鈦。由於四乙基鉛被淘汰了,新的鈦生產方法也出現了,鈉的產量在 1970 年後下降。[14]鈉還用作合金、硬水軟化[57]以及當其它物質無效時,金屬的還原劑。鈉燈有時用於城市的街道照明,會發出橙黃色至桃色的光。[58]鈉或和鉀的合金都是乾燥劑,在乾燥時會和二苯基甲酮一起形成強烈的藍色。[59]有機合成中,鈉可用於各種反應,如伯奇還原反應,也可用於鈉融合試驗英語sodium fusion test以定性分析化合物。[60]鈉和醇反應,形成醇鈉;而鈉的氨溶液可以把炔烴還原成反式烯烴。[61][62]放射鈉 D光的雷射器用於製造雷射導引星,輔助陸基可見光望遠鏡的自適應光學[63]

傳播熱量[編輯]

NaK 相圖,顯示熔點與鉀濃度的關係。含有 77%鉀的鈉鉀合金是共晶系統,熔點最低,為 −12.6 °C。[64]

液態鈉在某些核反應爐中用作傳熱劑[65],因為它具有在反應爐中實現高中子通量所需的高熱導率和低中子吸收截面[66]鈉的較高沸點允許反應爐在正常壓力下運行,[66]但它的缺點包括不透明性(阻礙了視覺維護)以及爆炸性。[67]放射性的鈉-24在運行過程中可能由鈉的中子活化產生,有輕微輻射危害。在從反應爐中取出後的幾天內,它的放射性就會停止。[68]如果反應爐需要頻繁開關,就會使用 NaK,因為 NaK 在室溫下是液體,不會在管道中凝固。[69]在這種情況下,鉀的自燃性需要額外的預防措施來防止和檢測。[70]鈉的另一種傳熱應用是高性能內燃機中的提升閥。閥杆部分中充滿鈉,並作為熱導管來冷卻閥門。[71]

生物影響[編輯]

對人體的影響[編輯]

鈉是人體必需的礦物質營養素[72][73]。它可調節血液體積、血壓、滲透平衡和 pH。鈉的最低生理需求從新生兒的每天約 120 毫克到 10 歲以上的每天 500 毫克不等。 [74]

含量與分佈[編輯]

人體鈉含量為105克,其中骨骼表面佔總含量的30%。血鈉正常濃度為每升血液含鈉3.15-3.4克。[75]

飲食[編輯]

氯化鈉是飲食中鈉的主要來源,在醃製食品肉乾等商品中用作調味品和防腐劑。 對於美國人來說,大多數氯化鈉來自方便食品英語Convenience food[76]鈉的其它來源包括食物中天然存在的鈉和穀氨酸鈉 (MSG)、亞硝酸鈉、糖精鈉、碳酸氫鈉(泡打粉)和苯甲酸鈉等食品添加劑。[77]

成人每日建議攝取量為2.3克,兒童與少年為1.5-2.2克[75]美國國家醫學院將鈉的可耐受最高攝入量設為每天 2.3 克,[78]但一個普通美國人每天消耗 3.4 克的鈉。[79]美國心臟協會建議每天攝入不超過 1.5 克的鈉。[80]

高鈉消耗[編輯]

攝入高鈉並不健康,會導致心臟機械性能的改變。[81]高鈉攝入還與慢性腎病高血壓心血管疾病中風有關。[81]

高血壓[編輯]

較高的鈉攝入量與較高的血壓之間存在很強的相關性。[82]有研究發現,每天將鈉攝入量降低 2 克,會使收縮壓降低約 2到 4毫米汞柱。[83]據估計,鈉攝入量的減少將會使高血壓病例減少 9% 至 17%。[83]

高血壓每年導致全球 760 萬人過早死亡。[84](注意鹽里只含有 39.3% 的鈉,[85]剩下的部分都是氯和其它微量元素,所以 2.3 g 的鈉就是 5.9 g的食鹽,約為一茶匙[86][87]美國食品藥品監督管理局規定,患有高血壓和前高血壓的成年人應將每日鈉攝入量減少到 1.5 克。[87]

生理影響[編輯]

腎素-血管緊張素系統調節體內的液體量和鈉濃度。腎臟中血壓和鈉濃度的降低會導致腎素的產生,進而產生醛固酮血管緊張素,從而刺激鈉重新吸收回到血液中。當鈉濃度增加時,腎素的產生減少,鈉濃度恢復正常。[88]鈉離子 (Na+) 是神經元功能以及細胞和細胞外液之間滲透調節的重要電解質。這在所有動物中都是通過鈉鉀泵來實現的。 [89]鈉是細胞外液中最普遍的金屬離子。[90]

人類血液中異常低或異常高的鈉水平在醫學上分別為低血鈉症高血鈉症。這些情況可能是由遺傳因素、衰老或長期嘔吐或腹瀉引起的。[91]

對植物的影響[編輯]

C4類植物中,鈉是一種有助於新陳代謝的微量營養素,特別是磷酸烯醇式丙酮酸的再生和葉綠素的合成中。[92]它在多種作用中可以替代,例如維持膨壓和幫助氣孔的打開和關閉。[93]土壤中過量的鈉會通過降低水勢來限制水分的吸收,這可能會導致植物枯萎。細胞質中鈉濃度過高會導致酶抑制,進而導致壞死和萎黃病。[94]作為回應,一些植物已經發展出機制來限制根部對鈉的吸收,將其儲存在細胞的液胞中,並限制鹽分從根部向葉子的運輸。[95]過量的鈉也可能儲存在舊的植物組織中,限制對新生長的植物組織的損害。鹽生植物已經適應在富含鈉的環境中繁衍生息。[95]

危險性[編輯]

危險性
GHS危險性符號
《全球化學品統一分類和標籤制度》(簡稱「GHS」)中易燃物的標籤圖案《全球化學品統一分類和標籤制度》(簡稱「GHS」)中腐蝕性物質的標籤圖案
GHS提示詞 Danger
H-術語 H260, H314
P-術語 P223, P231+232, P280, P305+351+338, P370+378, P422[96]
NFPA 704
NFPA 704.svg
2
3
2
 
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

鈉遇水形成可燃的氫氣和腐蝕性的氫氧化鈉[97]因此攝入並接觸皮膚、眼睛或黏膜上的水分會導致嚴重灼傷。[98][99]鈉在水中爆炸,因為形成了高爆炸性的氫氣和可溶於水的氫氧化鈉(這使表面積增加)。然而,鈉在空氣中被點燃或自燃(據報導,當鈉達到 290 °C時發生)[100]產生的火相對溫和。如果是大塊的鈉(非熔融),由於會形成保護層,它與氧氣的反應會變慢。[101]水類滅火器只會加劇鈉火,二氧化碳和二氟氯溴甲烷也不應該用於鈉火。[99]金屬產生的火是D類火,但不是所有的 D類滅火器都對鈉火有效。一種對鈉火有效的滅火劑為 Met-L-X。[99]其它有效滅火劑包括 Lith-X,由石墨粉、有機磷酸酯阻燃劑和干沙組成。[102]通過惰性氣體將鈉與氧氣隔離,可以防止核反應爐中的鈉火災。[103]使用稱為集水盤系統的多種設計措施可以防止池型鈉火。它們將泄漏的鈉收集到一個與氧氣隔離的泄漏回收罐中。[103]

參考資料[編輯]

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  2. ^ Greenwood and Earnshaw, p. 75
  3. ^ "Alkali Metals." Science of Everyday Things. Encyclopedia.com. [2016-10-15]. 
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外部連結[編輯]