|  | ||||||
VOORKOMEN
2,36 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit natrium; het is het 6e element in rangorde van voorkomen. Eén ton water uit zoutmeren bevat gemiddeld 10,6 kg natriumchloride (dit is ongeveer 77 % van alle opgeloste stof die daarin voorkomt), eén ton zeewater 35 kg. Eén ton water uit de Dode Zee bevat 280 kg opgeloste zouten.
De voornaamste mineralen zijn:
albiet NaAlSi3O8 borax Na2B4O5(OH)4.8H2O haliet of steenzout NaCl jadeïet Na(Al,Fe+3)Si2O6 kerniet Na2B4O6(OH)2.3H2O kryoliet of ijssteen Na3AlF6 mirabiliet Na2SO4.10H2O sodaliet Na8Al6Si6O24Cl2 sylviniet KCl.NaCl ulexiet NaCaB5O6(OH)6.5H2O
Uit zoutmeren worden zowel natrium- als kaliumzouten (voornamelijk chloriden) gewonnen, onder meer uit het Great Salt Lake (Utah, V.S.) en de Dode Zee (Israël). Andere wingebieden voor natriumzouten - voornamelijk (steen)zout of soda (natriumcarbonaat) - liggen in de Verenigde Staten van Amerika, Rusland (met name Siberië), Armenië, Oekraïne (De Krim), Canada, Zuid-Amerika, China, India, Tibet, Mongolië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Duitsland, Spanje, Portugal, Italië en Frankrijk. In sommige van deze landen wordt zout uit zeewater gewonnen.
J.J. Berzelius gaf de naam natrium aan dit element omdat het voorkwam in soda (natriumcarbonaat), dat door de Grieken nitron en later door de Arabieren natrun werd genoemd. Het Engelse “sodium” is afkomstig van Sir H. Davy, die het element isoleerde. Hij leidde de naam af van soda, een product dat al in oude tijden gebruikt werd als wasmiddel en waarvan de naam afkomstig is van het Latijnse sodanum, wat ‘remedie tegen hoofdpijn’ betekent.
In 1702 vermoedde G.E. Stahl een verschil tussen soda (Na2CO3) en potas (K2CO3). In 1736 toonde H.L. Duhamel du Monceau aan dat kaliloog en natronloog verschillende basen waren. Het duurde tot 1807 voordat Sir H. Davy er in slaagde (metallisch) natrium af te scheiden door elektrolyse van gesmolten natriumhydroxide.
Natrium werd verkregen door elektrolyse van gesmolten natriumhydroxide (NaOH) bij 330 °C, het zogenoemde Castner-procédé. De stroomopbrengst van dit proces bedraagt slechts 50 %.
Natrium wordt gewonnen door elektrolyse van een gesmolten mengsel van natrium-, calcium- en bariumchloride (NaCl, CaCl2, BaCl2) bij 600 °C, het zogenoemde Downs-procédé. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een anode van grafiet en een kathode van ijzer. De stroomopbrengst bedraagt 90 %.
TOEPASSINGEN EN TOELICHTING
Wegverlichting
In gasontladingslampen wordt metallisch natrium samen met edelgassen als vulling gebruikt. De werking berust op hetzelfde principe als dat van de kwiklamp. Het gele licht is bijzonder helder, de lichtopbrengst is 13 maal groter dan die van een natriumloze gloeilamp. Het gele licht is afkomstig van de spectrale lijn 589 nm. Er zijn zogenoemde hogedruk- en lagedruklampen. Deze lampen worden geplaatst langs verkeerswegen, in havengebieden en ook steeds meer als straatverlichting. De lichtintensiteit is zo groot dat (delen van) België en Nederland ‘s nachts vanaf de maan herkenbaar zijn.
Batterij
In de natrium-zwavelbatterij wordt gebruik gemaakt van (vloeibaar) natrium. Deze batterij werkt bij hoge temperatuur (>300 °C). De vereenvoudigde reactievergelijking voor het proces tijdens de stroomlevering is:
2 Na(l) + y S8(l) → Na2Sx(s) (waarin x = 2,4,5)
bij een temperatuur van 300 à 400 °C. De geleverde spanning is 2,08 V. Dit type batterij levert vijfmaal zoveel energie per kg als een loodaccu. De batterij is oplaadbaar, maar het opladen duurt lang (15-20 uur).
De cellen worden veelal tot een grote batterij gevormd: 20 modules van ieder 49 cellen. De spanning is dan 200 V en de capaciteit bedraagt 50 kWh. Deze batterij verkeert nog in een experimenteel stadium, waarbij de stroomlevering voor de aandrijving van de elektrische auto als een mogelijke toepassing wordt gezien.
Keukenzout
Keukenzout vindt toepassingen als spijszout (smaakmaker bij voeding), industriezout (onder andere als grondstof voor de bereiding van soda en van chloor), strooizout, fysiologische oplossing in de geneeskunde en bij het regenereren van ionenwisselaars (bijvoorbeeld in de afwasmachine). Keukenzout is één van de oudste conserveringsmiddelen.
Soda
Soda (natriumcarbonaat, Na2CO3) wordt gemaakt uit keukenzout. Meestal gebeurt dit via het Solvay-proces (ontwikkeld door en genoemd naar de Belg E. Solvay). Hierbij wordt ammoniak en koolstofdioxide in een verzadigde keukenzoutoplossing geleid, waarbij de volgende reactie optreedt:
NH3 + CO2 + H2O + Na+ (+Cl-) → NH4+ + NaHCO3 (+Cl-) (1)
Het gevormde natriumwaterstofcarbonaat wordt afgescheiden en verhit, waarbij natriumcarbonaat wordt verkregen:
2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2 (2)
Het vrijgekomen koolstofdioxide wordt weer gebruikt in het proces.
Het benodigde koolstofdioxide wordt verkregen door kalksteen (CaCO3) te verhitten:
CaCO3 → CaO + CO2
Uit het ontstane calciumoxide wordt met water calciumhydroxide {Ca(OH)2} gevormd, dat met het bij (1) ontstane ammoniumzout weer de benodigde ammoniak oplevert:
Ca(OH)2 + 2 NH4+ → Ca2+ + 2 H2O + 2 NH3
(Bij dit proces gaat slechts 1 kg ammoniak verloren op 1 ton geproduceerde soda.)
Er blijft dus uiteindelijk een calciumchlorideoplossing over. Deze wordt of geloosd of levert na indampen strooizout op voor gladde wegen.
Een deel van het gevormde natriumwaterstofcarbonaat is eindproduct en wordt o.a. in bakpoeder – zowel voor de keuken als de professionele bakkerij - gebruikt.
De wereldproductie van soda bedraagt ongeveer 100.106 ton per jaar. Ongeveer 40 % hiervan is ‘natuursoda’.
50 % van de sodaproductie wordt gebruikt in de glasindustrie. Soda wordt verder gebruikt in de chemische industrie, wasmiddelenindustrie, petrochemie, kunstzijde- en textielindustrie, reinigingsmiddelen-, aluminium-, email- en voedingsmiddelenindustrie.
Glas
Glas wordt - al vele eeuwen lang - gemaakt door zand (SiO2) te smelten met calciumcarbonaat (CaCO3) en natriumcarbonaat (soda, Na2CO3). Deze stoffen ontleden bij het smelten, waardoor uiteindelijk een mengsel van oxiden ontstaat. De hechte structuur van de tetraëders in siliciumdioxide wordt verbroken, doordat de metaaloxiden in het rooster worden opgenomen. Bij afkoelen ontstaat geen kristallijne stof meer, maar een amorfe stof (onderkoelde vloeistof) met een bijzonder hoge viscositeit. Het verkregen materiaal: glas, is hard en transparant.
Door toevoegen van andere oxiden kan glas met een speciale eigenschap of kleur worden verkregen. Zo ontstaat bij toevoegen van loodoxide: kristalglas, bij toevoegen van 10 - 20 % booroxide: hittebestendig glas (zoals bijvoorbeeld Pyrex®) en bij toevoegen van Fe3+-verbindingen: groen gekleurd glas. De groenige glans van (dik) vensterglas wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van sporen ijzerverbindingen.
Om 1 ton glas te vervaardigen is ca. 230 kg soda nodig.
Airbag
Het airbagsysteem in een auto bestaat uit drie onderdelen: een elektronische detector die een botsing registreert, een gasgenerator met een uitgekiend mengsel chemicaliën en een nylon zak die bliksemsnel opgeblazen kan worden met stikstof. Om - ook na vele jaren - een goede werking te garanderen, is hoogwaardig materiaal nodig.
De detector is ontwikkeld volgens de strenge normen die in de luchtvaart gelden en alle elektrische contacten zijn van een goudlaagje voorzien om corrosie tegen te gaan.
In de gasgenerator bevindt zich een mengsel van natriumazide (NaN3), kaliumnitraat (KNO3) en siliciumdioxide (SiO2). Als de detector een botsing signaleert, vindt er via elektrische weg ontsteking plaats. Omdat natriumazide niet reageert op kleine vonken is rond de ontsteker meestal kaliumnitraat met wat fijn boorpoeder aanwezig. Als de reactie op gang gekomen is, wordt de natriumazide ontleed, waarbij stikstof ontstaat:
2 NaN3 → 2 Na + 3 N2
Het gevormde natrium reageert met de aanwezige kaliumnitraat:
10 Na + 2 KNO3 → K2O + 5 Na2O + N2
De beide oxiden reageren vervolgens met siliciumdioxide, waarbij een glasachtig materiaal wordt gevormd:
K2O + 5 Na2O + SiO2 → glas
De hele reactie en het opblazen van de nylon airbag moeten in enkele milliseconden verlopen zijn.
Cosmetica
Diverse natriumverbindingen vinden een toepassing in cosmetische producten:
- borax (Na2B4O5(OH)4.8H2O) wordt gebruikt als antimicrobieel middel in cosmetische producten.
- het natriumzout van thioglycolzuur (CH2SH-COONa) en natriumsulfide (Na2S) worden toegepast in ontharingsmiddelen.
- natriumhydroxide wordt gebruikt voor het ontkrullen van haren (tot ca. 2 %) en als ontharingspreparaat (oplossing met pH tot 12,7).
- natriumfluoride, natriumfluorfosfaat en natriumfluorsilicaat worden toegevoegd aan producten voor de mondhygiëne; natriumsulfaat als schuimmiddel in tandpasta’s.
- natriumnitriet wordt gebruikt als ‘corrosievertrager’.
Zeep
Zeep wordt bereid door vetten te hydrolyseren met natriumhydroxide- of kaliumhydroxideoplossing. Hierbij ontstaan zouten van vetzuren (zeep) en glycerol, bijvoorbeeld:
CH2– OOC – C17H35
lCH2– OH NaOOC - C17H35
lCH – OOC – C17H35 + 3 Na+OH- →
lCH– OH + NaOOC – C17H35
lCH2– OOC– C15H31 CH2– OH NaOOC– C15H31 Soms worden vetten eerst met stoom gehydrolyseerd, waarna het gevormde vetzuur met natriumhydroxideoplossing wordt omgezet in zeep. Afhankelijk van de soort vetzuur en de soort loog, ontstaan zachte of harde zepen. Kaliumzouten van vetzuren leveren meestal zachtere zepen dan natriumzouten. In sommige zepen blijft een deel van de glycerol achter. Alvorens een zeep in de handel gebracht kan worden, moeten er nog diverse stoffen worden toegevoegd, waaronder kleur- en reukstoffen.
Zepen die bereid worden uit vetten noemt men meestal ‘echte zeep’. Voor de synthetische zepen en wasmiddelen wordt het natriumzout van sulfonzuren (CnH2n+1SO3Na) gebruikt.
De oppervlakteactieve werking van beide zepen berust op de aanwezigheid van een lange apolaire (hydrofobe) staart (CnH2n+1-) en een polaire (hydrofiele) kop (-COO- resp. -SO3- ).
Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element) of als legering:
bereiding van farmaceutische (half)producten
bereiding van indigo (spijkerbroekenblauw)
bereiding van NaN3
bereiding van metalen, bijv. Ti, Zr (door reductie)
fotocel (Na/Au)
goudwasserij (Na-amalgaam)
katalysator (polymerisatie o.a. van butadiëen)
koelmiddel in kernreactor (vloeibaar; voor de snelle kweekreactor Super Phenix is 5600 ton nodig!)
napalm (natrium in palmolie)
Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):
antioxidant in vet natriumascorbaat antisepticum voor huid en slijmvliezen borax, Na2B4O5(OH)4.8H2O badzout Na2P4O7 bakpoeder NaHCO3 betonverdichter/-verharder (o.a. bij bruggen en stuwdammen) NaAlO2 bleek-(reinigings)middel NaOCl NaClO3 NaNO2 bleekmiddel voor papier, hout Na2O2 bleekmiddel voor suikers, enz. Na2S2O4 Na2S2O5 bleken van tabak NaNO3 blusmiddel NaHCO3 borax Na2B4O5(OH)4.8H2O brandwerend maken van textiel of hout borax, Na2B4O5(OH)4.8H2O conserveren papier NaOH conserveringsmiddel E221 Na2SO3 E250 NaNO2 conserveringsmiddel voor o.a. hout NaF cosmetica natriumlaurylsulfaat natriumstearaat desinfecteren van stallen (o.a. bij varkenspest) NaOH desinfectie NaOCl NaBO2 Na2S2O5 email borax, Na2B4O5(OH)4.8H2O email, glas en keramiek Na3AlF6 explosieven NaNO3 NaN3 NaClO3 fluoridering van drinkwater NaF fotografie Na2SO3 Na2S2O3 Na2S2O5 fotografisch papier NaBr frisdrank NaHCO3 galvanische baden NaCN NaOOCCH3 Na-citraat gasreiniging (verwijderen NOx) Na2S gebitsreiniging NaBO2 geneesmiddel behandeling van osteoporose Na2FPO4 bestanddeel van bruistabletten en middel tegen overtollig maagzuur NaHCO3 bloeddrukverlager NaN3 diureticum en tegen stollen van transfusiebloed Na-citraat infuus voor nierdialyse NaOOCCH3 naar uitzaaiing van een gezwel in het skelet Na2H32PO4 oplossen van stenen in de urinewegen Na2HPO4 geurbestrijder (bijv. in koelkasten) NaHCO3 glazuur borax, Na2B4O5(OH)4.8H2O glijmiddel bij mallen voor ‘gieten’ kunststof natriumstearaat goud- en zilverwinning NaCN houtbeits NaOH houtbescherming Na2HAsO4 insecticide Na3AsO4 IR-vensters, prisma’s, lenzen NaCl kaas- en ijsbereiding Na2P4O7 koudmakend mengsel NaCl kunstmest Na3BO3 Na2B4O7.10H2O Na2MoO4.2H2O NaNO3 kunststoffenindustrie NaOH melkglas NaAlO2
metallurgie NaCN Na3AlF6 NaF NaN3 NaOOCCH3 natriumcitraat onkruidbestrijdingsmiddel (herbicide) Na3AsO4 NaClO3 ontharingsmiddel voor huiden (bij leerlooien) NaHS ontstopper voor afvoeren/leidingen NaOH ovenreiniger NaOH papierfabricage Na2SO4 NaAlO2 pigment Na2CrO4 stijven van textiel borax, Na2B4O5(OH)4.8H2O tandpasta natriumlaurylsulfaat toevoeging levensmiddelen E - 325 Na-lactaat verwijderen vet en aardolie NaOH vlamvertrager Na2WO4 vlamvertrager voor textiel Na2MoO4 vlekverwijderaar NaBO2 vloeimiddel bij het solderen borax, Na2B4O5(OH)4.8H2O vuurwerk
NaNO3 was(bleek)middel natrium-perboraat-silicaat: Persil® waterafstotend maken textiel natriumstearaat waterontharding Na2CO3 Na3PO4 Na2P4O7 waterzuivering NaCl wolbehandeling t.b.v. verven NaHSO4 zeepbereiding NaOH NaAlO2 NaCl