Sodio

¿Qué es el sodio?

El sodio es un metal alcalino del grupo 1 de la tabla periódica. Su número atómico es 11 y su símbolo químico es Na. Es un metal livianomenos denso que el aguade color blanco plateado que se torna gris al exponerse al aire. Por eso se almacena en parafinas o gases nobles.

Ademáses un metal blando que puede cortarse con un cuchillo y se torna quebradizo a bajas temperaturas. Reacciona en forma explosiva con el agua para formar hidróxido de sodio e hidrógeno gaseoso. También reacciona con el aire húmedo y con la humedad de las manos desnudas.

Este metal se encuentra en rocas de minerales de sal como la halita (cloruro de sodio)en salmueras y en el mar. El cloruro de sodio representa el 80% de todos los materiales disueltos en el marteniendo una abundancia del 1,05%. Es el sexto elemento más abundante de la corteza terrestre.

El análisis de los espectros de la luz provenientes de las estrellasha permitido detectar su presencia en ellasincluyendo el Sol. Asimismose ha determinado su presencia en meteoritos.

Es un buen conductor térmico y eléctricoademás de tener gran capacidad de absorción del calor. Experimenta el fenómeno fotoeléctricoes decires capaz de emitir electrones al iluminarse. Al ser quemadosu llama emite una luz amarilla intensa.

El sodio fundido actúa como agente de transferencia de calorrazón por la cual se usa como refrigerante en ciertos reactores nucleares. También se usa como desoxidante y reductor de metalespor lo que se ha usado en la purificación de metales de transicióncomo el titanio y el circonio.

El sodio es el principal contribuyente a la osmolaridad del compartimiento extracelular y del volumen del mismo. Asimismoes el responsable de la generación de los potenciales de acción en las células excitables y el inicio de la contracción muscular.

La ingesta excesiva de sodio puede producir enfermedades cardiovascularesaumento del riesgo de accidentes cerebralesosteoporosis por la movilización del calcio óseo y daño renal.

Historia del sodio

El ser humano ha usado compuestos del sodio desde tiempos remotosespecialmente el cloruro de sodio (sal común) y el carbonato de sodio. La importancia de la sal está evidenciada por el uso de la palabra latina salarium, para señalar una porción de sal que recibían los soldados como parte del pago.

En la Edad Media se usó un compuesto sódico con el nombre latino sodanum, que significaba dolor de cabeza.

En 1807sir Humprey Davy aisló el sodio mediante la electrólisis del hidróxido de sodio. También aisló el potasioen un momento en que consideraban el hidróxido de sodio y el hidróxido de potasio sustancias elementalesdenominadas álcalis fijos.

En una carta a un amigoDavy escribió: “Descompuse y recompuse los álcalis fijos y descubrí que sus bases eran dos sustancias nuevassustancias muy inflamables similares a los metales; pero una de ellas es más inflamable que la otra y muy reactiva”.

En 1814Jöns Jakoben su Sistema de símbolos químicosusó la abreviatura Na para la palabra latina natrium, para denominar el sodio. Esta palabra proviene del egipcio natron, nombre usado para llamar al carbonato de sodio.

Estructura y configuración electrónica del sodio

El sodio metálico cristaliza en una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bccpor sus siglas en inglés). Por lo tantosus átomos Na se posicionan formando cuboscon uno situado en el centro y cada uno con ocho vecinos.

Esta estructura se caracteriza por ser la menos densa de todaslo cual concuerda con la baja densidad para este metaltan bajaquejunto con el litio y el potasioson los únicos metales que pueden flotar en agua líquida (antes de estallarpor supuesto). Su baja masa atómicaen relación con su voluminoso radio atómicotambién contribuye a esta propiedad.

El enlace metálico resultantesin embargoes bastante débilpudiendo explicarse a partir de la configuración electrónica:

[Ne]3s¹

Los electrones de la capa cerrada no participan (al menos en condiciones normales) en el enlace metálicosino el electrón del orbital 3s. Los átomos Na solapan sus orbitales 3s para crear una banda de valenciay los 3pvacíosuna banda de conducción.

Esta banda 3sal estar semillenaasí como por la baja densidad del cristalhace que la fuerzaregida por el “mar de electrones”sea débil. En consecuenciael sodio metálico puede cortarse con un metal y funde apenas a 98 ºC.

Transiciones de fase

El cristal de sodio puede experimentar cambios en su estructura al incrementarse la presión. Mientras que al calentarloes improbable que sufra transiciones de fase debido a su bajo punto de fusión.

Una vez inician las transiciones de faselas propiedades del metal cambian. Por ejemplola primera transición genera una estructura cúbica centrada en las caras (fccpor sus siglas en inglés). Asíla estructura poco densa bcc se compacta a fcc al presionar el sodio metálico.

Quizás esto no produzca un cambio apreciable en las propiedades del sodio más que en su densidad. Sin embargocuando las presiones son muy altaslos alótropos (no polimorfospor tratarse de un metal puro) se convierten sorpresivamente en aislantes y electruros. Es decirinclusive los electrones están fijos en el cristal como aniones y no circulan libremente.

Además de lo dichosus colores también cambian: el sodio deja de ser grisáceo para tornarse oscurorojizo o hasta transparentea medida que se elevan las presiones operantes.

Números de oxidación

Dado el orbital de valencia 3scuando el sodio pierde su único electrón se transforma rápidamente en el catión Na⁺el cual es isoelectrónico al neón. Es decirtanto el Na⁺ como el Ne tienen el mismo número de electrones. Si se asume la presencia del Na⁺ en el compuestose dice entonces que su número de oxidación es +1.

Si sucede lo contrarioes decirel sodio ganando un electrónsu configuración electrónica resultante es [Ne]3s²: ahora es isoelectrónico con el magnesiotratándose del anión Na^– llamado soduro. Si se asume la presencia del Na^– en el compuestoentonces el sodio tendrá número de oxidación de -1.

Propiedades del sodio

• Descripción física. Metal ligero suavedúctilmaleable.
• Peso atómico. 22,989 g/mol.
• Color. Metal plateado ligero. Brillante al estar recién cortadopero pierde su lustre en contacto con el airevolviéndose opaco. Suave a temperaturapero bastante duro a -20 ºC.
• Punto de ebullición. 880 ºC.
• Punto de fusión. 97,82 ºC (casi 98 ºC).
• Densidad. A temperatura ambiente: 0,968 g/cm³. En estado líquido (punto de fusión): 0,927 g/cm³.
• Solubilidad. Insoluble en bencenokerosén y nafta. Se disuelve en amonio líquidodando una solución azul. Se disuelve en mercurio formando una amalgama.
• Presión de vapor. Temperatura 802 K: 1 kPa; es decirsu presión de vapor es considerablemente baja incluso a altas temperaturas.
• Descomposición. Se descompone violentamente en el aguaformando hidróxido de sodio e hidrógeno.
• Temperatura de auto ignición. 120-125 ºC.
• Viscosidad. 0,680 cP a 100 ºC
• Tensión superficial. 192 dinas/cm al punto de fusión.
• Índice de refracción. 4,22.
• Electronegatividad. 0,93 en la escala Pauling.
• Energía de ionización. Primera ionización: 495,8 kJ/mol. Segunda ionización: 4.562 kJ/mol. Tercera ionización: 6.910,3 kJ/mol.
• Radio atómico. 186 pm.
• Radio covalente. 166 ± 9 pm.
• Expansión térmica. 71 µm(m·K) a 26 ºC.
• Conductividad térmica. 132,3 W/m·K a 293,15 K.
• Resistividad eléctrica. 4,77×10^-8 Ω·m a 293 K.

Nomenclatura del sodio

Por tener un único número de oxidación de +1los nombres de sus compuestosregidos por la nomenclatura stockse simplifican al no especificarse dicho número entre paréntesis y con números romanos.

Del mismo modosus nombres de acuerdo a la nomenclatura tradicional terminan todos con el sufijo -ico.

Por ejemploel NaCl es el cloruro de sodio según la nomenclatura stocksiendo erróneo cloruro de sodio (I). También recibe el nombre de monocloruro de sodiosegún la nomenclatura sistemáticay cloruro sódicosegún la nomenclatura tradicional. Su nombre más común es sal de mesa.

Papel biológico del sodio

• Componente osmótico. El sodio tiene una concentración extracelular de 140 mmol/Lencontrándose en forma iónica (Na⁺). Para mantener la electroneutralidad del compartimiento extracelularel Na⁺ está acompañado por los aniones cloruro (Cl^–) y bicarbonato (HCO₃^–)con concentraciones de 105 mmol/L y 25 mmol/L respectivamente. El catión Na⁺ es el principal componente osmótico y tiene la mayor contribución a la osmolaridad del compartimiento extracelularde manera tal que exista una igualdad de osmolaridad entre los compartimientos extracelular e intracelular que garantice la integridad del compartimiento intracelular. Por otro ladola concentración intracelular de Na⁺ es de 15 mmol/L. En este sentidohay dos razones por las que no se igualan las concentraciones extra e intracelular de Na⁺: a) la membrana plasmática es poco permeable al Na⁺. b) la existencia de la bomba Na⁺-K⁺. La bomba es un sistema enzimático existente en la membrana plasmática que usa la energía contenida en el ATP para sacar tres átomos de Na⁺ e introducir dos átomos de K⁺. Ademásexiste un conjunto de hormonasentre ellasla aldosteronaque al promover la reabsorción renal del sodio garantiza el mantenimiento de la concentración extracelular del sodio a su debido valor. La hormona antidiurética ayuda al mantenimiento del volumen extracelular.
• Producción de potenciales de acción. Las células excitables (neuronas y células musculares) responden a un estímulo adecuado con la formación de un potencial de acción o impulso nervioso. Estas células mantienen una diferencia de voltaje a través de la membrana plasmática. El interior celular está cargado negativamente con relación al exterior celular en condiciones de reposo. Ante un cierto estímulose produce un aumento de la permeabilidad de la membrana al Na⁺ e ingresa a la célula una pequeña cantidad de iones Na⁺haciendo que el interior celular se cargue positivamente. Lo anterior se conoce como potencial de acciónel cual puede propagarse a lo largo de una neuronay es la forma en que viaja la información a través de ella. Cuando el potencial de acción llega a las células musculareslas estimula para su contracción mediante mecanismos más o menos complejos. En resumenel sodio es el responsable de la producción de los potenciales de acción en las células excitables y del inicio de la contracción de las células musculares.

Dónde se encuentra el sodio

• Corteza terrestre. Es el séptimo elemento más abundante en la corteza terrestrerepresentando el 2,8% de ella. El cloruro de sodio forma parte del mineral halitaque representa el 80% de los materiales disueltos en el mar. El contenido de sodio del mar es de 1,05%. Es un elemento muy reactivorazón por la cual no se encuentra en forma nativa o elemental. Se encuentra en minerales solublescomo la halitao en minerales insolublescomo la criolita (un fluoruro de aluminio y sodio).
• Mar y el mineral halita. Además del mar en generalel mar Muerto se caracteriza por tener una concentración muy alta de diferentes sales y mineralesespecialmente cloruro de sodio. El Gran Lago Salado en Estados Unidos también presenta una concentración alta de sodio. El cloruro de sodio se encuentra casi puro en el mineral halitapresente en el mar y en estructuras rocosas. La sal de roca o mineral es menos pura que la halitaencontrándose en depósitos minerales en Gran BretañaFranciaAlemaniaChina y Rusia.
• Depósitos salinos. La sal se extrae de sus depósitos rocosos mediante la fragmentación de las rocasseguida de un proceso de purificación de la sal. En otras ocasiones se introduce agua en los depósitos de sal para disolverla y formar una salmueraque luego es bombeada a la superficie. La sal es obtenida del mar en las cuencas de poca profundidad conocidas como salinasmediante evaporación solar. La sal obtenida de esta forma es denominada sal de la bahía o sal marina.
• Celda de Downs. El sodio era producido por la reducción carbotérmica del carbonato de sodio realizada a 1.100 ºC. Actualmentese produce por la electrólisis del cloruro de sodio fundidousando la celda de Downs. Sin embargocomo el cloruro de sodio fundido tiene un punto de fusión ~ 800 ºCse añade cloruro de calcio o carbonato de sodio para reducir el punto de fusión a 600 ºC. En la cámara de Downs el cátodo es de hierro en forma circularalrededor de un ánodo de carbono. Los productos de la electrólisis son separados por una malla de acero para prevenir que entren en contacto los productos de la electrólisis: el sodio y el cloro elementales. En el ánodo (+) ocurre la reacción de oxidación siguiente:

2 Cl^– (l)    →     Cl₂ (g)       +       2 e^–

Mientrasen el cátodo (-) ocurre la reacción de reducción siguiente:

2 Na⁺ (l)      +        2 e^–    →    2 Na (l)

Reacciones del sodio

• Formación de óxidos e hidróxido. Es muy reactivo en el airedependiendo de su humedad. Reacciona para formar una película de hidróxido de sodiola cual puede absorber dióxido de carbono y formar finalmente bicarbonato de sodio. Se oxida en el aire para originar el monóxido de sodio (Na₂O). Mientras que el superóxido de sodio (NaO₂) se prepara mediante el calentamiento del sodio metálico a 300 ºC con oxígeno a presión alta. En estado líquidose inflama a 125 ºCproduciendo un humo blanco irritantecapaz de producir tos. Asimismoreacciona vigorosamente con el agua para producir hidróxido de sodio e hidrógeno gaseosocausante de la explosividad de la reacción. Esta reacción es fuertemente exotérmica.

Na     +     H₂O    →   NaOH     +      1/2 H₂  (3.367 kilocalorías/mol)

• Con ácidos halogenados. Los ácidos halogenadoscomo el ácido clorhídricoreaccionan con el sodio para formar los haluros correspondientes. Su reacción con el ácido nítrico genera nitrato de sodioy con el ácido sulfúricogenera sulfato de sodio.
• Reducciones. El Na reduce los óxidos de los metales de transiciónproduciendo los metales correspondientes al liberarlos del oxígeno. Asimismoel sodio reacciona con los haluros de los metales de transiciónproduciendo el desplazamiento de los metales para formar cloruro de sodio y liberando los metales. Esta reacción ha servido para la obtención de metales de transiciónentre ellosel titanio y el tántalo.
• Con el amoniaco. El sodio reacciona con el amoniaco líquido a baja temperatura y de manera lenta para formar la sodamida (NaNH₂) e hidrógeno.

Na     +      NH₃    →   NaNH₂     +       1/2 H₂

El amoniaco líquido sirve como solvente para la reacción del sodio con varios metalesentre ellosarsénicoteluroantimonio y bismuto.

• Orgánicas. Reacciona con los alcoholes para producir alcoholatos o alcóxidos:

Na     +     ROH    →   RONa      +      1/2 H₂

Produce la deshalogenación de compuestos orgánicosoriginando una duplicación en el número de carbonos del compuesto:

2 Na      +      2 RCl    →     R-R     +      2 NaCl

El octano puede ser producido por la deshalogenación del bromuro de butano con el sodio.

• Con los metales. El sodio puede reaccionar con otros metales alcalinos para formar un eutéctico: una aleación que se forma a temperaturas más bajas que sus componentes (por ejemploNaKque tiene un porcentaje de K del 78%). El sodio también forma aleaciones con el berilio con un pequeño porcentaje del primero. Los metales preciosos como oroplataplatinopaladio e iridioal igual que los metales blancos como plomoestaño y antimonioforman aleaciones con el sodio líquido.

Riesgos del sodio

Es un metal que reacciona intensamente con el agua. Por lo tantoen contacto con los tejidos humanos recubiertos de agua puede ocasionar daños severos. Produce quemaduras graves por contacto con la piel y los ojos.

Asimismopor ingestión puede causar perforación del esófago y estómago. Sin embargoaunque estas lesiones son gravessolo una pequeña proporción de la población está expuesta a ellas.

El mayor daño que puede causar el sodio es debido a la ingesta excesiva en las comidas o bebidas. El cuerpo humano requiere de una ingesta de sodio de 500 mg/díapara que cumpla con su función en la conducción nerviosaasí como en la contracción muscular.

Perousualmenteen la dieta se ingiere una cantidad mucho mayorlo cual produce un incremento en la concentración plasmática y sanguínea del mismo. Esto puede causar hipertensión arterialenfermedades cardiovasculares y accidentes cerebrales.

La hipernatremia también está asociada a la generación de las osteoporosis por inducir a una salida del calcio del tejido óseo. Los riñones tienen problemas para mantener una concentración plasmática de sodio normal a pesar de su ingesta excesivalo que puede llevar a un daño renal.

Usos del sodio

• Metalurgia. Se usa como agente desoxidante y reductor en la preparación de calciocirconiotitanio y otros metales. Por ejemploreduce al tetracloruro de titanio (TiCl₄) para producir titanio metálico.
• Agente de transferencia térmica. El sodio fundido se utiliza como un agente de transferencia de calorpor lo que se usa como refrigerante en algunos reactores nucleares.
• Materia prima. Se usa como materia prima en la manufactura del sulfato de lauril sódicoel principal ingrediente del detergente sintético. Asimismointerviene en la manufactura de polímeros como el nylon y en compuestos como el cianuro y peróxido de sodio. También en la producción de tintes y síntesis de perfumes.
• Purificación de hidrocarburos. El sodio se utiliza en la purificación de hidrocarburos y en la polimerización de hidrocarburos insolubles. También se emplea en numerosas reducciones orgánicas. Disuelto en amonio líquido es usado para reducir los alquinos a transalqueno.
• Iluminación pública. Se construyen lámparas de vapores de sodio para el alumbrado público de las ciudades. Estas suministran un color amarillosemejante al observado cuando el sodio es quemado en mecheros. El sodio actúa como un desecante que aporta una coloración azul en presencia de benzofenonaindicativo de que el producto en proceso de desecación ha alcanzado el secado deseado.
• Compuestos del sodio
  • Cloruro. Es usado para sazonar y conservar los alimentos. La electrólisis del cloruro de sodio produce hipoclorito de sodio (NaOCl)utilizado en la limpieza del hogar como cloro. Ademásse emplea como blanqueador industrial de la pulpa del papel y los textiles o en la desinfección del agua. El hipoclorito de sodio es utilizado en ciertas preparaciones medicinales como antiséptico y fungicida.
  • Carbonato y bicarbonato. El carbonato de sodio se utiliza en la fabricación de vidriosdetergentes y limpiadores. El carbonato de sodio monohidratado se emplea en la fotografía como componente de los desarrolladores. El bicarbonato de sodio es una fuente de dióxido de carbono. Por esta razón se emplea en los polvos de hornearen sales y bebidas efervescentes y también en los extinguidores de incendios químicos secos. Se emplea además en el proceso de curtiembre y preparación de la lana. El bicarbonato de sodio es un compuesto alcalinousado en el tratamiento medicinal de la hiperacidez gástrica y urinaria.
  • Sulfato. Se utiliza en la fabricación del papel kraftcartónvidrio y detergentes. El tiosulfato de sodio es utilizado en la fotografía con el fin de corregir los negativos y las impresiones desarrolladas.
  • Hidróxido. Llamado comúnmente soda cáustica o lejíase utiliza en la neutralización de los ácidos en la refinación del petróleo. Reacciona con los ácidos grasos en la fabricación del jabón. Ademásse utiliza en el tratamiento de la celulosa.
  • Nitrato. Es usado como un fertilizante que aporta nitrógenosiendo un componente de la dinamita.

Referencias

1. Shiver & Atkins. Química inorgánica (Cuarta edición). McGraw Hill.
2. Sodium. (Recuperado de en.wikipedia.org.
3. Sodium. Recuperado de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
4. GanongW. F. Fisiología Médica (19ª Edición). Editorial El Manual Moderno.
5. Sodium. Recuperado de britannica.com.