Sodium - Natoriumu (English spelling) sodium English

Japanese: ナトリウム - なとりうむ（英語表記）sodium 英語

It belongs to Group 1 of the periodic table and is one of the alkali metal elements. The name sodium comes from the Latin nitrum, solida, which means mineral alkali, and is said to be based on the old name for sodium carbonate, natron soda.

[Torii Yasuo]

history

Sodium has been used in the form of compounds since the dawn of human civilization. 5,000 years ago, Egyptians extracted sodium carbonate (soda) from soda lakes and mixed it with sand and shells to make glass. This substance has also been used as a cleaning agent and detergent since ancient times, and sodium chloride, known as table salt, has been used to preserve food and as a seasoning. However, it was not until the flame color reaction experiments of German physicist Markgraf in 1758 that sodium compounds became clearly distinguishable from the related potassium compounds (sodium compounds show a yellow flame color reaction, while potassium compounds show a pale purple flame color reaction). In 1807, British physicist H. Davy isolated metallic sodium by heating and melting sodium hydroxide in a platinum crucible and electrolyzing it, and named it sodium. In 1890, the method of industrial production was developed by American chemical engineer Hamilton Young Kastner (1858-1899).

[Torii Yasuo]

Existence

Sodium, like other alkali metal elements, is highly reactive and cannot exist in the form of a single metal in nature. It always forms compounds as a monovalent cation and is widely distributed on the earth. It is present in seawater at an average concentration of 2-3% in terms of sodium chloride, but in special cases, it reaches a concentration of 20% in the Dead Sea, which straddles Jordan and Israel. Sodium chloride also forms huge deposits as rock salt. Carbonates (natural soda), nitrates (Chilean saltpeter), sulfates (Salmonite), and borates (borax) are also found as minerals around the world. It is also found in insoluble aluminosilicates, such as analcime NaAlSi ₂ O ₆ · H ₂ O and soda feldspar NaAlSi ₃ O _8. Sodium is also found in relatively large amounts in animals, where it plays an important physiological role, such as maintaining the osmotic pressure of tissue fluids and keeping the hydrogen ion concentration index (pH) constant.

[Torii Yasuo]

Manufacturing method

Industrially, it is produced by electrolyzing molten salts, either by the Castner process, which uses sodium hydroxide as the raw material, or the Downs process, which uses sodium chloride. In the Castner process, electrolysis is carried out at around 320°C (the melting point of sodium hydroxide is 318.4°C), with iron or nickel as the cathode and graphite as the anode. At the cathode, 2Na ⁺ +2e ^- -→2Na
The reaction occurs, metallic sodium is released, and at the anode

Oxygen is generated by the reaction. In the Downs process, potassium chloride or calcium chloride is added to lower the melting point of the raw material sodium chloride (800.4°C). This makes it possible to electrolyze at around 600°C. In this method, 2Cl ^- ―→Cl ₂ ＋2e ^-
The reaction occurs, and chlorine is obtained as a by-product. The Downs process has many advantages, such as being able to use sodium chloride directly as a raw material without converting it to sodium hydroxide, having a high current efficiency, and producing chlorine gas as a by-product, so today it is the Downs process that is widely used for production. Sodium metal can be purified by vacuum distillation.

[Torii Yasuo]

nature

It is a soft, silvery-white metal that has a body-centered cubic structure at room temperature. It can be easily cut into wire shape with a knife or extruded through small holes. New surfaces have a metallic luster, but when exposed to air, it immediately oxidizes and loses its luster. When heated above its melting point, it burns with a flame. It reacts violently with halogens and oxygen, and forms compounds with hydrogen. It also reacts violently with water, generating hydrogen, and the heat of the reaction causes the sodium itself to become spherical and run around on the water's surface, producing sodium hydroxide. The hydrogen generated further mixes with the air and causes an explosion. Therefore, it must be stored in petroleum. Sodium salts are generally soluble in water.

[Torii Yasuo]

Applications

In addition to being used as a reducing agent in the smelting of various metals, it is also used as an amalgam for various reductions, as well as in alloys and catalysts. In addition, taking advantage of its low melting point and small thermal neutron absorption cross section, it is used alone or as an alloy with potassium (Na-K alloy, called NaK) as a coolant for nuclear reactors.

[Torii Yasuo]

The human body and sodium

The human body contains about 0.15% sodium, and among inorganic elements, it is relatively abundant, along with calcium, phosphorus, potassium, chlorine, and magnesium. In the body, sodium is found mainly in the extracellular fluid, and in small amounts in the intracellular fluid. Sodium plays important roles in maintaining the volume of extracellular fluid, regulating osmotic pressure, and maintaining acid-base balance. It is also a necessary component for the function of transmitting stimuli to nerves and muscles. While sodium regulates the extracellular fluid, potassium is involved in various types of regulation of intracellular fluid. The cell membrane, which is the boundary between the two, maintains appropriate concentrations of sodium and potassium inside and outside the membrane. This mechanism is thought to be the sodium pump. It is important that sodium exists in a constant amount like this, but if a large amount is ingested as salt from food for a long period of time, the harmful effects of excess sodium are a problem. In particular, it can cause hypertension and stomach cancer. For this reason, the Ministry of Health, Labor and Welfare has set the target salt intake amount for people aged 12 and over to less than 10 grams per day in the "Dietary Reference Intakes for Japanese People." The World Health Organization (WHO) recommends that 6 grams or less per day is appropriate.

[Tomomi Kono and Yonago Yamaguchi]

"Encyclopedia of Minerals" edited by Yoshinori Itokawa (2003, Asakura Publishing)" ▽ "Daiichi Publishing Editorial Department, "Ministry of Health, Labor and Welfare Established Dietary Reference Intakes for Japanese People 2005 Edition" (2005, Daiichi Publishing)"

Periodic Table
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Periodic Table

Manufacturing method of metallic sodium (Downs process)
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Manufacturing method of metallic sodium (Downs process)

Structure of the Downs electrolytic cell
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Structure of the Downs electrolytic cell

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

周期表第1族に属し、アルカリ金属元素の一つ。ナトリウム、ソジウムの名称は鉱物性アルカリを意味するラテン語のnitrum, solidaに由来し、炭酸ナトリウム（炭酸ソーダ）の古名natron sodaに基づくといわれている。

［鳥居泰男］

歴史

ナトリウムは、化合物の形では人類文明の黎明(れいめい)期からすでに利用されていた。5000年も前にエジプト人はソーダ湖から炭酸ナトリウム（ソーダ）を採取し、砂や貝殻と混ぜてガラスをつくっていた。この物質は古くから清浄剤や洗剤としても用いられており、また塩化ナトリウムは食塩の名で食品の保存や調味料として使われてきた。しかしナトリウムの化合物が同族のカリウム化合物と明白に区別されるようになったのは、1758年のドイツのマルクグラーフの炎色反応の実験以後である（ナトリウム化合物は黄色、カリウム化合物は淡紫色の炎色反応を示す）。1807年にイギリスのH・デービーは、水酸化ナトリウムを白金るつぼ中で加熱融解し、電気分解することによって金属ナトリウムを単離し、ソジウムと命名した。1890年にはアメリカの化学技術者カストナーHamilton Young Kastner（1858―1899）によって工業的製造の方法が開かれた。

［鳥居泰男］

存在

ナトリウムは他のアルカリ金属元素と同様に反応性に富んでいるため、自然界で単体金属の状態をとることはできない。つねに1価の陽イオンとして化合物をつくり、地球上に広く分布している。海水中に、塩化ナトリウムに換算して平均2～3％の濃度で存在しているが、特別の場合として、ヨルダンとイスラエルにまたがる死海では20％もの濃度に達している。塩化ナトリウムはまた岩塩として巨大な鉱床をつくっている。炭酸塩（天然ソーダ）、硝酸塩（チリ硝石）、硫酸塩（ボウ硝）、ホウ酸塩（ホウ砂）なども鉱物として世界各地に産出する。また、不溶性のアルミノケイ酸塩、たとえば方沸石NaAlSi₂O₆・H₂Oやソーダ長石NaAlSi₃O₈などにも含まれている。ナトリウムはまた動物体内に比較的多量に含まれ、組織液の浸透圧の維持や水素イオン濃度指数（pH）を一定に保つなどの重要な生理的役割を果たしている。

［鳥居泰男］

製法

工業的には融解塩を電気分解する方法によって製造されるが、原料として水酸化ナトリウムを用いるカストナー法と、塩化ナトリウムを用いるダウンズ法とがある。カストナー法では、鉄またはニッケルを陰極とし、黒鉛を陽極として320℃（水酸化ナトリウムの融点は318.4℃）付近で電解を行う。陰極では
　　2Na⁺＋2e^-―→2Na
の反応がおこって金属ナトリウムが遊離し、陽極では

の反応によって酸素が発生する。ダウンズ法では、原料の塩化ナトリウムの融点（800.4℃）を下げるために塩化カリウムや塩化カルシウムを加える。こうすると600℃付近で電解が可能となる。この方法では陽極で
　　2Cl^-―→Cl₂＋2e^-
の反応がおこり、塩素が副産物として得られる。ダウンズ法では、塩化ナトリウムを水酸化ナトリウムに変えずに直接原料とすることができるうえ、電流効率も高く、塩素ガスが副生するなど多くの利点があるので、今日ではダウンズ法により多く製造されている。金属ナトリウムは減圧蒸留によって精製することができる。

［鳥居泰男］

性質

銀白色の軟らかい金属で、常温では体心立方構造をとっている。ナイフで切ったり、小孔から押し出して容易に針金状にすることができる。新しい面は金属光沢を呈するが、空気に触れるとただちに酸化されて光沢を失う。融点以上に熱すると炎をあげて燃える。ハロゲン、酸素などと激しく反応し、水素とも化合物をつくる。また水とも激しく反応して水素を発生し、反応熱のためにナトリウム自体は球状となって水面を走り回り、水酸化ナトリウムを生ずる。さらに発生した水素が空気と混合して爆発をおこす。したがって、保存するときは石油中に蓄えておく必要がある。ナトリウム塩は一般に水によく溶ける。

［鳥居泰男］

用途

各種金属の製錬において還元剤となるほか、アマルガムとして各種の還元、さらに合金、触媒などとしても用いられる。また、融点が低く、熱中性子吸収断面積が小さいのを利用し、単独またはカリウムとの合金（Na‐K系合金、ナクという）として原子炉の冷却剤に用いられる。

［鳥居泰男］

人体とナトリウム

人体に約0.15％含まれ、無機質の元素のなかではカルシウム、リン、カリウム、塩素、マグネシウムなどと同様に比較的多く存在するものである。体内では細胞外液におもに存在し、細胞内液には少ない。ナトリウムは細胞外液の分量の維持、浸透圧の調整、酸・塩基平衡の維持などの重要な働きをしている。また、神経や筋肉の刺激を伝達する機能に必要な成分である。ナトリウムが細胞外液の調節をしているのに対し、カリウムは細胞内液の各種の調節に関係している。その境界である細胞膜では膜の内外でナトリウムとカリウムをそれぞれ適度な濃度に保っている。この仕組みはナトリウムポンプと考えられている。ナトリウムはこのように一定量存在することがたいせつであるが、長期間食事から塩として摂取する量が多い場合、ナトリウム過剰の害が問題となっている。とくに、高血圧症や胃がんの原因となる。そのため厚生労働省は、「日本人の食事摂取基準」で、12歳以上は食塩としての摂取目標量を1日に10グラム未満と設定している。なお、WHO（世界保健機関）では1日6グラム以下が適当としている。

［河野友美・山口米子］

『糸川嘉則編『ミネラルの事典』（2003・朝倉書店）』▽『第一出版編集部編『厚生労働省策定　日本人の食事摂取基準　2005年版』（2005・第一出版）』