소듐(나트륨), Sodium(Natrium)

 

 

소듐, Sodium 나트륨, Natrium
원자 기호	Na
원자 번호	11
족, 주기, 구역	1족, 3주기, s-구역
전자배치	1s22s22p63s1
-전자배치 이미지 준비중-
소듐의 불꽃 반응  -이미지 준비중-
소듐의 스펙트럼  -이미지 준비중-
원소 분류	알칼리 금속
원자량	22.98976928(2) g/mol
상태	은백색의 금속
밀도 녹는점에서의 액체의 밀도	0.968 g·cm−3 0.927 g·cm−3
녹는점	370.87 K, 97.72 °C
끓는점	1156 K, 883 °C
삼중점	2573 K, 35 MPa
임계점	2573 K, 35 MPa
융해열	ΔfusH˚ = 2.60 kJ/mol
기화열	ΔvapH˚ =  97.42 kJ/mol
25℃에서의 열용량	28.230 J/(mol·K)
산화수	+1, -1
전기음성도	0.93 (폴링 척도)
이온화에너지	1st: 495.8 kJ/mol 2nd: 4562 kJ/mol 3rd: 6910.3 kJ/mol
원자 반지름	186 pm
공유 반지름	166 ± 9 pm
반데르발스 지름	227 pm
결정 구조	체심 입방정계
자기성	상자성
열전도율	142 W·m−1·K−1
음속	(20 °C) 3200 m·s−1
열팽창계수	(25 °C) 71 µm·m−1·K−1
영률	10 GPa
전단탄성계수	3.3 GPa
부피탄성계수	6.3 GPa
모스굳기	0.5

 소듐Sodium은 기호 Na(라틴어 natrium에서 왔다), 원자 번호 11번인 화학 원소이다.  부드럽고 은백색이며 반응성이 큰 알칼리 금속 중 하나이다.  ²³Na이라는 한개의 안정한 동위원소를 가진다. 자연에서 순수한 금속 상태로는 존재하지 않으며, 다양한 화합물의 형태로 존재한다. 험프리 데이비 경Humphry Davy이 1087년 수산화소듐sodium hydroxide(NaOH, 수산화나트륨)을 가수분해하여 순수한 소듐을 얻었다. 소듐은 지각에 여섯번째로 많은 원소이며, 장석류(feldspars), 소달라이트(sodalite), 암염(rock salt)과 같은 많은 광물에 존재한다. 많은 소듐의 염들은 물에 잘 녹으며, 이런 소듐염들은 물의 작용에 잘 녹아나오게 되어 해수에서 가장 많은 원소가 소듐과 염소로 되었다.

 많은 소듐 화합물은 유용하여, 수산화 소듐은 비누를 만들 때, 염화소듐(염화나트륨)sodium chloride은 제설제 또는 영양소로도 사용한다. 소듐은 모든 동물과 일부 식물에게 필수 원소이다. 동물에서 소듐 이온은 포타슘 이온과 대항하여 세포막에 전하를 만들게 되고, 신호 전달을 가능케 한다.

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성질

물리적 성질

 소듐은 표준상태에서 칼로 쉽게 자를 수 있는 부드러운 금속이고 좋은 전도체이다. 공기에 노출 된 직후에 소듐은 밝고 은빛이지만 금방 산화하여 하얀색의 수산화소듐과 탄산소듐sodium carbonate으로 코팅된다. 이런 성질은 압력이 올라가면 바뀌게 되는데, 1.5Mbar 에서 검은색으로 변하고 1.9Mbar에서는 투명한 빨간색이 되고, 3Mbar에서 마침내 무색 투명해진다. 이런 모든 동소체들은 절연체와 electrides로 쓰인다. 

 소듐 또는 소듐 화합물이 불꽃에 들어가면 노란색 빛을 내게 되는데, 소듐의 들뜬 3s 전자가 빛을 방출하며 3p에서 3s로 떨어지기 때문이다. 이 광자가 가진 파장은 D line이라 하고 589.3nm이다. 3p 오비탈에 있는 전자가 스핀-궤도 상호작용을 하기 때문에 D 라인은 두개로 갈라지게 되는데, 초미세 구조hyperfine structures라고 한다.

화학적 성질


소듐의 방출 스펙트럼, D 라인을 보여주고 있다.


불꽃 반응에서 밝은 노란색이 나오는 것은 소듐이 있다는 것이다.

 소듐은 일반적으로 포타슘보다도 반응성이 적고 리튬보다는 반응성이 크다. 모든 알칼리 금속이 그렇듯이, 물과 발열반응을 하며, 표면적이 넓은 조각을 넣으면 구형으로 녹으면서 폭발할 수도 있다. 이 반응은 수산화 소듐과 폭발성의 수소 기체를 만들어낸다. 건조한 공기 속에서 태우면, 과산화 소듐과 산화 소듐이 주로 생성된다. 습한 공기 속에서는 수산화 소듐이 얻어진다. 소듐 금속은 환원성이 커서, 소듐 이온을 환원시키려면 -2.71V가 필요하지만 포타슘과 리튬의 경우 더 음의 전압이 필요하다. 그러므로, 소듐 화합물에서 소듐 금속을 추출하는 것은 상당한 양의 에너지를 사용하게 된다.


동위원소

 소듐의 20개의 동위원소가 알려졌지만 ²³Na만이 안정하다. 방사성이면서 우주선에 의해 생겨난cosmogenic 두 동위원소인 반감기가 2.6년인 ²²Na과 반감기가 15시간인 ²⁴Na는 우주선에 의한 핵파쇄 과정의 부산물이다. 나머지 모든 동위원소는 반감기가 1분보다도 짧다. 두 핵 이성질체nuclear isomers가 알려져 있는데, ²⁴Na가 들떠서 준 안정상태가 되어 반감기가 약 20.2마이크로초인 ^24mNa가 있다. 핵 임계사고와 같은 급성 중성자선은 체내의 혈액에 있는 안정한 ²³Na를 ²⁴Na로 만든다. ²³Na와 비교해 ²⁴Na농도를 측정해서 희생자가 중성자선에 얼마나 노출되었는지를 계산한다.


 존재량

 ²³Na는 두 탄소 원자가 핵융합하여 만들어진다. 이 반응은 600MeK 이상의 온도와 최소한 태양 무게의 세배를 필요로 한다. 지구 지각 무게의 2.6%은 소듐이고, 지구에서 6번째로 많은 원소이다. 높은 반응성 때문에, 순수한 원소의 형태로 절대 발견되지 않는다. 매우 다양한 미네랄로 발견되며, 암염halite과 탄산소다natron처럼 물에 잘 녹는것도 있고 빙정석cryolite이나 장석feldspar처럼 물에 잘 안녹는 염도 있다. 빙정석이나 장석처럼 소듐염의 불용성은 장석의 경우 음이온이 polysilicate인 것처럼 다원자 음이온으로부터 기인한다. 성간 매질에서 소듐은 D line으로 검출한다. 소듐은 매우 높은 증발 온도를 가지고 있기 때문에, 금성의 대기에서 마리너 10 Mariner 10에 의해 소듐의 존재가 확인되었다.

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 화합물


염화 소듐의 구조이다. Na⁺과 Cl^- 를 중심으로 하는 팔면체 구조를 보여주고 있다. 이 구조는 물에서 녹을 때 붕괴되며, 물이 증발하면 다시 구축된다.

 소듐 화합물은 다양한 상업적 중요성이 있는데, 유리, 종이, 비누, 직물들을 생산하는 산업에서 중심이 된다. 소듐 화합물은 소금(table salt, NaCl), 소다회(soda ash, Na₂CO₃), 베이킹소다(baking soda, 중탄산나트륨, NaHCO₃), 수산화 소듐(caustic soda, NaOH), 질산 소듐(sodium nitrate, NaNO₃), 티오황산나트륨(sodium thiosulfate, Na₂S₂O₃·5H₂O), 붕사(borax, Na₂B₄O₇·10H₂O)가 있다. 이 화합물들은 소듐이 물과 음이온에 이온결합을 주로 하고 있고, hard Lewis acid로 분류한다.


 수용액
소듐은 물에 녹기 쉬운 화합물을 형성하는 경향이 있는데, 할로젠화물, 황산염, 질산염, 카복실염 그리고 탄산염의 경우가 그렇다. 물에 녹았을 때 존재하는 화학종으로는 [Na(H₂O)_n]⁺이며 이때 n=4에서 6이다. 소듐의 산소가 있는 리간드에 강한 친화도는 crown ethers의 기본을 만든다. macrolide계 항생제는 감염시키는 생명체에서  Na⁺전달을 방해한다.

소듐 염의 침전은 잘 일어나지 않는데, 소듐염 대부분이 물에 잘 녹기 때문이다. 다만 비스무트산 소듐sodium bismuthate(NaBiO₃)은 물에 잘 녹지 않는 예외이다. 그렇기 때문에, 소듐염은 주로 증발이나 에탄올과 같은 유기 용매를 통한 침전으로써 추출된다. 그 예로 에탄올에서 염화 소듐은 0.35g/L밖에 녹지 않는다. 5-crown-5와 같은 크라운이터Crown ethers는 상전이 촉매로 사용될 수 있다.

5-crown-5 구조식

 대량의 소듐이 들어가 있는 것에서 소듐의 양을 측정할 때는 대량의 uranyl zinc acetate를 사용한다.  (UO₂)₂ZnNa(CH₃CO₂)·6H₂O가 침전이 되고 이것의 무게를 잼으로써 소듐의 양을 측정하는 것이다. 세슘Cs나 루비듐Rb는 이 반응을 방해하지 않지만 포타슘K나 리튬Li는 방해하므로 주의해야한다. 적은 농도의 소듐을 측정할 때는 원자 흡광 분광법atomic absorption spectrophotometry 또는 이온 선택성 전극을 사용한 전위차적정법potentiometry을 이용해 결정한다.

전자화물Electride과 알칼리음이온sodide

 다른 알칼리 금속들 처럼 소듐은 암모니와 다른 아민들에 녹으면서 깊은 색이 나는 용액이 된다. 그리고 이런 용액들을 증발시키면 아주 얇은 금속 소듐만이 남는다. 용액은 배위결합화합물인 (Na(NH₃)₆)⁺을 포함하며, 양이온의 양전하는 전자가 음이온처럼 대응된다. 크라운이터처럼 크립탠드cryptand는 소듐 이온에 대해 높은 친화도를 가지고 있다. 알칼리음이온Na^-의 유도체들은 소듐이 녹은 암모니아 용액속에서 크립탠드를 넣으면 불균화반응disproportionation을 통해 얻어진다.

2.2.2-Cryptand 구조식

유기 소듐 화합물Organosodium compounds

소듐 복합체의 구조(Na⁺는 노란색)와 항생제 모넨신-A, monensin-A

 많은 유기소듐화합물들은 만들어졌다. C-Na 결합의 높은 극성때문에, 탄소음이온의 원료처럼 행동한다. NaC₅H₅(sodium cyclopentadienide)과 (C₆H₅)₃CNa(trityl sodium)처럼 잘 알려진 유도체도 있다.


 역사

 소금Salt은 로마시대 군인들에게 봉급으로 지급되었는데 그걸 salarium이라고 한다. 영어 단어 중 급료salary는salarium에서 나왔는데, 그만큼 소금은 인간 활동에 있어서 중요했다. 중세 유럽에서 라틴어sodanum은 소듐 화합물을 가르켰는데 두통 치료제로 사용되었다. 소듐Sodium이라는 이름은 두통이라는 뜻의 아라비어 suda에서 유래했고 탄산소듐의 두통을 심하게 하는 성질이 일찍이 알려졌기 때문이다. 화학명칭으로써의 소듐은 베르셀리우스Jöns Jakob Berzelius가 처음으로 원소 기호로써 사용했다. 소듐의 화학 약어는 Na로, 수화 탄산소듐을 뜻하는 이집트어 나트론natron에서 유래한 새로운 라틴어 나트륨Natrium으로부터 유래되었다.  나트론은 역사적으로 몇가지 중요한 상업용 및 가정용 용도가 있었는데, 후에 다른 소듐 화합물로 대체되었다. 가끔씩 소다soda로 불리는 소듐은 여러 화합물에서 존재가 인식되었지만 금속 그자체로는 1807년 험프리 데이비경Sir Humphry Davy이 수산화 소듐을 전기분해하여 얻을때까지 발견되지 못했다.

 소듐은 불꽃에서 강한 노란 빛을 낸다. 1860년대 초, 키르히호프Kirchhof와 분젠Bunsen은 불꽃 반응에서 소듐의 높은 감도를 기록했고, 물리 화학 연보『Annalen der Physik und Chemie』에 다음과 같이 기고했다.

크기가 60 m³인 방 구석에 기구로부터 가장 먼 곳에서 3mg을 연소시켰다. 우유와 소금, 염화소듐(sodium chlorate with milk sugar)을 연소시키면서 슬릿 뒤로 불꽃을 관찰했다. 밝은 노란 빛이 빛나는 강한 소듐 선이 10분 후에 사라졌다. 소듐염의 질량과 방 안에 있는 공기의 부피로부터 우리는 공기중에 소듐의 무게가 1/2천만 이상을 포함할 수 없다는 것을 계산했다. 

 상업적 생산법

 요즘은 매년 금속 소듐을 10만톤 생산하는 방법으로 소듐을 생산해낸다. 금속 소듐이 상업적으로 처음 생산된 것은 1855년 Deville process으로 알려진 방법으로 탄산소듐sodium carbonate을 탄소를 넣고 1100℃까지 올리고 가열하는 방법이다.

Na₂CO₃ + 2 C → 2 Na + 3 CO

 수산화소듐의 환원에 기초를 둔 비슷한 반응도 1886년에 개발되었다.

 소듐은 이제 1924년에 특허 등록된 과정에 기초한 녹은 염화 소듐의 전기분해를 통해 상업적으로 생산한다. 이 과정은 염화 칼슘이 혼합된 NaCl이 있는 Downs Cell에서 진행되는데, 염화 칼슘을 혼합함으로써 녹는점이 700도로 낮아진다. 칼슘이 소듐보다 전기음성적이기 때문에 음극에서 칼슘은 생성되지 않는다. 이 방법은 수산화 소듐을 전기분해하는 종전의  Castner process법 보다 덜 비싸다.

 시약 수준의 소듐은 2009년에 1kg당 3.30$에 거래되었으며, 이보다 순도가 낮은 금속은 더 낮은 가격에 거래되었다. 소듐 시장은 가격이 매우 유동적인데, 소듐은 산화 소듐이나 과산화 소듐의 표면 막의 형성을 막기 위해 비활성 기체 또는 무수 미네랄 오일 하에서 보관해야 하므로 보관과 운송이 어렵기 때문이다.  소듐의 산화물은 유기 물질의 존재하에서도 폭발적으로 반응한다. 소듐은 가열된 공기 속에서 폭발적으로 연소도 할 수 있다. 적은 양의 소듐은 훨씬 더 비싸서 1kg당 165$ 범위에서 거래되고 있으며, 높은 가격은 위험 물질로써 운송 비용이 증가하기 때문이다. 


 자유 원소

 금속 소듐은 수소화붕소 소듐sodium borohydride, 아지드화 소듐sodium azide, 인디고indigo, 트리페닐포스핀triphenylphosphine을 생산할 때 주로 사용된다. 전에는 사에틸납tetraethyllead과 금속 티타늄의 생산에 사용되었는데, 사에틸납과 티타늄의 사용이 중지되어서 1970년대 이후로 소듐의 생산이 줄어들었다. 소듐은 금속 합금에 anti-scaling agent로써 사용되고, 다른 물질이 효과가 없을 때 금속의 환원제로써 사용된다. 소듐 증기 등은 도시의 가로등에 자주 쓰이는데, 색은 노란색, 주황색에서 압력이 올라갈 수록 연분홍색이 된다. 소듐 자체 또는 포타슘과 함께 있으면 제습제로도 사용되는데, 제습제가 건조할 때 벤조페논benzophenone과 함께 있으면 진한 파란색을 띤다. 유기 합성에서, 소듐은 Birch reduction과 같은 다양한 반응에 사용되고 sodium fusion test에서는 정량 분석을 하는 데 사용된다. 소듐을 사용하여 D line을 방출하는 레이저는 광학 망원경에 사용되기도 한다.


 열 전도


NaK의 phase diagram, 소듐의 녹는점을 포타슘의 농도에 따라 그래프를 그렸다. 포타슘이 77%있는 NaK가 공융점eutectic이며 NaK의 가장 낮은 녹는점은 -12.6℃이다.

 높은 열 전도율과 낮은 중성자 흡수 단면적을 가지고 있기 때문에 액체 소듐은 몇몇 열반응로에서 열전달 액체로 사용된다. 소듐 사용의 단점은 불투명함과 폭발성이다. 반응로가 작동 할 때 중성자 활성화에 의해 생성되는 방사성 소듐-24는 약간의 방사성 위험을 가지며, 방사성은 반응로가 중단된 후 수 일이 지나야 사라진다. 만약 반응로가 수시로 중단될 필요가 있다면, NaK가 사용되는데, 실온에서 액체이면서 냉각관이 얼지 않기 때문이다.


 화합물


두가지 구조이지만 스테아린산 소듐sodium stearate을 나타내는 데, 전형적으로 쓰이는 비누이다.

 대부분의 비누는 지방산의 소듐 염이다. 소듐 비누는 포타슘 비누에 비해 더 딱딱한(더 높은 녹는점을 가지는) 비누이다. 염화 소듐은 보존제로써 방빙(防氷, anti-icing) 역할을 위해 널리 쓰인다. 많은 경우에 포타슘이 더 좋은 이온이지만 더 낮은 가격과 원자량 때문에 많은 중요한 약품들은 소듐을 생체적합도 향상을 위해 가지고 있다. 수산화 소듐은 유기화학에서 알돌 반응과 같은 많은 반응의 염기로써 사용되고, 무기화학에서는 환원제로써 사용된다.



 생물학적 역할

 인간에게 소듐은 혈액 양, 혈압, 삼투압과 pH를 조절하는 필수 영양소이기 때문에 매일 500mg을 최소 섭취해야한다. 염화 소듐은 식단에서 주된 소듐 섭취 경로인데, 대부분의 식품들이 가지고 있기 때문이다.미국인들은 매일 3.4g의 소듐을 소모한다. 레닌-안지오텐신 조직renin-angiotensin system은 신체 내의 채액과 소듐의 양을 조절한다. 신장에서의 혈압과 소듐 농도가 적으면 알도스테론aldosterone과 안지오텐신angiotensin으로 만들어질 수 있는 레닌renin의 생산이 되고, 소듐의 농도는 정상이 된다. 소듐은 뉴런 기능과 세포와 세포외액extracellular fluid 사이의 삼투압 조절에 중요한데, 모든 동물에서 소듐의 농도 분배는 Na⁺/K⁺-ATPase가 조절한다. 그 결과로 세포외액에서 소듐은 가장 많은 양이온이다.

 C4 경로로 광합성을 하는 식물C4 plants에서, 소듐은 대사과정에서 적은양만 필요로 하는 영양소이고, 엽록소의 합성과 phosphoenolpyruvate의 재생산에 관여한다. 다른 식물들은 포타슘이 팽압turgor pressure 유지와 기공의 열림과 닫힘을 조절하는 기능과 같은 몇몇 역할들을 대체한다. 소듐이 토양에 과다하게 있으면 삼투압이 떨어져 물을 빨아들이는것이 제한이 되고, 시들게 된다. 세포질에서도 농도가 높아지면 효소의 비활성화가 일어나고, 식물이 죽게된다. 이런 문제를 피하기 위해서, 식물은 뿌리에서 소듐을 흡수하는 농도를 제한하는 메카니즘을 개발했고, 세포의 액포에서 보관하고, 더 긴 시간 동안 소듐을 조절할 수 있게 되었다.


 주의 사항

원소 소듐을 다룰 때는 세심함이 필요한데, 물과 닿았을 대 폭발할 수 있고 가연성의 수소를 생산하고 위험한 수산화물을 생산하기 때문이다. 소듐 파우더는 공기중의 산소와 닿아 폭발할 수 있다. 적은 양의 소듐은 환기가 잘 되는 곳에서 이소프로판올, 에탄올과 물로 안전하게 제거할 수 있다. 이소프로판올은 반응이 매우 느리고, 알콕사이드와 수소기체를 생산한다. 물로 작동되는 소화기는 소듐 화제를 더 키울 뿐이며, 이산화탄소 또는 브로모클로로디플루오로메테인bromochlorodifluoromethane이 소화제인 소화기는 효과가 적다. 가장 효과적인 소화제는 Met-L-X으로, 염화 소듐 속에 있는 약 5% Saran으로 구성된 화합물이다.