Il sodio metallico (simbolo Na) è un elemento del primo gruppo della tavola periodica, quello dei metalli alcalini. Questi metalli possiedono un unico elettrone nel guscio esterno e tendono a cederlo facilmente: perciò il sodio è estremamente reattivo, soprattutto con l’acqua, con cui produce tramite una reazione esostermica idrossido di sodio (NaOH), idrogeno gassoso (H2) e calore sufficienti a innescare l'esplosione. In questo articolo vediamo in dettaglio la chimica del sodio, dove si trova in natura e le sue principali applicazioni.
La reazione esplosiva del sodio con l'acqua
Per capire come mai il sodio esplode a contatto con l’acqua, dobbiamo conoscere la struttura dell’atomo di sodio. L’atomo di sodio presenta 11 protoni e 11 elettroni, i quali sono distribuiti su tre livelli: 2-8-1. L’elettrone del terzo livello è poco legato al nucleo e viene ceduto con facilità. Infatti non appena il sodio entra a contatto con l'acqua, il sodio cede il suo elettrone tramite la seguente reazione chimica.
2 Na + 2 H2O ⟶ 2 NaOH + H2 + calore
Il calore sviluppato poi permette all'idrogeno di reagire con l'ossigeno presente nell'aria, bruciando e causando l'esplosione.
2 H2 +O2 ⟶ 2 H2O
Dove si trova il sodio metallico in natura e come si ottiene
Il sodio puro non si trova mai in natura, poiché è sempre legato ad altri elementi. Ad esempio, se unito al cloro, forma il cloruro di sodio, meglio conosciuto come sale da cucina o sale marino. Per questo motivo, il sale da cucina non esplode a contatto con l’acqua: il sodio è legato al cloro e non si trova nella sua forma elementare.
La maggior parte del sodio presente in natura si trova negli oceani, sotto forma di cloruro di sodio. Infatti, gli oceani contengono circa 4 × 10¹⁹ kg di questo sale, ovvero 40 miliardi di miliardi di chilogrammi. Se raccogliessimo tutto questo sale, otterremmo un cubo gigante con un lato di 265 km, grande quanto la distanza che separa Milano da Venezia.
Ad ogni modo, il sodio può essere anche trovato in altri minerali, come silicati, solfati e carbonati. Infatti, il simbolo chimico "Na" deriva da "Natrium", che fa riferimento al "natrun", il nome arabo per il carbonato di sodio idrato, un minerale che contiene sodio.
Di conseguenza, per ottenere il sodio puro, si utilizzano diversi processi chimici che separano il sodio dagli altri elementi. Uno di questi è il processo Downs, in cui il cloruro di sodio viene fuso (cioè reso liquido). In questo liquido, si inseriscono due elettrodi e si applica una differenza di potenziale. Grazie a questo, il cloruro di sodio cede un elettrone al sodio, che si deposita su uno degli elettrodi sotto forma di sodio puro, mentre sull’altro elettrodo si forma cloro gassoso puro.
Al catodo si riduce il catione sodio Na⁺ → Na (l); all’anodo si ossida l'anione cloruro Cl⁻ → ½ Cl₂ (g).
A cosa serve il sodio metallico
Il sodio metallico viene utilizzato nei laboratori di ricerca per esperimenti specifici, nella metallurgia per l'estrazione del titanio (Ti) e anche in alcuni reattori nucleari come liquido refrigerante. Un campo di ricerca molto promettente riguarda le batterie al sodio. Oggi, le batterie più comuni sono quelle al litio, ma il litio è una "critical raw material", quindi si cerca di sostituirlo con il sodio, che è molto più abbondante. Recentemente, un team di ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology ha sviluppato un prototipo di batteria al sodio che ha mostrato buone prestazioni.
Tuttavia, le batterie al sodio presentano alcuni svantaggi rispetto a quelle al litio. Ad esempio, hanno una densità energetica inferiore, il che significa che trasportano meno energia per unità di peso. Per fare un confronto, una batteria al sodio tipica ha una densità energetica di circa 160 Wh/kg, mentre una batteria al litio commerciale può arrivare a circa 250 Wh/kg. Questo comporta una minore autonomia per le batterie al sodio.
Nonostante ciò, la ricerca sulle batterie al sodio è molto promettente. In futuro, potrebbero rappresentare un'alternativa più economica e sostenibile, particolarmente in settori dove non è necessaria la stessa potenza delle batterie al litio.
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