最終更新日：2024年11月30日

ナトリウム (Z=11)：生命の基本電解質

ナトリウムの発見の歴史

ナトリウム化合物、特に食塩（塩化ナトリウム、NaCl）は、古代から食品の保存や交換手段（ラテン語のsalariumから「給料」という言葉が生まれた）として知られ、使用されてきました。しかし、金属ナトリウムは19世紀初頭、電気化学の進歩により初めて単離されました。

1807年、イギリスの化学者ハンフリー・デイビー（1778-1829）は、溶融した苛性ソーダ（水酸化ナトリウム、NaOH）の電気分解により、初めて金属ナトリウムを単離しました。カリウムを同じ方法で単離した数日後、デイビーは光沢のある極めて反応性の高いナトリウムの小球を生成することに成功しました。彼は、この金属が空気中で急速に酸化し、水と激しく反応して水素ガスを放出することを観察しました。

デイビーはこの元素をナトリウム（アラビア語のsuwwadまたはsudaに由来する英語の「soda」から、ソーダを抽出するための特定の植物を指す）と名付けました。化学記号Naは、古代エジプトから使用されてきた天然の水和炭酸ナトリウム（natron）に由来するラテン語のnatriumから来ています。この発見は、アルカリ金属の体系的な研究の始まりを告げ、元素の化学に対する理解を革命的に変えました。

構造と基本的な性質

ナトリウム（記号Na、原子番号11）は、周期表の1族に属するアルカリ金属で、11個の陽子、通常12個の中性子（最も一般的な同位体の場合）、および11個の電子から構成されています。唯一の天然安定同位体はナトリウム-23 \(\,^{23}\mathrm{Na}\)（天然存在比100％）です。
室温では、ナトリウムは銀白色の柔らかい金属で、ナイフで切ることができるほど柔らかいです。その密度は比較的低く（≈ 0.968 g/cm³）、水よりも低いため、水と激しく反応しなければ水に浮くでしょう。ナトリウムは非常に反応性が高く、空気中で急速に酸化し、水と激しく反応して水酸化ナトリウムと水素ガスを生成します。この反応は発熱反応であり、生成された水素を発火させるほどの熱を発生します。
ナトリウムは、酸化を防ぐために鉱油中または不活性ガス（アルゴン）中に保存する必要があります。優れた電気伝導性と熱伝導性を持ち、アルカリ金属の典型的な特性です。
液体と固体が共存できる温度（融点）：370.944 K（97.794 °C）。液体から気体に変化する温度（沸点）：1156.090 K（882.940 °C）。

ナトリウムの同位体表

ナトリウムの同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
ナトリウム-22 — \(\,^{22}\mathrm{Na}\,\)	11	11	21.994437 u	宇宙線生成	2.602年	β\(^+\)崩壊および電子捕獲により \(\,^{22}\mathrm{Ne}\) を生成；宇宙線により生成；核医学で使用。
ナトリウム-23 — \(\,^{23}\mathrm{Na}\,\)	11	12	22.989769 u	100 %	安定	唯一の安定同位体；生物学的機能に不可欠；すべてのナトリウム化合物の基礎。
ナトリウム-24 — \(\,^{24}\mathrm{Na}\,\)	11	13	23.990963 u	非天然	14.997時間	β\(^-\)崩壊により \(\,^{24}\mathrm{Mg}\) を生成；医療および産業でトレーサーとして使用；強いガンマ線放出。
ナトリウム-25 — \(\,^{25}\mathrm{Na}\,\)	11	14	24.989954 u	非天然	59.1秒	β\(^-\)崩壊；原子炉で生成。
ナトリウム-26 — \(\,^{26}\mathrm{Na}\,\)	11	15	25.992633 u	非天然	1.071秒	β\(^-\)崩壊；半減期が短い。
その他の同位体 — \(\,^{18}\mathrm{Na}-\,^{21}\mathrm{Na},\,^{27}\mathrm{Na}-\,^{37}\mathrm{Na}\)	11	7-10, 16-26	— (共鳴)	非天然	\(10^{-21}\) — 0.301秒	核物理学で観察される非常に不安定な状態；一部は中性子ハロー構造を持つ。

ナトリウムの電子配置と電子殻

N.B. :
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ.

ナトリウムは11個の電子を持ち、これらは3つの電子殻に分布しています。ナトリウムの完全な電子配置は1s² 2s² 2p⁶ 3s¹、または簡略化すると[Ne] 3s¹です。この配置はK(2) L(8) M(1)とも表記されます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1): 1s軌道に2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2): 2s² 2p⁶として8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3): 3s軌道に1個の電子のみを含みます。この単一の価電子は核に非常に弱く結合しており、化学反応で非常に容易に失われます。

価電子と酸化状態

外殻（3s¹）の単一の電子はナトリウムの価電子です。この配置はナトリウムの化学的性質を説明します：
3s電子を失うことで、ナトリウムはNa⁺イオン（酸化状態+1）を形成し、これはナトリウムのすべての化合物における唯一かつ系統的な酸化状態です。
Na⁺イオンはネオン[Ne]と同じ電子配置を採用し、このイオンに最大の安定性を与えます。
ナトリウムは他の酸化状態を示しません。化学では+1の状態のみが観察されます。

ナトリウムの電子配置は、価電子殻に単一の3s電子を含み、周期表のアルカリ金属（第1族）に分類されます。この構造は、非常に高い化学反応性（水と激しく反応し、水素と熱を放出し、湿った空気中で自然発火します）、非常に低いイオン化エネルギー（価電子は極めて容易に除去できます）、および酸化状態+1のイオン化合物の排他的な形成といった特徴的な性質を与えます。ナトリウムは柔らかい銀色の金属で、酸化から保護するために鉱油中または不活性雰囲気中で保存する必要があります。価電子を失う極めて強い傾向は、ナトリウムを最も強力な還元剤の一つおよび最も反応性の高い金属の一つにします。その生物学的重要性は基本的です：Na⁺イオンは、生物の水分バランスの調節、神経インパルスの伝達、および細胞の膜電位の維持において重要な役割を果たします。化学では、金属ナトリウムは強力な還元剤として使用され、その化合物は至る所に存在します：塩化ナトリウムNaCl（食塩）、水酸化ナトリウムNaOH（苛性ソーダ）、炭酸ナトリウムNa₂CO₃、および重炭酸ナトリウムNaHCO₃は、最も広く使用されている工業用化学製品の一部です。

化学的反応性

ナトリウムは最外殻に1つの価電子を持ち、これを容易に放出して安定な希ガス電子配置のナトリウムイオン（Na⁺）を形成します。この高い電気陽性度により、ナトリウムは強力な還元剤であり、極めて反応性の高い金属です。

ナトリウムは水と激しく反応し、次の反応を起こします：2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂（ガス）。この反応は発熱反応であり、ナトリウムを溶かし、生成された水素を発火させ、ナトリウム原子の励起による特徴的な黄色の炎を生じます。空気中の酸素と反応すると、ナトリウムは急速に酸化ナトリウム（Na₂O）と過酸化ナトリウム（Na₂O₂）の層を形成し、その光沢ある表面を曇らせます。

ナトリウムはハロゲン（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素）と反応してハロゲン化物を形成します。その中で最もよく知られ、生物学的に重要なのは塩化ナトリウム（NaCl、食塩）です。また、水素と反応して水素化ナトリウム（NaH、有機化学で強力な還元剤として使用）を形成し、液体アンモニアと反応して溶媒和電子を含む特徴的な青色溶液を形成します。

生物において、ナトリウムイオン（Na⁺）は絶対に不可欠な生理的役割を果たします。それは主要な細胞外カチオンであり、浸透圧のバランスを維持し、血液量と血圧を調節します。ナトリウムは、神経インパルスの伝達と筋肉の収縮に不可欠であり、ナトリウム-カリウムポンプ（Na⁺/K⁺-ATPase）が細胞膜を介した電気化学的勾配を維持します。ナトリウムの不均衡（低ナトリウム血症または高ナトリウム血症）は、重篤な場合には致命的な結果をもたらす可能性があります。

ナトリウムの産業および技術的応用

人間および動物の栄養における必須電解質（塩化ナトリウム、食塩）として；
化学工業において、塩の電気分解により水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）を生産；
ガラス、洗剤、紙の生産に使用される炭酸ナトリウム（ソーダ）を製造；
金属精錬における還元剤として、チタンやジルコニウムなどの金属を鉱石から抽出；
都市の公共照明に使用されるナトリウム蒸気ランプで、効率的な黄色からオレンジ色の光を生成；
高速中性子原子炉（液体ナトリウム）の熱伝達流体として；
かつてガソリンのアンチノック剤として使用されたテトラエチル鉛を生産（使用中止）；
有機合成における強力な脱水剤および還元剤として；
金の抽出およびメッキに使用されるシアン化ナトリウムを製造；
風味を高め、保存するための食品添加物（グルタミン酸ナトリウム、安息香酸ナトリウム）として；
大規模エネルギー貯蔵のためのナトリウム硫黄電池；
潜水艦や宇宙船の空気再生システムで使用される過酸化物および超酸化物を生産；
特殊な金属合金の成分として；
製薬業界で酸を中和し、pHを調整；
水処理（次亜塩素酸ナトリウムを消毒剤として使用）；
核医学における放射性トレーサー（ナトリウム-24）；
水酸化ナトリウムを用いた脂肪の鹸化による石鹸の製造；
冬季の道路の除氷（塩化ナトリウム、融雪剤）；
繊維の処理および染色のための繊維産業；
適応光学天文学で使用されるナトリウム導波路レーザーの光源として。

天体物理学および宇宙論における役割

ナトリウムは宇宙において比較的豊富な元素であり、宇宙存在度で約14位にランクされています。それは完全に恒星核合成によって生成され、主に大質量星で生成されます。

ナトリウム-23は、大質量星内で複数の核プロセスによって合成されます。主なメカニズムは、約6億から8億ケルビンの温度での炭素燃焼であり、2つの炭素-12原子核の融合によりナトリウム-23と1つの陽子（¹²C + ¹²C → ²³Na + p）が生成されます。ナトリウムは、ネオン-20の光分解に続くアルファ粒子の捕獲、または燃焼する恒星層におけるマグネシウムを伴うプロセスによって、ネオン燃焼中にも生成されます。

超新星爆発では、ナトリウムが大量に生成され、星間物質中に放出されます。 II型超新星（大質量星の重力崩壊）とIa型超新星（白色矮星の熱核爆発）の両方が、ナトリウムの銀河系への豊富化に寄与しますが、メカニズムと収率は異なります。

星間物質中では、中性ナトリウム原子（Na I）が可視スペクトルに特徴的な吸収線を示します。特にナトリウムのD線（589.0 nmおよび589.6 nmの二重線）が挙げられます。これらの線は、1814年にジョセフ・フォン・フラウンホーファーによって太陽スペクトルで発見され、最も強く、容易に観測できる線の一つです。これらは星間物質の構造と動力学のトレーサーとして機能し、天文学者が星間のガス雲をマッピングし、ドップラー効果による速度を研究することを可能にします。

ナトリウムのD線はまた、恒星のスペクトルでも観測され、温度、化学組成、および恒星大気の運動に関する情報を提供します。これらの線の強度は恒星によって大きく異なり、恒星の金属量および銀河の化学進化に関連する化学的存在量の違いを反映しています。

太陽系では、ナトリウムがいくつかの驚くべき環境で検出されています。 薄いナトリウムのエクソスフェアが水星を取り囲んでおり、これは太陽風および微小隕石の衝突による表面のスパッタリングによって生成されます。このナトリウムのエクソスフェアは数万キロメートルにわたり広がり、彗星のような尾を示します。ナトリウムはまた、月のエクソスフェア、土星の衛星エンケラドゥスの間欠泉、および彗星の尾でも検出されています。

系外惑星の大気は、トランジット分光法によりナトリウムの存在が明らかになりました。系外惑星がその恒星の前を通過すると、惑星大気による恒星光の吸収が特徴的なスペクトルシグネチャを生成します。ナトリウムの線は、ホットジュピター型の系外惑星の大気で最初に検出されたものの一つであり、これらの遠い世界の組成、構造、および気象に関する重要な情報を提供します。

適応光学天文学では、ナトリウムレーザーが人工ガイドスターを作成するために使用されます。これらのレーザーは、地球の約90 km上空の中間圏層にあるナトリウム原子を励起し、点光源を生成します。これにより、大気の歪みをリアルタイムで測定および補正し、地上望遠鏡の解像度を大幅に向上させます。

N.B. :
塩のパラドックスは、ナトリウムと人間の健康との複雑な関係を示しています。ナトリウムは生命に絶対に不可欠です：ナトリウムがなければ、神経インパルスは伝播せず、筋肉は収縮せず、体の水分バランスは崩壊します。歴史的に、塩は非常に貴重で、交換手段として使用され、塩の交易路を支配するために戦争が行われました。しかし、現代社会では、ナトリウム（主に塩の形で）の過剰摂取が主要な公衆衛生問題となっており、高血圧、心血管疾患、脳卒中の原因となっています。世界保健機関は1日あたり5グラム未満の塩の摂取を推奨していますが、多くの先進国での平均摂取量は9-12グラムを超えています。この状況は、塩分が不足しがちな環境で進化した我々の生物学（ナトリウムの保存が重要であった）と、過剰な塩分が添加された加工食品が豊富な現代の食環境との間の不一致を反映しています。ナトリウムは、パラケルススが定式化した基本的な毒物学のルール、「すべては毒であり、何も毒ではない。量が毒を作る」を体現しています。