나트륨(Sodium, Natrium, Na)의 성질과 이용

• 원자번호：11
• 족：1족(3주기)
• 원자량：22.993
• 밀도：0.97 g·cm-3
• 각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 1
• mp：97.8℃ / bp：883℃

나트륨 원소의 성질

나트륨은 지구상에 6번째로 풍부하게 존재하는(지각의 2.63%) 원소로서, 화학반응성이 대단히 강한 밝은 은빛 금속이다. 금속으로 분류되지만 나트륨은 물보다 가볍고, 칼로 자를 수 있을 정도로 무른 물질이다.

‘나트륨(natrium)’은 라틴어이고, 영어는 소듐(sodium)이라 한다. 나트륨의 가장 중요한 화합물인 소금을 영어로는 ‘sodium chloride’라 부르고, 우리말 화학명은 ‘염화나트륨’이라 한다. 영어 sodium은 ‘soda’에서 유래한 말이다.

나트륨 원소는 영국의 화학자 데이비(Humphry Davy 1778-1829)가 1807년에 처음 순수하게 분리했다. 그는 수산화나트륨(NaOH)을 전기분해하는 방법으로 나트륨을 뽑아냈다. 수산화나트륨(Na+Cl-)은 이온결합을 하고 있는 알칼리성 화합물이다. 그러므로 액체상태의 수산화나트륨에 전극을 꽂고 고압 전류를 보내면 음극으로 나트륨 이온(Na+)이 끌려가 모인다. 전자 1개를 잃은 양이온 상태의 나트륨은 액체 속에서 음극으로 쉽게 이동할 수 있다.

오늘날에는 염화나트륨(NaCl 소금)을 가열하여 녹인 것에 전극을 꽂아 나트륨을 생산한다. 이때 나트륨 원자는 음극에 모이고, 양극에서는 염소가 생산된다.

나트륨 원소는 화학반응성이 강하기 때문에 자연계에는 순수한 상태로 존재하지 않는다. 나트륨을 온전하게 보존하려면 공기나 습기와 접촉하지 않도록 석유(kerosene, kerosine)와 같은 액체 속에 저장하고 있다.

나트륨을 물에 넣으면 폭발하듯이 표면에서 지글지글 거품을 내면서 녹아들어간다. 나트륨은 98℃이면 녹아 액체 상태로 된다. 그러므로 나트륨을 운반할 때는 온도를 내려 고체 상태로 만들어 탱크에 담고, 탱크에서 들어낼 때는 전기 히터로 온도를 높여 액상(液狀)으로 되었을 때 펌프로 뽑아낸다.

나트륨의 이용

순수한 나트륨의 용도는 특별하다. 액체 나트륨은 원자로에서 핵반응 속도를 조절하는 감속제로 쓰인다. 나트륨은 비열(比熱-온도를 높이는데 필요한 에너지 양)이 아주 크기 때문에, 원자로에서 발생한 열을 외부로 전달했다가 물을 끓이도록 하는 ‘열 전달 물질’로도 이용된다.

나트륨화합물 중에 소금(염화나트륨)은 인류에게 참으로 중요한 물질이다. 지하에서 암염(巖鹽)이나 바다에서 천일염으로 생산하는 소금의 소비량은 엄청나다. 급료를 영어로 샐러리(salary)라 하는 것은 로마시대에 군인들에게 급료로 당시 귀한 물질이던 소금(라틴어로 sal)을 준 데서 비롯되었다고 한다.

수산화나트륨(NaOH)은 매우 중요한 나트륨 화합물이다. 이것은 주로 염화나트륨 용액을 전기분해하여 만든다. 흔히 ‘가성소다’라고 부르기도 하는 수산화나트륨은 지방질을 녹여버리므로, 막힌 하수구를 청소할 때, 기름기를 씻어낼 때 세제로 쓴다. 그러므로 피부에 수산화나트륨이 묻으면 위험하다. 지방질과 수산화나트륨이 결합하면 물에 녹는 비누가 된다.

중요 나트륨 화합물

중요한 나트륨 화합물에 탄산나트륨(Na2CO3)이 있습니다. 통칭 양잿물 또는 ‘세탁소다’라 부르는 이 화합물은 소금과 석회석을 화합시켜 만들며, 세탁용 세제로 많이 사용한다. 식물을 태운 재에는 탄산나트륨이 포함되어 있다. 그래서 옛 사람들은 나무의 재를 물에 담가 우려낸 물을 ‘잿물’이라 하여 세탁에 사용했다. 공업적으로 대량 만든 탄산나트륨이 상품으로 나오자, 우리나라에서는 이를 ‘서양잿물’ 또는 ‘양잿물’이라 부르게 되었다.

이 외에 중탄산나트륨(NaHCO3)은 중탄산소다, 중조(重曹), 베이킹파우더 또는 탄산수소나트륨이라고도 불린다. 이것은 일상생활에서 중요한 용도를 가진 물질이다. 빵을 만들 때 밀가루 반죽에 이것을 소량 섞어 열을 주면, 중탄산나트륨은 분해되어 물과 탄산나트륨과 이산화탄소로 변한다. 이때 발생한 이산화탄소 기체는 기포가 가득한 빵이 되도록 한다. 이런 빵은 이스트(빵 곰팡이)로 발효시킨 것처럼 씹기도 편하고 소화가 잘 되도록 부풀어 있다.

중탄산나트륨은 위산(胃酸)을 중화시키는 작용을 하기 때문에 위산과다 환자는 이것을 제산제로 쓰기도 한다. 또한 가정이나 사무실에 비치한 비상용 소화기(消火器)에도 이 물질이 들어 있다. 소화기를 동작시키면 내부에 따로 담아둔 황산과 중탄산나트륨이 섞이면서 화합하여 대량의 이산화탄소를 발생함으로써 불을 진화한다.

나트륨의 몇 가지 동위원소 중에 Na-24는 생물학 연구에 중요하게 쓰인다. 소금 분자의 나트륨 성분을 나트륨-24로 만들면(표지標識를 하면) 소금이 인체 혈관을 따라 이동하는 상황이나 화학변화 과정을 추적할 수 있다. 인체 내의 소금 함량은 의학적으로 매우 중요한 문제이다. 나트륨-24의 반감기는 약 15시간이다.

나트륨을 전기로 가열하면 그 증기는 황색 빛을 낸다. 이 빛은 파장이 매우 일정하므로 광학실험에 이용한다. 또 나트륨 가스를 채운 황색 빛을 내는 가로등은 전력소모가 적으면서 밝은 빛을 낸다. 그리고 나트륨등의 황색은 산란이 적어 멀리서도 잘 보이기 때문에 고급차에서 미등(尾燈)으로 사용한다.