Els empèdocles moderns – Humphry Davy (1807) i l’element 11 (Na) – sodi (nilununi, Nuu)

L’alquímia reclamava sovint un origen diví. Un text fundacional era “Kore Kosmou” (la Donzella de l’Univers), atribuït a Hermes Trismegistus (Mercuris ter Marximus, Mercuri tres vegades el més gran, interpretació grega del déu Thihauti o Thoth, venerat a Egipte). En aquest text Isis explica al seu fill que “de les coses vivents, algunes són fetes amigues del foc, i d’altres de l’aigua, i d’altres de l’aire, i d’altres de la terra, i d’altres amb dos o tres d’aquests, i d’altres de tots ells. Per exemple, la llagosta i tots els insectes voladors fugen del foc; l’àliga i el falcó i tots els ocells d’alta volada fugen de l’aigua; els peixos, de l’aire i de la terra; la serp evita l’aire obert. Mentre que les serps i tots els rèptils amen la terra; tots els éssers nedadors amen l’aigua; els voladors, l’aire, dels quals són ciutadans; mentre que aquells que volen encara més amunt amen el foc i hi tenen l’hàbitat a prop. I no és que hi hagi altres animals que no amin el foc; per exemple, les salamandres, que hi fan casa. Això es deu al fet que un o altre dels elements formen la coberta exterior del cos. Cada ànima, en correspondència, mentre és el cos és pesada i constrenyida per aquests quatre”. Els quatre elements, doncs, formen una de les bases materials de l’alquímia. El mot mateix d’alquímica, remunta probablement de l’egipci, khmi, paraula que feia referència a la terra negra o fèrtil, sotmesa a inundacions anuals, de la Vall del Nil. El nom antic del país era, efectivament, Khmi (el País de Quemi), en contraposició al Dshrt (el Desert, la terra roja, la situada més enllà de la influència benefactora del riu). El nom “Egipte”, de fet, és una corrupció grega de Hwt-ka-Ptah, la Casa de l’Ànima de Ptah, un dels temples de la ciutat Men-nefer (Memfis), mentre que el nom “Misr” o “Mizraïm” és l’emprat pels pobles semítics. Hom suposa que el mot “khmi” podria haver influït el mot grec χημεία o χημία, que expressa el sentit de barreja, bé sòlida o líquida (suc). En tot cas, el mot grec és manllevat pels àrabs, الكيمياء, que en romànic dóna alquímia (alchimia). La sistematització veritable de l’alquímia, però, no la trobem fins a les obres de Jabir ibn Hayyan (721-815), un total de 3000 tractats escrits en àrab a la ciutat de Kufa. Jabir (Geber, en l’adaptació romànica) assum els quatre elements aristotèlics o hermètics, però els complementa amb dos principis, el principi de la combustibilitat (la pedra que crema, el sofre) i el principi de la metal·licitat (identificat amb el mercuri o argent líquid). Posteriorment, encara s’afegirà un tercer principi, el de la solidesa (identificat amb la sal). Philip von Hohenheim (1493-1541) és una figura rellevant en l’alquímia europea. Ell mateix es presentava així “Sóc Teofrast, i més gran que aquells amb els qui em compareu; sóc Teofrast, i a més sóc el monarca dels metges i puc demostrar-vos allò que no podeu demostrar”. En llatí signa de vegades com a Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus, i es comprèn quin és l’origen del significat actual de la paraula “bombàstic”. Se’l coneix millor per un dels seus pseudònims, Paracelsus, homenatge a l’enciclopedista romà Aulus Cornelius Celsus, del qual tan sols ens ha arribat el volum sobre la medicina i referències sobre un altre dedicat a l’agricultura. Paracels, d’acord amb la tradició alquímica, combina els quatre elements, amb els tres principis (tria prima). Així explica la natura de la combustió de la llenya en el foc: el principi mercurial, principi cohesiu, es manifesta en la volatilitat (fum); el principi sulfúric, principi combustible, es manifesta en la inflamabilitat (llum i calor); el principi salat, principi sòlid, es manifesta en el residu (les cendres).

Un esquema alquímic de les relacions entre els principis o arrels materials. La “prima materia”, que pot ser-ho tot i no és res, es diferencia entre els elements fixos (identificats amb la sal celestial) i els elements volàtils (identificats amb el nitre celestial). La sal celestial es desdobla entre la terra i l’aigua, mentre que el nitre celestial ho fa entre l’aire i el foc. El principi combustible o sofre, es relaciona amb l’aire i el foc. El principi metàl·lic o mercuri, ho fa amb l’aigua i l’aire. El principi sòlid o sal, ho fa amb la terra i l’aigua.

Humphry Davy i la descoberta del sodi

Sir Humphry Davy, retratat per Thomas Phillips (mort el 1845)

Humphry Davy (*Pennsans, Cornualla, 17.12.1778) recordava anys després el seu període d’infantesa, dient que “em considero afortunat pel fet que em deixessin al meu aire, i no em col·loquessin sota cap pla particular d’estudi”. La seva instrucció anà a càrrec de Robert Dunkin (1761-1831), un selleter quàquer. Dunkin, apassionat de les matemàtiques i de les ciències, obrí un negoci d’instrumental tècnic i científic. Les demostracions experimentals de Dunkin foren la introducció de Davy a la filosofia natural. A Pennsans assistí a escola, i a 15 anys, anà a la Truro Grammar School. Els seus mestres no apreciaren gaire la llibertat amb la qual havia estat pujat el jove Humphry, i el reverend doctor Cardew escriuria en una lletra privada anys després, que “no vaig poder discernir les facultats amb les quals posteriorment seria tan distingit”. El 1794, es va morir el seu pare. De tornada a Pennsans, a través de Dunkin, va començar com a aprenent d’un dels cirurgians i apotecaris de la població, John Bingham Borlasse, signant el corresponent contracte el 10 de febrer del 1795. Entre el dispensari de Borlasse i en les golfes de casa de Dunkin, el jove Davy realitzava en les estones lliures experiments químics, com testimonien les queixes dels contemporanis sobre els corresponents accidents (explosions, vapors corrosius que feien malbé la roba, etc.). Les altres aficions de la joventut són la poesia (‘The Sons of Genius’, redactada el 1795) i la pintura.

Vista des de Gulval del Karrek Loos yn Koos (the Mount, en anglès), pintada per Davy vers el 1796

Davies Giddy (*Pennsans, 6.3.1767) era un dels interlocutors habituals de Davy sobre temes científics, com ara la natura material de la calor i del fred. Davy va fer estades a la casa de Giddy en Tredrea, en una de les quals Giddy el presentà al doctor Edwards. Edwards era professor de química a l’escola del St. Bartholomew’s Hospital, de Londres, però llavors residia a Heyl, on disposava d’un laboratori. Davy s’interessà en la corrosió que patien les comportes metàl·liques del port de Heyl (heyl, en còrnic, vol dir “estuari”) per l’acció de l’aigua marina.

A banda d’Edwards, Pennsans i altres localitats properes de Cornualla eren lloc d’estades de famílies angleses. La mare de Humphry, per exemple, acollí a casa seva Gregory Watt (*1777), fill del reconegut enginyer escocès, James Watt (1735-1819). La família Wedgwood, propietària d’una puixant indústria ceràmica, va passar a Pennsans un hivern, i Davy els va tractar.

D’altres visites angleses a Cornualla tenien una caràcter científic. Era el cas de la que feren Thomas Beddoes (1760-1808) i John Hailstone (1759-1847), convidats per Giddy. Els dos geòlegs representaven dues corrents, la plutònica i la neptuniana. El plutonisme o vulcanisme sostenia que la força motriu per explicar l’origen de les roques era l’activitat volcànica. El neptunisme considerava, però, que les roques s’havien originat a través d’un procés de cristal·lització de materials dissolts en l’oceà primigeni. L’estudi del litoral còrnic havia d’ajudar-los a resoldre les seves disputes. A través de Giddy, Davy conegué als dos reputats geòlegs. Beddoes havia creat recentment a Hotwells (Bristol) una “Institució Pneumàtica”, dedicada a l’estudi de la física i la química de gasos. Giddy recomanà Davy per a la posició d’ajudant d’aquesta Institució. D’altra banda, Gregory Watt mostrà a Beddoes papers que contenien recerques de Davy sobre la calor i la llum (“On Heat, Light, and the Combinations of Light”) i d’altres aspectes (“On Phos-oxygen and its Combinations”, “Theory of Respiration”), que Beddoes va incloure en el primer volum de “West-Country Contributions” (1798).

Giddy havia aconseguit de convèncer Beddoes sobre la idoneïtat de Davy, però més complicat fou convèncer la mare de Davy i a Donkin. Donkin creia que era preferible que Davy conclogués la seva formació com a cirurgià. D’altra banda, hi havia el contracte signat amb Borlase. Giddy aconseguí el vist-i-plau de Borlase i de la mare de Davy, però Donkin quedà tan disgustat que alterà el seu testament en detriment de Davy. El 2 d’octubre del 1798, Davy ingressava en la Institució Pneumàtica de Bristol. La principal activitat del centre era la recerca sobre les aplicacions mèdiques dels gasos facticis, és a dir dels gasos obtinguts a través de reaccions químiques bé de l’aire o d’altres materials, idea que Thomas Beddoes i James Watt ja havien exposat a “Considerations on the Medical Use and on the Production of Facticious Airs” (1794). La paga era prou bona com perquè Davy pogués cedir a la mare tots els drets sobre la propietat paterna. En principi, Davy tenia la intenció que l’estada a Bristol fos temporal i que eventualment marxés a Edinburgh, per tal d’estudiar-hi a la prestigiosa escola de medicina. L’ambient d’acollida a Bristol, particularment per part de la dona de Beddoes, Anna, el retindria.

A partir del 1799, la Institució Pneumàtica (“Pneumatic Institution for Relieving Diseases by Medical Airs”) esdevingué ja un centre mèdic. Entre els pacients que tractaren, a més de Gregory Watt, podem esmentar els literats Samuel Taylor Coleridge (1772-1834) i Robert Southey (1774-1843), o el jove i ric hereu John Lambton, llavors de set anys. Molts d’aquests pacients eren tractats amb aire nitrós (òxid nitrós, N₂O). Davy supervisava la maquinària de producció de gasos (en el cas de l’òxid nitrós, es produïa amb l’escalfament de barres de ferro ruixades amb àcid nítric). Davy remarcà els beneficis de l’aire nitrós per alleugerir el dolor i per superar ressaques, però també els efectes euforitzants (que fan que aquest gas sigui conegut també com a gas hilarant). D’altres gasos, com l’anomenat “gas hidrocarbonat pur” (amb una alta concentració de monòxid de carboni, CO) foren experimentats per Davy, la qual cosa li suposà patir algunes intoxicacions. El 1799, publicava “Researches, Chemical and Philosophical, chiefly concernint Nitrous Oxide and its Respiration”)

A més de la química pneumàtica i de les aplicacions mèdiques, Davy realitzà experiments sobre electricitat (“experiments galvànics”), llum i calor. En lletra del 22 de febrer del 1799 a Giddy, Davy escriu “sóc tan convençut ara de la inexistència del calòric com ho sóc de l’existència de la llum”. Ja hem vist en ocasions anteriors, com Lavoisier havia considerat substàncies simples tan el calòric com la llum. El desembre del 1799, Davy visità Londres per primera vegada.

El febrer del 1801, Davy viatjà a Londres per entrevistar-se amb Joseph Banks (1743-1820), Benjamin Thompson (1753-1814) i Henry Cavendish (1731-1810). Els tres prestigiosos científics formaven el “Comitè de la Royal Institution”. Thompson impulsava, des de feia tres anys, la creació d’una “Institució per a la Difusió del Coneixement” i havia adquirit amb aquesta finalitat una casa a Albemarle Street. Banks havia recomanat Davy per a l’entrevista per l’impacte que havia tingut les “Researches” de Davy, particularment les relacionades amb el galvanisme. El galvanisme rebia aquest nom de Luigi Galvani (1737-1798), que havia descobert “l’efecte galvani”, és a dir que els músculs d’una granota morta es contreien si hom hi aplicava una descàrrega elèctrica. Davy fou acceptat i el 9 de març del 1801 deixà la Institució Pneumàtica per ingressar en la Royal Institution, en la qual seria professor auxiliar de química, director del laboratori químic i editor auxiliar de les publicacions de la institució. El salari era de 100 lliures anuals, complementat amb una cambra a Albermarle Street, amb dret a carbó i espelmes.

Caricatura titulada “Noves descobertes en pneumàtica”, de James Gillray (1756-1815). Davy és la figura de la dreta de la taula.

El 25 d’abril, Davy va fer la primera conferència, que tractà sobretot de galvanisme. Davant d’una assistència de gairebé 500 persones, Davy comentaria després que “hi va haver respiració, òxid nitrós i un aplaudiment sense límits”. Davy comunicava en aquesta i altres conferències el poder creatiu de la ciència, la capacitat de modificar i canviar l’entorn, d’interrogar la natura. L’home de ciència, per Davy, deixava d’ésser un mer espectador passiu, desitjós tan sols d’entendre les operacions de la natura, per aspirar a ésser-ne l’amor, amb els seus propis instruments.

En demostracions públiques, Davy repetí alguns experiments, uns apresos al costat de Donkin i d’altres a Bristol. Realitzà una sèrie de conferència sobre química agrícola. El juny del 1802, Davy esdevingué ja professor titular de la Royal Institution. El novembre del 1804, esdevingué Fellow of the Royal Society. En el 1807, fou un dels membres fundadors de la Geological Society.

Una pila voltaica

En el 1800, Alessandro Volta (1745-1827) havia construït una pila de discs metàl·lics, que alternava discs de zinc i discs de coure, separats cadascun d’ells per trossos de roba mullada en salmorra. La pila voltaica permetia subministrar de manera continuada corrent elèctric. Emprant el disseny de Volta, William Nicholson i Anthony Carlisle (1800) van aconseguir l’electrolisi de l’aigua en els seus gasos elementals, l’oxigen i l’hidrogen. A partit del 1807, Davy aprofundí en l’aplicació de l’electrolisi en l’anàlisi química.

En el 1789, Lavoisier havia ofert un llistat de cinc “substàncies simples salificables terroses”: la calç (=terra calcària, calç), la magnèsia (=base de la sal d’Epsom), la barita (=barote o terra pesant), l’alumini (=argila, terra d’alum, base d’alum) i el silici (=terra silícia o terra vitrificable). Davy aplicà l’electrolisi a l’estudi de materials que creia que no eren ben identificats des d’un punt de mira químic.

Un exemple, era el material càustic conegut com a sosa o potassa (àlcalis fixos). Els estudis electrolítics de Davy sobre aquest material demostrà que es tractava de dos compostos diferents. La potassa seria un compost químic que contindria un element químic (base), anomenat potassi, que Davy aconseguí d’obtindre en estat pur. Poc després, aïllà un segon element químic (base), al que anomenà sodi, i que era l’element químic de la sosa càustica. Davy anomenava el sodi el potassi com les bases dels àlcalis fixos, però després el camp semàntic patiria variacions: la sosa i la potassa serien considerats materials bàsics (de manera que bàsic passà a ser sinònim d’alcalí), mentre sodi i potassi eren reconeguts com a “metalls alcalins”.

Sodi (Na) en estat metàl·lic, submergit en oli. El sodi, com d’altres metalls alcalins, és fàcilment oxidable (Na₂O). L’òxid de sodi, en presència d’aigua, donaria lloc a sosa càustica (NaOH). L’electrolisi de la sosa càustica fou el mètode seguit per Davy per a l’obtenció de sodi metàl·lic

La mateixa tècnica electrolítica l’aplicà després a altres materials, com la cal. Per fer-ho seguir els esforços de Jöns Jakob Berzelius, i barrejà la cal amb òxid de mercuri, aconseguit per electròlisi, l’aïllament del “calci”.

En el “New System of Chemical Philosophy” (1808), John Dalton parla de la “soda” i de la “pot ash” com a elements simples. La “soda” la representa amb un cercle amb dues ratlles verticals, mentre la “potassa” la representa amb tres ratlles verticals. En edicions posteriors, Dalton ja parlaria del “sodi” com a element. La paraula “sosa” o “soda” restà polisèmica. Davy, per exemple, havia treballat amb sosa càustica. La sosa càustica s’obtenia del tractament de la sosa no-càustica amb “calç apagada”. La sosa no-càustica, senzillament coneguda com a sosa, deriva el seu nom de صداع, paraula àrab que vol dir “mal de cap” i que fa referència a les propietats analgèsiques d’aquests materials. La sosa (la no-càustica) ja es feia servir de bell antuvi en els forns de pa (sosa de forner) i per rentar roba (sosa de rentar). A partir de Davy, hom va poder entendre que la sosa de rentar (o cendra de sosa) era carbonat sòdic (Na₂CO₃), la sosa de forner era bicarbonat sòdic (NaHCO₃) i que la sosa càustica era hidròxid de sodi (NaOH). Les dues primeres són “sals de sodi” i la tercera és “l’àlcali de sodi” (o dit, d’una altra manera, el sodi és la base de la sosa).

Diversos autors, per comptes de la paraula “sosa”, feien servir “natron”. Aquesta paraula deriva del grec, νίτρον, que prové del mot egipci, ntry, i que es referia a un material trobat en les lleres de llacs secs de l’antic Egipte. El “natron” era equivalent a la “sosa de rentar” o “cendra de sosa”. En el 1813, quan Berzelius inclou el sodi en el seu llistat de 47 elements, empra el terme “sodium” i li assigna el símbol “So” (la “S” se l’havia quedat el sofre que, com a metal·loid, tenia preferència). Els que empraven “natron” per comptes de “soda”, utilitzen per a designar l’element el mot “natrium” i el símbol “Na”. El mot “sodi” és el més difós internacionalment, ja que fou l’adoptat per les llengües anglesa i francesa (i d’ací a les altres romàniques). El mot “natri” quedà fixat en la llengua alemanya i en les altres germàniques (inclosa la llengua sueca de Berzelius), i d’ací a les eslaves (amb excepcions, com en el cas del txec o del polonès) i a les respectives àrees d’influència. En tot cas, “Na” quedà fixat eventualment com el símbol químic del sodi. El símbol “So” no designa actualment cap altre element.

Les descobertes electrolítiques de Davy no havien fet més que començar. Davy aïllà electrolíticament el magnesi (1808), el clor (1808, com l’element de l’anomenat àcid muriàtic), el bari (1808, l’element de la barita), l’estronci (1808, l’element de l’estroncianita), el bor (1808, l’element de l’àcid boràcic). Davy mostrà com no tots els àcids requereixen l’oxigen en la seva composició, la qual cosa corregia Lavoisier, que precisament havia triat aquest nom per al gas (oxigen = generador d’àcid) que els anglesos havien denominat aire deflogisticat. Es posaren els fonaments de la comprensió moderna de les sals, enteses com el producte de la reacció de neutralització entre un àcid i un àlcali (o base). La sal, per antonomàsia, l’emprada com a condiment, la sal comuna, obtinguda de salines o de mines (sal gemma), resultà bàsicament formada de clorur sòdic, reconstituïble a través de la reacció de neutralització de l’àcid hidroclòric (HCl, àcid muriàtic) i l’hidròxid de sodi (NaOH, sosa càustica). Davy, en el 1815, descrivia que els àcids s’havien d’entendre com substàncies compostos que contenien hidrogen substituïble, és a dir que l’hidrogen podia ésser substituït per un metall, en el qual l’àcid era neutralitzat a la sal metàl·lica corresponent. En la reacció de neutralització d’un àcid a sal, hi havia producció, d’aigua:

HCl + NaOH -> NaCl + H₂O

En el 1809, Davy introduí una làmina de carbó en un circuit elèctric i observà com el carbó carregat elèctricament començava a emetre llum, en un dels primers experiments sobre llum elèctrica. En el 1812, Davy fou fet cavaller. El mateix any va fer la darrera lliçó a la Royal Institution. També s’hi casà, amb Jane Apreece, una vídua rica. Davy continuà amb els seus experiments, de vegades perillosos, com quan resultà ferit als ulls mentre treballava amb triclorur de nitrogen (NCl₃). Durant la convalescència, es decidí a rebre un dels seus joves admiradors, Michael Faraday, llavors de 20 anys, com a secretari i ajudant de laboratori. Alhora completava el seu estudi sobre el citat compost explosiu.

L’octubre del 1813, Davy viatjà a París, acompanyat de la dona i de Faraday, per recollir una medalla que li havia atorgat l’emperador Napoleó pels seus estudis electroquímics. A París va fer alguns estudis en col·laboració amb Josèp Loïs Gay-Lussac (1778-1850), que determinaren el caràcter elemental del iode, substància aïllada per Bernard Courtois (1777-1838). El mes de desembre continuaren el viatge cap a Florència, on feren experiments sobre la ignició del diamant, que refermaven la idea que la dita pedra preciosa no era químicament més que carboni pur. Després passaren per Roma i Nàpols, on visitaren el mont Vesuvi. El juny del 1814 es trobaren a Milà amb Alessandro Volta, llavors de 69 anys, i seguiren després cap a Ginebra, Munich i Innsbruck. Després de desistir de continuar el viatge cap a Grècia, emprengueren el retorn a Anglaterra.

Ja a Anglaterra, el 1815, Humphry Davy treballà en el desenvolupament d’una làmpada aplicable a la mineria de carbó. Les làmpades existents, de flama oberta, podien provocar deflagracions. En aquest disseny treballaven paral·lelament noms com William Reid Clanny, George Stephenson o Smithson Tennant. Davy ideà una gasa de ferro que contenia la flama. Davy comunicà el disseny i renuncià a patentar-lo per esperonar-ne la fabricació. A la pràctica, però, no fou de gaire utilitat per aconseguir una il·luminació més segura en la mineria del carbó; més èxit tingué el disseny de Stephenson.

La làmpada de seguretat de Davy

El prestigi de Davy va fer que la corona li atorgués el títol de baronet en el 1819. El 1820 accedí a la presidència de la Royal Society. Es va morir a Ginebra el 29 de maig del 1829 a conseqüència d’una afecció cardíaca.

Sota l’espectrometria de flama, el sodi es manifesta amb un color groc, corresponent a la línia espectral D (589,3 nm de longitud d’ona). Aquesta emissió es deu a la caiguda energètica dels electrons més exteriors de l’àtom de sodi, des de l’orbital 3p al 3s

El coneixement del sodi va rebre un impuls amb el desenvolupament de les tècniques d’espectrometria de flama, és a dir de l’anàlisi de la llum emesa en la combustió de substàncies. Pioners en aquesta tècnica foren Gustav Kirchhoff i Robert Bunsen (1860), que remarcaren l’aplicabilitat en la detecció qualitativa de sodi en mostres d’origens diversos:

En un cantó de la nostra sala de 60 metres quadrats, el més lluny possible de l’aparell, vam fer explotar 3 mg de clorat sòdic amb lactosa mentre observàvem la flama no-lluminosa davant de l’escletxa. Després d’una estona, lluïa un color groc brillant i mostrava una forta línia de sodi que desapareixia tan sols després de 10 minuts. A partir del pes de la sal sòdica i del volum d’aire de la sala, calculem fàcilment que una part per pes d’aire no podia contindre més de 1/20 milionèsima en pes de sodi

També fou important el desenvolupament de la reducció carbotermal del carbonat sòdic (procés Deville, 1855) per aconseguir una producció comercial del sodi metàl·lic. En el 1886, s’aconseguí un procés similar a partir de l’hidròxid de sodi.

Ja hem vist com Davy havia caracteritzat el sodi i el potassi, malgrat que elements diferents, com a metalls alcalins. L’etimologia mateixa del potassi indica la seva abundor relativa en mostres vegetals (potassa / pot ash = cendres vegetals), mentre que hom evidencià l’abundància relativa del sodi en la sang dels animals. Quan en el laboratori de Berzelius, Johan August Arfwedson descobrí un tercer metall alcalí (1817), Berzelius optà per batejar-lo com a liti. La triada liti-mineral, sodi-animal, potassi-vegetal era suggestiva, per bé que el mateix Berzelius aclaria que no era absoluta. En el 1829, Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849) parla explícitament de triades d’elements, i esmenta com a exemple el liti, el sodi i el potassi, remarcant, que el pes atòmic del sodi és aproximadament igual a la mitjana aritmètica dels pesos atòmics del liti i del potassi. En el 1863, Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois proposa una “classificació natural dels cossos simples o radicals”, que remarca aquestes relacions. John Newlands, en el 1865, reconeix un grup d’elements format pel liti, el sodi, el potassi, el coure, el rubidi, l’argent, el cessi i l’osmi. En el 1869, la primera taula periòdica de Dmitri Mendeleev, ens mostra el grup del liti, sodi, potassi, rubidi, cessi i tal·li. En el 1870, Lothar Meyer (1830-1895) relacionava masses atòmiques amb els volums atòmics, i remarcava l’existència d’uns pics periòdics, que coincidien amb els metalls alcalins: sodi, potassi, rubidi i cessi.

El sodi: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del sodi és de 22,98976928 uma, és a dir coincident amb la de l’únic isòtop estable, el ²³Na. Podem fer, però, un llistat més complet d’isòtops:
– sodi-18 (¹⁸Na; 18,02597 uma). Nucli format per 11 protons i 7 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,3·10^-21 s. Decau majoritàriament (en més d’un 99,9%) a neó-17 (amb emissió d’un protó) o, alternativament (<0,1%) a neó-18 (amb emissió d’un positró).
– sodi-19 (¹⁹Na; 19,013877 uma). Nucli format per 11 protons i 8 neutrons. És molt inestable, amb una semivida de menys de 4·10^-8 s. Decau a neó-18, amb emissió d’un protó.
– sodi-20 (²⁰Na; 20,007351 uma). Nucli format per 11 protons i 9 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,4479 s. Decau majoritàriament (75%) a neó-20 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (25%) a oxigen-16 (amb emissió d’un nucli d’heli-4 i d’un positró).
– sodi-21 (²¹Na; 20,9976552 uma). Nucli format per 11 protons i 10 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 22,49 s. Decau a neó-21 amb emissió d’un positró.
– sodi-22 (²²Na; 21,9944364 uma). Nucli format per 11 protons i 11 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,2133·10⁷ s (2,6027 anys). Decau a neó-22, amb emissió d’un positró. Presenta un estat metastable (^22mNa), de 583,03 keV, amb una semivida de 2,44·10^-7 s. Format com a conseqüència de la interacció de raigs còsmics amb l’alta atmosfera, se’n poden trobar traces en mostres naturals. El ²²Na és emprat en tomografia d’emissió de positrons.
– sodi-23 (²³Na; 22,9897692809 uma). Nucli format per 11 protons i 12 neutrons. És un isòtop estable i, a efectes pràctics, l’únic present en mostres naturals.
– sodi-24 (²⁴Na; 23,99096278 uma). Nucli format per 11 protons i 13 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,3852·10⁴ s (gairebé 15 hores). Decau a magnesi-21, amb emissió d’un electró. El seu estat metastable (^24mNa), de 472,207 keV, amb una semivida de 0,020 s. Present en traces en mostres naturals, com a conseqüència de la seva producció en l’alta atmosfera per la interacció amb raigs còsmics (²³Na + n -> ²⁴Na). La valoració de ²⁴Na⁺ en sang s’ha fet servir per avaluar l’exposició aguda a radiació de neutrons.
– sodi-25 (²⁵Na; 24,9899540 uma). Nucli format per 11 protons i 14 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 59,1 s. Decau a magnesi-25, amb emissió d’un electró.
– sodi-26 (²⁶Na; 25,992633 uma). Nucli format per 11 protons i 15 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,077 s. Decau a magnesi-26, amb emissió d’un electró-.
– sodi-27 (²⁷Na; 26,994077 uma). Nucli format per 11 protons i 16 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,301 s. Decau majoritàriament (99,87%) a magnesi-27 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,13%) a magnesi-26 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– sodi-28 (²⁸Na; 27,998938 uma). Nucli format per 11 protons i 17 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0305 s. Decau majoritàriament (99,421%) a magnesi-28 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,579%) a magnesi-27 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– sodi-29 (²⁹Na; 29,002861 uma). Nucli format per 11 protons i 18 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0449 s. Decau majoritàriament (74,09%) a magnesi-29 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (25,91%) a magnesi-28 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– sodi-30 (³⁰Na; 30,008976 uma). Nucli format per 11 protons i 19 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0484 s. Decau majoritàriament (68,83%) a magnesi-30 (amb emissió d’un electró) o alternativament a magnesi-29 (30,0%, amb emissió d’un neutró i d’un electró), a magnesi-28 (1,17%, amb emissió de dos neutrons i d’un electró) o a neó-26 (amb emissió d’un nucli d’heli-4 i d’un electró).
– sodi-31 (³¹Na; 31,01359 uma). Nucli format per 11 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,017 s. Decau majoritàriament (62,05%) a magnesi-31 (amb emissió d’un electró) o alternativament a magnesi-30 (amb emissió d’un neutró i d’un electró), magnesi-29 (amb emissió de 2 neutrons i 1 electró) o magnesi-28 (amb emissió de 3 neutrons i 1 electró).
– sodi-32 (³²Na; 32,02047 uma). Nucli format per 11 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0129 s. Decau alternativament a magnesi-32 (amb emissió d’un electró), magnesi-31 (amb emissió d’un neutró i d’un electró) o magnesi-30 (amb emissió de dos neutrons i un electró).
– sodi-33 (³³Na; 33,02672 uma). Nucli format per 11 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0082 s. Decau majoritàriament (52%) a magnesi-32 (amb emissió d’un neutró i d’un electró) o, alternativament, a magnesi-33 (36%, amb emissió d’un electró) o magnesi-31 (12%, amb emissió de 2 neutrons i 1 electró).
– sodi-34 (³⁴Na; 34,03517 uma). Nucli format per 11 protons i 23 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0055 s. Decau majoritàriament (50%) a magnesi-32 (amb emissió de 2 neutrons i 1 electró) o, alternativament, a magnesi-34 (35%, amb emissió d’un electró) o a magnesi-33 (15%, amb emissió d’un neutró i un electró).
– sodi-35 (³⁵Na; 35,04249 uma). Nucli format per 11 protons i 24 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0015 s. Decau normalment (>99,9%) a magnesi-35 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%) a magnesi-34 (amb emissió d’un neutró i un electró).
– sodi-36 (³⁶Na; 36,05148 uma). Nucli format per 11 protons i 25 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de menys de 2,6·10^-7 s.
– sodi-37 (³⁷Na; 37,05934 uma). Nucli format per 11 protons i 26 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de poc més de 1,5·10^-6 s.

L’àtom neutre de sodi conté 11 electrons, amb una configuració de 1s²2s²2p⁶3s1. És el primer dels tercer període d’elements i, en conseqüència, pertany al grup 1 (IA, en algunes nomenclatures, també dits “metalls alcalins” o “grup del liti”). L’estat d’oxidació més habitual és +1 (Na⁺¹, en correspondència amb una energia d’ionització de tan sols 495,8 kJ·mol^-1) encara que alguns casos també presenta l’estat -1 (Na^-1). Presenta un radi atòmic considerable (radi de Van der Waals de 2,27·10^-10 m).

Molts sabons, com l’estearat sòdic, consisteixen en sals sòdiques formades a partir d’àcids grassos. Existeixen altres exemples de compostos organosòdics, basats en enllaços iònics del Na amb àtoms de carboni (carbanions) o d’oxigen

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el sodi elemental es presenta com un metall d’aspecte argentí i tou (0,5 en l’escala de Mohs) i bon conductor elèctric (degut al fet que Na⁺ i e^– es troben dissociats en l’estructura cristal·lina cúbica). A pressions més elevades trobem diversos al·lòtrops, que esdevenen elèctricament aïllants:
– a 150 GPa, un sòlid negre.
– a 190 GPa, un sòlid transparent, de coloració vermella.
– a 300 GPa, un sòlid clar i transparent.

En condicions estàndards de pressió, el sodi metàl·lic liqua a 371 K i bull a 1156 K. El sodi líquid és emprat com a refrigerant en alguns reactors nuclears.

Esquema d’un reactor refrigerat amb sodi líquid. L’exposició a neutrons d’aquest sodi líquid, fa que torni radioactiu, per la formació de ²⁴Na. El sodi líquid residual ha de ser mantingut durant un temps fins que decau aquesta radioactivitat

Ja hem dit que la pràctica totalitat del sodi en l’univers és ²³Na⁺. Els nuclis de ²³Na són generats bàsicament en la nucleogènesi estel·lar, a partir de la fusió de dos àtoms de carboni, procés que té lloc a temperatures de més de 6·10⁸ K, assolibles en estels de masses superiors a 6·10³⁰ kg. L’abundància universal del sodi, de fet, queda condicionada per aquestes reaccions de fusió, i determinen que el sodi sigui un element menys abundant que el neó, d’una banda, i que el magnesi, de l’altra. Dels elements amb nombre atòmic inferior a 11, el sodi tan sols supera en abundància atòmica el beril·li, el bor, el liti i el fluor. En canvi, dels de nombre atòmic superior, n’hi ha uns quants (alumini, silici, sofre, argó, calci, ferro) que el depassen tant en termes atòmics com de massa. En el Sistema Solar per cada milió d’àtoms de silici, n’hi ha unes desenes de milers d’àtoms de sodi. L’abundància atòmica del ²³Na en el Sistema Solar és de 2 ppm, que en termes de massa es tradueixen a 33 ppm.

En canvi, en els planetes rocallosos es produeix un procés de concentració de sodi. Així, pel que fa a la Terra l’abundància de sodi en termes de massa és de 1800 ppm (2000 ppm en termes atòmics). Encara més elevada és l’abundància relativa en l’escorça, que és del 2,6% en termes de massa (tan sols superada per l’oxigen, el silici, l’alumini, el ferro i el calci). En termes atòmics, el sodi és el quart element més abundant dels que constitueixen roques (superat per l’oxigen, el silici i l’alumini). Encara que el sodi no és considerat entre els principals metalls industrials (alumini, ferro, magnesi), la producció anual es computa en 280 milions de tones.

El sodi en l’escorça terrestre el trobem en nombrosos minerals. El trobem en halites o sal gemmes, de les quals el més abundant, amb diferència, és el clorur sòdic (NaCl) o sal comuna. Un altre mineral de sodi, també molt soluble en aigua, és el natron (83% Na₂CO₃·10H₂O, 17% NaHCO₃). En general, també són solubles els sulfats (Na₂SO₄), nitrats (NaNO₃) i carboxilats. Però també constitueix minerals que són molt menys solubles en aigua, com és el cas d’amfíbols (arfvedsonita, richterita, pargasita, winchita) o d’algunes zeolites. La major o menor solubilitat en aigua d’aquests minerals en condiciona els processos de formació i d’erosió, i s’explica pel fet que, en els minerals insolubles, els cations Na⁺ es troben en forma polimèrica.

L’abundància relativa del sodi en minerals de l’escorça i la solubilitat d’alguns d’ells (particularment, del clorur sòdic) determina que el sodi sigui un dels elements més abundants dels oceans de la Terra. En termes de massa, el sodi suposa un 1,08% de l’Oceà (superat tan sols, a banda òbviament de l’oxigen i de l’hidrogen, pel clor). Escorça i oceans es troben en un equilibri dinàmic pel que fa al sodi, amb entrades cap a l’oceà (per dissolució de minerals sòdics) i sortides (per evaporació i precipitació corresponent de sals sòdiques, bàsicament clorurs i carbonats). El sodi solubilitzat el trobem formant complexos amb molècules d’aigua, amb una estequiometria que va de 4 a 6 molècules d’H₂O per cada catió Na⁺.

Imatge del Parc Natural de Ses Salines (Eivissa). La sal, obtinguda en salines o en mines de sal gemma, és possiblement el més destacat aliment mineral de la nostra dieta. Encara que formada bàsicament per NaCl, també aporta altres components. De les galetes de sal que rebien els soldats romans com a part de la paga, deriva el mot “salari”.

En l’atmosfera terrestre, el sodi es troba en forma de traça. L’abundància del sodi en altres atmosferes planetàries ha estat investigada a través de mètodes espectroscòpics: en la Lluna arriba a 70 àtoms de Na/cm³ i a la de Mercuri és el tercer element més abundant (després de l’hidrogen i l’oxigen).

En la biosfera, el sodi és comptat entre els “macroelements”. En el cos humà, el sodi suposa un 0,15% en termes de massa (un individu de 70 kg, en tindria 100 grams en total), la qual cosa suposa, en termes atòmics, el 0,037%.

En tots els organismes vivents, el manteniment d’unes concentracions adients d’electròlits i, particularment del Na⁺ juga un paper cabdal en l’homeostasi. Les membranes biològiques separen els diferents compartiments intra- i intercel·lulars dels organismes. La fracció lipídica de la membrana és pràcticament impermeable al Na⁺. Diferents proteïnes de membrana regulen els bescanvis de Na⁺ entre els diferents compartiments. En general, hi ha un metabolisme actiu que fa que la concentració intracel·lular de sodi sigui inferior a l’extracel·lular.

La bomba ATPasa de Na⁺/K⁺ consum energia química per bombejar contínuament cap enfora ions Na⁺ mentre importa cap a dins de la cèl·lula ions K⁺. Com que el bescanvi és desigual (per cada 3 ions Na⁺ expel·lits s’incorporen 2 ions K⁺) es produeix un potencial de membrana (la cara externa és més carregada positivament que la cara interna).

Per als organismes que viuen en entorns rics en sodi (com l’aigua marina), el metabolisme del sodi s’orienta a evitar un excés d’assimilació. Per a la majoria de cultius, un sòl massa salí (mesurat en termes de conductivitat elèctrica o en concentració química de sodi) limita o impossibilita el creixement. D’ací el càstig clàssic de “sembrar-hi sal”. En canvi, en d’altres organismes, el sodi esdevé un nutrient a cercar. Els aliments de sabor salat ho són bàsicament per la quantitat que aporten de Na⁺ i, d’acord amb les necessitats nutricionals del moment, trobarem més o menys agradable aquest sabor. L’adjectiu “salat”, en sentit figurat, el fem servir per assenyalar qui té gràcia o agudesa, o allò que és massa car.

La salicòrnia és un exemple de planta que tolera créixer en sòls rics en sodi. Això suposa l’acumulació de sodi en teixits vegetals allà on altres plantes acumulen més aviat potassi. Per això de les cendres de la salicòrnia se n’obté sosa més que no pas potassa. La introducció del mètode Leblanc, ideat el 1791, per produir sosa (carbonat sòdic) a partir de la sal comuna (clorur sòdic) va fer que paulatinament s’abandonessin les fonts vegetals de confeccionar sosa

El sodi i la hipertensió

La sal és considerada per moltes cultures com un aliment bàsic, emprada com a condiment i essencial per a la conservació de molts aliments (salaons). El 12 de març del 1930, el poble d’Índia protestà contra els impostos britànics sobre la sal amb una marxa cap a la mar amb els atuells tradicionals per obtindre’n

La concentració de Na⁺ en els diferents fluids corporals és finament ajustada. Com els altres electròlits, juga un paper en l’homeostasi hídrica i àcid-base. El medi intercel·lular o intersticial presenta unes concentracions de sodi superiors als medis intracel·lulars. Això comporta un gradient electroquímic que aprofita a nombrosos processos, destacadament, en la contracció muscular i en la transmissió de l’impuls nerviós. De fet, l’impuls nerviós pot ser descrit com un corrent despolaritzador de la membrana neuronal, corresponent a l’obertura de canals de Na⁺ propiciada per la mateixa despolarització.

Esquema que mostra el rol del sodi en la transmissió de l’impuls nerviós

La ingesta recomanada de sodi per a l’adult humà típic és de 1100 a 3300 mg diaris, valors que són inferiors en el cas dels infants. Idealment, aquesta ingesta ha de compensar les pèrdues de sodi, produïdes amb els 8 litres diaris de secrecions corporals (saliva, sucs gàstric i intestinal, bilis, suc pancreàtic, etc.). Si les reserves corporals de sodi en un individu de 70 kg hem dit abans que eren de 2,8-3 mols, les pèrdues diàries són de l’ordre de 1,2-1,4. El sistema renina-angiotensina-aldosterona (RAAS) és el sistema hormonal que regula alhora el balanç hídric i electrolític i la pressió sanguínia. L’homeostasi del sodi té en el ronyó el principal regulador. En condicions normals, la renina produïda pel ronyó estimula la producció d’aldosterona i angiotensina, amb un resultat global que garanteix la reabsorció del sodi del filtrat renal i evita que s’escapi per l’orina. En cas d’un augment de la concentració sanguínia de Na⁺, els nivells de renina baixen, i hi ha una excreció urinària de sodi.

Esquema del sistema renina-angiotensina-aldosterona

Un problema alimentari en les nostres societats és el consum excessiu de sodi. La ingesta mitjana d’algunes poblacions supera el nivell màxim recomanat. El principal risc associat a una ingesta excessiva de sodi és la hipertensió. Lawes et al. (2008) estimaren l’impacte global de la hipertensió arterial (definida com valors iguals o superior a 115 mm Hg de pressió màxima o sistòlica) en 7,6 milions anuals de morts prematures, equivalents a la pèrdua anual de 92 milions d’anys de vida ajustats per discapacitat. S’entén, doncs, la rellevància de les estratègies alimentàries per corregir la hipertensió arterial. Una dieta rica en fruita i verdures contribueix a limitar la ingesta de sodi, ja que en els organismes vegetals el sodi és més aviat un micronutrient que no pas un macronutrient (ja vam veure com Berzelius associava el potassi al regne vegetal i el sodi al regne animal). Per bé que l’excés de sodi és lluny d’ésser l’únic factor lligat a la hipertensió, diversos estudis han constatat la rellevància d’una dieta baixa en sodi per tractar la hipertensió.