Sodium

Sodium
Image illustrative de l’article Sodium
Échantillon de sodium dans de l'huile minérale.
NéonSodiumMagnésium
Li
  Structure cristalline cubique centrée
 
11
Na
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
Na
K
Tableau completTableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole Na
Nom Sodium
Numéro atomique 11
Groupe 1
Période 3e période
Bloc Bloc s
Famille d'éléments Métal alcalin
Configuration électronique [Ne] 3s1
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 1
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 22,989 769 28 ± 2 × 10−8 u[1]
Rayon atomique (calc) 180 pm (190 pm)
Rayon de covalence 166 ± 9 pm[2]
Rayon de van der Waals 227 pm
État d’oxydation +1
Électronégativité (Pauling) 0,93
Oxyde Base forte
Énergies d’ionisation[3]
1re : 5,139 076 eV 2e : 47,286 4 eV
3e : 71,620 0 eV 4e : 98,91 eV
5e : 138,40 eV 6e : 172,18 eV
7e : 208,50 eV 8e : 264,25 eV
9e : 299,864 eV 10e : 1 465,121 eV
11e : 1 648,702 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
22Na{syn.}2,602 ansε0,5422Ne
23Na100 %stable avec 12 neutrons
24Na{syn.}15,03 hβ-1,3924Mg
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire Solide non magnétique
Masse volumique 0,968 g·cm-3 (20 °C)[1]
Système cristallin Cubique centré
Dureté (Mohs) 0,5
Couleur Argenté blanc
Point de fusion 97,80 °C[1]
Point d’ébullition 883 °C[1]
Énergie de fusion 2,598 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 96,96 kJ·mol-1
Volume molaire 23,78×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 1,43×10-5 Pa à −39,15 °C[réf. souhaitée]
Vitesse du son 3 200 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique 1 230 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 21×106 S·m-1
Conductivité thermique 141 W·m-1·K-1 à 0°C (solide) 129,7 W/m/K à 25°C (solide) 83,7 W/m/K à 98 °C (liquide)
Divers
No CAS 7440-23-5[4]
No ECHA 100.028.302
No CE 231-132-9
Précautions
SGH[5],[6]
SGH02 : InflammableSGH05 : Corrosif
Danger
H260, H314, EUH014, P223, P231, P232, P280, P305, P338, P351, P370, P378 et P422
SIMDUT[7]
B6 : Matière réactive inflammableE : Matière corrosive
B6, E,
NFPA 704
Transport
   1428   

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le sodium est l'élément chimique de numéro atomique 11, de symbole Na (du latin natrium). Il fait partie du premier groupe du tableau périodique et plus particulièrement des métaux alcalins. Sur Terre et dans les autres corps telluriques il est généralement lié à d'autres éléments au sein de nombreux minéraux. Il est abondant dans l'eau de mer (avec une teneur d'environ 10,8 g/kg), sous la forme d'ions libres. Le sel de cuisine, qui provient directement ou indirectement de l'eau de mer, est constitué de chlorure de sodium.

Dans les conditions normales de température et de pression, le corps simple est un métal mou, de couleur argentée. Très réactif, il s'oxyde rapidement au contact de l'air et réagit violemment avec l'eau.

Le sodium est depuis longtemps reconnu dans les composés, mais il ne fut pas isolé avant 1807, lorsque Sir Humphry Davy réalisa l'électrolyse de la soude caustique. Pendant le Moyen Âge, un composé du sodium avec le nom latin de sodanum était utilisé pour le traitement des maux de tête. Le symbole du sodium, Na, vient du nom latin d'un composé du sodium appelé natrium, qui lui-même vient du grec νίτρον / nítron, un carbonate de sodium naturel (le natron). En allemand, en danois, en norvégien ou en néerlandais, sodium se dit natrium.

Le sodium possède 22 isotopes connus, avec un nombre de masse variant entre 18 et 37. Seul le sodium 23 (23Na) est stable, ce qui fait du sodium un élément monoisotopique. À part 22Na et 24Na, isotopes radioactifs cosmogéniques de demi-vies 2,604 ans et 14,96 heures, les radioisotopes du sodium ont tous une demi-vie inférieure à une minute, voire une seconde pour la majorité d'entre eux. En pratique, seul 23Na est trouvé dans la nature et le sodium est donc considéré comme un élément mononucléidique.

Caractéristiques notables

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Caractéristiques chimiques

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Plusieurs blocs gris légèrement brillants de sodium.
Sodium métallique.

Comme les autres métaux alcalins, le sodium a un aspect doux, blanc argenté, légèrement rosé. C'est un élément très réactif ; en particulier il s'oxyde lentement à l'air humide et réagit violemment avec l'eau : il libère une grande quantité d'hydrogène et produit une explosion, ce qui force à le conserver dans le pétrole ou sous une atmosphère inerte d'azote ou d'argon. Le sodium est léger, flotte sur l'eau et la décompose en libérant du dihydrogène et en formant de la soude (hydroxyde de sodium) :

Vue d'une réaction violente du sodium et de l'eau conduisant à la rupture du récipient contenant la réaction et à la combustion de l'hydrogène produit.
Réaction du sodium avec l'eau.
Na + H2ONa+ + OH + H2

La chaleur dégagée par la réaction exothermique de décomposition de l'eau suffit généralement, en présence d'oxygène, à faire détoner l'hydrogène produit.

Sa température de fusion relativement basse, aux alentours de 97,81 °C, le rend facile à manipuler, stocker et transporter (en citernes par exemple, dans lesquelles on le solidifie pour le refondre à l'arrivée), à condition d'être très vigilant à bien le laisser toujours sous atmosphère inerte et à l'abri de l'eau ou de l'humidité, en raison de sa grande réactivité.

Ce métal brûle dans l'air avec une flamme jaune (mais il ne s'enflamme qu'à des températures supérieures à 388 K, soit 115 °C).

Graphique présentant les raies spectrales du sodium.
Raies spectrales du sodium.

Le spectre du sodium possède la particularité de présenter un doublet spectral très brillant dans le jaune. Ces deux raies, localisées à 589,00 et 589,59 nm sont généralement notées respectivement D2 et D1. Leur interférence est responsable d'un phénomène de battement en intensité.

À mesure que la pression augmente, le sodium devient isolant et prend l’aspect d’un matériau noir, puis celui d’un matériau translucide rouge avant de finalement devenir transparent sous une pression de 200 gigapascals[8].

Caractéristiques physiques

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  • C'est un excellent conducteur électrique.
  • Le sodium est utilisé comme fluide caloporteur à haute température, seul, ou allié au potassium à plus basse température : le mélange NaK est liquide à température ambiante. L'alliage de 78 % K potassium et 22 % Na est liquide jusqu'à −12,6 °C et bout à 785 °C.
  • Coefficient de dilatation à 25 °C = 70 × 10−6 °C−1.
  • Formule pour la masse volumique du solide : ρ = 971 / (1+0,00007*(t-20))3 ; avec ρ en kg/m3 et t en °C.
  • Corrélation pour la masse volumique du liquide : ρ = 949 - 0,223 × t - 0,0000175 × t2 ; avec ρ en kg/m3 et t en °C ; applicable entre 100 et 800 °C[1].
  • Corrélation pour la valeur de Cp du solide : Cp = 1,02954 + 0,00059184 × t + 0,00000010528 × t2 ; avec Cp en kJ/(kg⋅K) et t en °C ; applicable entre 0 et 90 °C[1].
  • Corrélation pour la valeur de Cp du liquide : Cp = 1,62957 - 0,000832987 × T + 0,000000462265 × T2 ; avec Cp en kJ/(kg⋅K) et T en K ; applicable entre 100 et 800 °C[1].
  • Corrélation pour la viscosité dynamique du liquide : μ = −3,759 × 10−12 × t3 + 6,300 8 × 10−9 × t2 - 3,729 × 10−6 × t + 9,980 6 × 10−4 ; avec μ en kg/(m⋅s) et t en °C ; applicable entre 100 et 700 °C.
  • Corrélation pour la conductivité thermique du liquide : λ = (2,442544 × (t + 273,15)) / (6,8393 + 0,033873 × t + 0,000017235 × t2) ; avec λ en W/(m⋅K) et t en °C ; applicable entre 100 et 700 °C[1].
  • Corrélation pour la pression de vapeur saturante : Ps = 4,216 × 1013 × (t + 273,15)-1,18 × exp[−13 308,94 / (t + 273,15)] ; avec Ps en Pa et t en °C ; applicable entre 100 et 800 °C[9].
Quelques caractéristiques thermodynamiques du sodium[10],[1]
Température
(°C)
Masse
volumique
ρ
(kg/m3)
Viscosité
dynamique
μ
(10−3 kg/(m⋅s)
Conductivité
thermique
λ
(W/(m⋅K))
Capacité
calorifique
à pression
constante
Cp
(kJ/(kg⋅K)
Commentaire
−173,15 1 011,5 0,9791 solide
0 975,1 141,0
(142,0)
1,0295 solide
20 971 142 1,0414 solide
25 970,0 1,2259
(1,0444)
solide
97,80 955,3
(solide)
927,0
(liquide)
0,690
(0,705)
83,7 1,5525 liquéfaction
200 903,7 0,450 81,5
(80,8)
1,4815 liquide
300 880,5 0,340
(0,345)
75,7
(75,5)
1,4213 liquide
400 857,0 0,278
(0,284)
71,2
(71,0)
1,3704 liquide
500 831,1 0,234
(0,239)
66,8
(67,2)
1,3704 liquide
600 808,9 0,212
(0,210)
63,9 1,2962 liquide
700 784,3 0,186
(0,193)
61,0 1,2730 liquide
800 759,4 0,179
(0,165)
58,3 1,2590 liquide
883 ébullition

Utilisations du sodium

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Le sodium sous sa forme métallique est utilisé dans la fabrication des esters ainsi que dans celle d'autres composés organiques, utilisés en particulier dans l'industrie pharmaceutique, les cosmétiques, les pesticides (métam-sodium), etc.

Il a été longtemps utilisé, sous forme d'alliage avec le plomb, pour la production de plomb tétraéthyle, additif antidétonant pour le carburant automobile.

Autres utilisations du sodium métal :

La vapeur de sodium (utilisée dans les lampes) est très réactive : par exemple, à 1 400 °C, elle réagit avec l'alumine en formant de l'aluminate de sodium.

Industrie nucléaire

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Le sodium liquide est un produit dangereux notamment du fait de risque de feux de sodium particulièrement difficiles à éteindre. Mais il intéresse l'industrie nucléaire comme fluide caloporteur dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, pour deux raisons : ses qualités de conductivité thermique et de capacité calorifique élevée, et le fait d'être peu capturant aux neutrons thermiques (0,4 barn de section efficace) et a fortiori aux neutrons rapides. Toutefois, un peu de sodium 24 est formé au cours du fonctionnement (lorsque le sodium traverse le cœur du réacteur). Le sodium 24 est radioactif, d'une demi-vie courte de 15 h en donnant du magnésium 24 stable. Cela empêche l'approche des circuits jusqu'à une semaine suivant l'arrêt.

Les techniques de maîtrise de ce sodium font l'objet d'un travail continu par le CEA à Cadarache, y compris pour le démantèlement de Superphénix, entamé en 1998[12] et dans la perspective d'une éventuelle mise en œuvre du projet de prototype de réacteur à neutrons rapides « Astrid »[12].

Le réseau dit « école internationale du sodium et des métaux liquides », a accueilli, depuis sa création en 1975, plus de 4 000 stagiaires[12] ; « L’essentiel des recherches s’applique au fonctionnement d’un générateur de vapeur chauffé directement par une circulation de sodium, et vise au contrôle du risque de contact entre le sodium et l’eau. Mais des expériences concernent aussi l’hypothèse d’un générateur de vapeur alimenté par un circuit tertiaire au gaz, avec un circuit secondaire au sodium »[12]. Des travaux visent à mieux neutraliser la vapeur de sodium (qui peut boucher certains filtres), à mieux neutraliser le sodium en cas d'accident ou incident ou lors des vidanges ou démantèlement d'installations (le procédé actuel, procédé NOAH, produit de l'hydrogène et de la soude caustique, deux produits dangereux), ainsi qu'à mieux utiliser l'acoustique pour détecter des débuts d’ébullition ou un état d’engazement du sodium, les ultrasons pour la mesure du débit et de la température du sodium fondu, et la chimie pour la mesure de la teneur en oxygène, les courants de Foucault pour le repérage de défauts dans les installations, la télémétrie, pour la mesure des distances ainsi que des capteurs pouvant être plus ou moins durablement immergés dans le sodium liquide[12]. Un procédé de « carbonatation » permet par contact avec de la soude caustique sous exposition d'un flux de gaz carbonique de nettoyer des parois contaminées, en produisant des carbonates de sodium, inertes et solubles mais ce procédé est lent (moins d'un millimètre/jour)[12].

Fabrication

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Le sodium sous forme métallique est fabriqué par électrolyse du chlorure de sodium fondu. Le chlorure de sodium fondant vers 800 °C, il est nécessaire pour des raisons techniques de l'utiliser en mélange avec du chlorure de calcium et du chlorure de baryum. Ce mélange permet de travailler à environ 600 °C. Au cours de chimie, cette expérience peut être réalisée en utilisant comme creuset une pipe en terre, comme cathode (où le sodium se dépose) une aiguille à tricoter en acier, comme anode (où le chlore se dégage) la mine en graphite d'un crayon noir taillé aux deux extrémités, et comme source de chaleur un bec Bunsen.

Les principaux producteurs de sodium sous forme métallique dans le monde sont :

Il est aussi possible d'obtenir du sodium métallique par électrolyse d'hydroxyde de sodium, NaOH, fondu c'est-à-dire vers 300 °C. Toutefois, comme il est plus difficile de récupérer le métal pur dans ce cas, l'industrie préfère l'électrolyse de NaCl.

Il est possible, et utilisé de manière artisanale aussi, d'utiliser une oxydoréduction du mélange de magnésium et soude cristalline, le tout chauffé.[réf. souhaitée]

Composés du sodium

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Les composés chimiques dans lesquels on trouve un ion sodium Na+ sont extrêmement nombreux. Parmi les plus simples on peut citer :


On trouve également des composés du sodium :

Importance biologique

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Le sodium est indispensable à la vie, par exemple au fonctionnement de l'activité électrique des cellules, faisant intervenir des échanges trans-membranaires d'ions Na+.

L'ion sodium est l'un des éléments indispensables à l'organisme, normalement présent dans le sang à une concentration comprise entre 133 et 143 mmol/L[13].

Lorsqu'il est présent en excès (hypernatrémie - généralement à cause d'un régime trop riche en sel), c'est un facteur qui favorise la survenue d'hypertension , d'insuffisance cardiaque et de dégradation de la fonction rénale (au niveau des tubules[14]).

Conséquences environnementales

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Quand il provient du sel, NaCl, massivement utilisé pour le salage des routes (14 % de la production)[15], ou de remontées de sel à la suite d'un drainage ou à des arrosages excessifs, il contribue à la destruction et salinisation des sols et à l'intoxication de nombreuses espèces animales, végétales, fongiques et microbiennes[16].

Il existe néanmoins des bactéries extrémophiles qui peuvent survivre dans des milieux hyper-salés.

En 2014, la France est nette importatrice de sodium, d'après les douanes françaises. Le prix moyen à la tonne à l'import était de 2 000 [17].

Notes et références

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  1. a b c d e f g h et i (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ , p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  3. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, TF-CRC, , 87e éd. (ISBN 0849304873), p. 10-202
  4. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  5. Numéro index 011-001-00-0 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  6. Base de données Sigma-Aldrich
  7. « Sodium » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  8. Laurent Sacco, Sous pression, le sodium métallique devient transparent !, futura-sciences, 17 mars 2009.
  9. Usuel de chimie générale et minérale- M.Bernard - F.Busnot
  10. Les valeurs entre parenthèses correspondent à une autre détermination de la grandeur physique
  11. Le Point actu, « Batteries sodium-ion, l'avenir de la voiture électrique ? », (consulté le )
  12. a b c d e et f Assemblée nationale & Sénat, OPECST, Rapport sur l'évaluation du Plan national de gestion des matières et des déchets radioactifs 2010-2012 (19 janvier 2011), rapporteurs : Christian Bataille et Claude Birraux, PDF, 347 pages ; Voir chap III - « La plate-forme de recherche sur le sodium », chapitre intitulé IV. Le “Tribunal de l'environnement ”, page 44/347 de la version PDF du rapport
  13. « Connaître les normes biologiques » (consulté le )
  14. Soleimani M, Singh G ; Physiologic and molecular aspects of the Na+/H+ exchangers in health and disease processes.; J Investig Med. 1995 Oct;43(5):419-30 ; PMID 8528753
  15. Jean-Claude HOCQUET, « SEL », sur universalis.fr (consulté le )
  16. (en) Jeremy Hinsdale, « How Road Salt Harms the Environment », sur blogs.ei.columbia.edu (consulté le )
  17. « Indicateur des échanges import/export », sur Direction générale des douanes. Indiquer NC8=28051100 (consulté le )

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Articles connexes

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Liens externes

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