Sodium

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Sodium
NéonSodiumMagnésium
Li
  Structure cristalline cubique à corps centré
 
11
Na
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Na
K
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Sodium, Na, 11
Série chimique Métal alcalin
Groupe, période, bloc 1, 3, s
Masse volumique 0,971 g·cm-3 (20 °C)[1]
Dureté 0,5
Couleur Argenté blanc
No CAS 7440-23-5 [2]
No EINECS 231-132-9
Propriétés atomiques
Masse atomique 22,98976928 ± 2×10-8 u[1]
Rayon atomique (calc) 180 pm (190 pm)
Rayon de covalence 166 ± 9 pm [3]
Rayon de van der Waals 227 pm
Configuration électronique [Ne] 3s1
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 1
État(s) d’oxydation +1
Oxyde Base forte
Structure cristalline Cubique centré
Propriétés physiques
État ordinaire Solide non magnétique
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
Divers
Électronégativité (Pauling) 0,93
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)
Énergies d’ionisation[4]
1re : 5,139076 eV 2e : 47,2864 eV
3e : 71,6200 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 ans ε 0,54 22Ne
23Na 100 % stable avec 12 neutrons
24Na {syn.} 15,03 h β- 1,39 24Mg
Précautions
Directive 67/548/EEC[5]
Corrosif
C
Facilement inflammable
F



NFPA 704

Symbole NFPA 704

SIMDUT[6]
B6 : Matière réactive inflammableE : Matière corrosive
B6, E,
SGH[7],[5]
SGH02 : InflammableSGH05 : Corrosif
Danger
H260, H314, EUH014, P223, P231, P232, P280, P305, P338, P351, P370, P378, P422,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps pur dans la nature, mais il est très abondant sous forme de composés, par exemple dans le sel. Il brûle avec une flamme jaune.

Histoire[modifier | modifier le code]

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 nitron, une sorte de sel naturel (le natron). En allemand, comme en danois ou en néerlandais, sodium se dit Natrium.

Isotopes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Isotopes du sodium.

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 avec une demi-vie de respectivement 2,605 ans et environ 15 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[modifier | modifier le code]

Caractéristiques chimiques[modifier | modifier le code]

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, l'hydroxyde de sodium.

2 Na + 2 H2OH2 + 2 Na+ + 2 OH

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 ne brûle dans l'air qu'à des températures supérieures à 388 K (soit 115 °C).

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 D1 et D2. 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 gigapascal[8].

Caractéristiques physiques[modifier | modifier le code]

  • C'est un excellent conducteur électrique.
  • Le sodium est utilisé comme fluide caloporteur (réfrigérant) à haute température, seul, ou fréquemment allié au potassium. Le mélange NaK abaisse la température de fusion en deçà de 0 °C, facilitant ainsi l'exploitation de la boucle fluide. L'alliage 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 + 6,3008 • 10-9 • t2 - 3,729 • 10-6 • t + 9,9806 • 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
(10-3kg/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[modifier | modifier le code]

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, 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 :

  • pour la synthèse de l'indigo artificiel, du borohydrure de sodium, dans la réduction de Birch
  • dans certains alliages, pour améliorer leur structure ;
  • pour purifier les métaux fondus ;
  • pour la fabrication des lampes à vapeur de sodium ;
  • pour la fabrication du silicium utilisé dans l'électronique ou les panneaux solaires ;
  • pour les batteries sodium - soufre ;
  • le sodium sous forme liquide constitue un fluide caloporteur efficace (assurant le transfert de chaleur): on l'utilise dans ce but principalement dans les soupapes (creuses) de moteurs poussés, mais il sert également dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, avec le risque de feux de sodiums particulièrement difficiles à éteindre, étudié à Cadarache par le CEA, y compris pour le démantèlement de Superphénix, entamé en 1998[11] et dans la perspective d'une éventuelle mise en œuvre du projet de prototype de réacteur à neutrons rapides « Astrid »[11]. Le sodium est peu capturant aux neutrons thermiques (0,4 barn de section efficace) et a fortiori aux neutrons rapides, cependant un peu de sodium 24 est formé dans le cours du fonctionnement qui gène l'approche des circuits dans la semaine suivant l'arrêt. Le sodium 24 est émetteur bêta et gamma de 4 MeV de période 15 h en donnant du magnésium 24 stable.

Le NaK est un alliage de sodium et de potassium, c'est un matériau important pour les transferts thermiques.

Le sodium est utilisé sous forme de vapeur alcaline dans les lampes à vapeur de sodium. Cette vapeur est très réactive : par exemple, à 1 400 °C, elle réagit avec l'alumine en formant de l'aluminate.

Le sodium liquide est un produit dangereux mais qui intéresse l'industrie nucléaire ; les technologies de maîtrise de ce sodium font l'objet d'un travail continu au sein d'un réseau dit « école internationale du sodium et des métaux liquides », qui a accueilli, depuis sa création en 1975, plus de 4000 stagiaires[11] ; « 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 »[11] ; 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, 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[11]. Un procédé de « carbonatation » permet par contact avec de la soude 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)[11].

Fabrication[modifier | modifier le code]

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 technologiques de l'utiliser en mélange avec du chlorure de calcium et du chlorure de baryum. Ce mélange permet de travailler à environ 600 °C. 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 oxydo-réduction du mélange de magnésium et soude cristalline, le tout chauffé.

Composés du sodium[modifier | modifier le code]

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

Le chlorure de sodium est indispensable à la vie, par exemple à la transmission de l'influx nerveux, faisant intervenir des échanges intermembranaires d'ions Na+.

On trouve également des composés du sodium :

Impacts environnementaux[modifier | modifier le code]

Quand il provient du sel, NaCl, massivement utilisé pour le salage des routes (près de la moitié de la consommation mondiale de sel[réf. nécessaire]), ou de remontées de sel suite à 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[réf. nécessaire]. Il existe néanmoins des bactéries extrêmophiles qui peuvent survivre dans des milieux hypersalés.

Impacts sanitaires[modifier | modifier le code]

L'ion sodium est l'un des éléments indispensables à l'organisme, mais, lorsque présent en excès (généralement à cause d'un régime trop riche en sel), c'est un facteur d'hypertension et de dégradation de la fonction rénale (au niveau des tubules[12]). Dans le sang d'un adulte de poids moyen à jeun, il doit être compris entre 136 et 145 mEq/L.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e, f, g, h et i (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (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,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  4. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, TF-CRC,‎ 2006, 87e éd. (ISBN 0849304873), p. 10-202
  5. a et b SIGMA-ALDRICH
  6. « 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
  7. Numéro index 011-001-00-0 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  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. 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
  12. 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

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
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Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés