Le sodium est un élément de la vie quotidienne. Sous sa version la plus commune, il se propose sous forme de sel, abondant dans l’océan et donnant du goût à nos assiettes. Le symbole Na représente cet élément chimique de numéro atomique 11. En effet, le nombre de protons qui le compose se limite à 11.
Dans le tableau périodique, il appartient au groupe 1 et se classe dans la famille du métal alcalin. Cet élément extrêmement réactif possède une masse atomique de 22,9898 u et une dureté de 0,5. Avec une densité de 0,97, son point de fusion est de 97,80 °C, tandis que son point d’ébullition atteint 883 °C. Ses autres propriétés atomiques sont les suivantes :
Le sodium est très présent sur la planète puisqu’il constitue 2,27 % du nombre d’atomes de la croûte terrestre. Il se retrouve lié à divers minéraux et s’affiche dans son état solide et non magnétique. Il foisonne également dans l’eau de mer sous forme d’ions libres avec une teneur de 10,8 g/kg. Cet élément entre en réaction facilement. Au contact de l’air, son oxydation s’active. Sa réaction s’intensifie davantage avec l’eau. Il suffit de regarder le comportement du sel de table, formé à base de chlorure de sodium.
L’exploitation du sodium sous ses formes composées a commencé dans l’Antiquité. Au Moyen-âge, cet élément servait d’antidouleur et de médicament contre les maux de tête. C’est seulement en 1807 que son atome fut isolé par Sir Humphry Davy, sous le procédé d’électrolyse de la soude caustique.
Le sodium figure parmi la longue liste de substances chimiques découvertes par le physicien et chimiste anglais Sir Humphry Davy . Dans cette classification, on trouve le potassium, le magnésium, le strontium, le calcium et le sodium. Le chercheur a même reçu le grand prix de l’Institut de France en 1807 pour son invention phare : la lampe Davy.
Étymologiquement, le sodium tire sa racine de l’anglais « soda » qui signifie soude. Le symbole Na qui le caractérise vient du mot grec « natrium » ou « nitron » qui veut dire « natron ». En effet, il s’agit d’un composé du sodium qui s’appelle natrium, une espèce minérale connue également sous le nom « natron ».
Le nombre de masse d’un atome équivaut aux quantités de nucléons qui le composent. Pour les 22 isotopes connus du sodium, il varie de 18 à 37. Le sodium constitue un élément monoisotopique en raison de son seul isotope stable : sodium 23. Ses 19 isotopes possèdent une demi-vie inférieure à une minute. Les deux autres exceptions sont le 22Na et 24Na. Ces deux isotopes radioactifs cosmogéniques ont respectivement une demi-vie de 2,6 ans et de 15 heures. Le sodium se traduit aussi en un élément mononucléidique.
Le sodium est très apprécié pour sa haute capacité de conduction électrique. Il se propose également comme un excellent fluide caloporteur. Cet élément chimique possède la faculté d’abaisser la température de fusion à moins de 0 °C.
Étant une substance très réactive, il peut produire une explosion. Au contact de l’eau, sa principale réaction commence avec la libération d’hydrogène. Propulsé dans l’air, il devient inflammable à 115 °C, soit à des températures supérieures à 388 K. Il dégage alors une flamme jaune.
Sa conservation dans le pétrole le maintient stable et l’empêche d’entrer en réaction. Le stockage de la matière s’opère aussi dans une atmosphère inerte d’azote ou d’argon. Ce conditionnement constitue l’idéal pour transporter le produit en toute sécurité. Comme il entre en fusion à une température relativement basse, il devient simple de le manier et de le transférer d’un endroit à un autre. Toutefois, il faut veiller en permanence à l’humidité. Son contact avec l’eau peut engendrer une forte réaction.
Comme le sodium intègre la catégorie des métaux alcalins, il se décline en blanc argenté, sous forme de poudre rose. Sa légèreté est telle que la substance flotte dans l’eau et commence alors à se décomposer. Dans cette phase, elle produit un mélange de dihydrogène et de la soude, pour arriver à de l’hydroxyde de sodium. Cette réaction s’opère sous la formule suivante :
Na + H2O → Na+ + OH− + H2
Le spectre du sodium se distingue par ses deux raies, particulièrement brillantes dans le jaune. Ces deux raies D2 et D1 sont placées à 589,00 et 589,59 nm. L’interférence résultante de ces deux ondes de fréquences voisines conduit à un phénomène de battement puissant. Lorsque le sodium est mis sous pression, la matière mut en noir et développe son caractère d’isolant. Si la pression augmente et atteint les 200 gigapascals, la substance devient translucide rouge pour petit à petit changer en transparent.
Le sodium est très abondant et se retrouve dans de multiples composés. Dans la majorité des cas, il se décline sous la formule Na+ en ions de sodium. L’alliage de sodium et de potassium donne le NaK, qui se traduit en liquide à température ambiante. Le mélange reste dans son état liquide jusqu’à -12,6 °C. Il n’entre en ébullition qu’à 785 °C. Le coefficient de dilatation du sodium est à 25 °C = 70 × 10−6 °C− 1.
À l’état solide, la formule pour définir sa masse volume est la suivante :
ρ = 971 / (1+0,00007*(t-20))3 ; avec ρ en kg/m3 et t en °C.
La corrélation de la valeur de Cp entre 0 et 90°C peut être déterminée à partir de la formule suivante : Cp = 1,02954 + 0,00059184 × t + 0,00000010528 × t2, exprimée en kJ/(kg⋅K) pour Cp et en °C pour t.
La densité du sodium liquide est liée à la température par la corrélation suivante : ρ = 949 – 0,223 × t – 0,0000175 × t2, avec ρ en kg/m3 et t en °C. Cette corrélation est applicable entre 100 et 800 °C.
La capacité calorifique du sodium liquide peut être déterminée à partir de la corrélation Cp = 1,62957 – 0,000832987 × T + 0,000000462265 × T2, avec Cp en kJ/(kg⋅K) et T en K. Cette corrélation est applicable entre 100 et 800 °C.
La viscosité du sodium liquide est liée à la température par la corrélation 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. Cette corrélation est applicable entre 100 et 700 °C.
La conductivité thermique du sodium liquide se calcule à partir de la corrélation λ = (2,442544 × (t + 273,15)) / (6,8393 + 0,033873 × t + 0,000017235 × t2), avec λ en W/(m⋅K) et t en °C. Cette corrélation est applicable entre 100 et 700 °C.
Le rapport entre la pression de vapeur saturante du sodium liquide et la température est la corrélation Ps = 4,216 × 1013 × (t + 273,15)-1,18 × exp[-13 308,94 / (t + 273,15)], avec Ps en Pa et t en °C. Cette corrélation est applicable entre 100 et 800 °C.
Le sodium intègre votre quotidien sous forme d’ions de sodium. Pour citer quelques exemples, il est présent dans les matières suivantes :
Le sodium métallique est exploité dans différents domaines. Son champ d’application est si vaste et varié que la substance devient indispensable pour l’industrie pharmaceutique, les cosmétiques, l’électronique. La matière intègre également les composés de peinture et de pesticides.
Le sodium métallique sert à la synthèse de l’indigo artificielle. Le borohydrure de sodium constitue un des composants importants dans la création de la teinte indigo en peinture.
L’alliage de plomb et du sodium est utilisé dans la production de plomb tétraéthyl. Présente dans nos réservoirs, cette substance se traduit en un additif antidétonant, composant du carburant pour auto.
Certaines batteries sont également conçues à partir de sodium et de soufre. En hiver, le produit est combiné à du chlore sous la formule NaCI. Ce mélange donne du sel de salage, le composé idéal pour dégivrer et déneiger les routes dangereuses.
Aussi, en raison de la haute propriété caloporteuse du sodium, la substance dans son format liquide sert à la conception de soupapes creuses des moteurs d’automobile. C’est le cas pour la Rolls-Royce Merlin.
Le produit entre dans la composition du silicium. Ce métalloïde est très pratique à cause de sa semi-conductivité. Ses autres propriétés le rendent indispensable dans la conception de panneaux solaires. Il sert également dans le domaine électronique.
Les lampes à vapeur de sodium sont aussi conçues à partir de l’élément. Dans d’autres domaines, le sodium métallique sert d’alliage pour enlever les impuretés des métaux. D’autres alliages comme le NaK, où se mélangent sodium et potassium, sont très utiles. Cette combinaison possède une réelle propriété de transfert thermique.
Les caractéristiques de ce composant lui valent une place déterminante dans le domaine nucléaire. Le sodium possède une haute capacité calorifique, tout en disposant d’une grande conductivité thermique. Ainsi, il s’avère plus difficile pour les neutrons thermiques de capter les atomes du Na. À ce titre, le fluide caloporteur conçu à partir du sodium s’incorpore dans les centrales des réacteurs nucléaires à neutrons rapides.
Mais à cause de la difficulté à éteindre les feux de sodium, son usage est plus restreint. La manipulation du sodium liquide est très dangereuse. Aussi, le passage de la substance au cœur du réacteur en pleine marche laisse des traces de formation du sodium 24. Cet élément est connu pour sa radioactivité et propose une demi-vie de 15 heures, tout en produisant du magnésium 24 stable. Par précaution, les circuits sont mis en arrêt et en quarantaine pour une durée d’une semaine après chaque processus.
Jusqu’à ce jour, les chercheurs continuent de travailler sur les techniques éventuelles à adopter pour une utilisation et exploitation sécurisée de la matière. Le CEA de Cadarache se concentre principalement sur cette tâche et sur le démantèlement de Superphénix depuis 1998. Toutes ces actions tiennent lieu dans l’initiative de mettre en place le projet pilote « Astrid » : un réacteur à neutrons rapides.
En outre, il existe aussi le réseau « École internationale du sodium et des métaux liquides » créé depuis 1975. Il a accueilli plus de 4 000 stagiaires depuis son ouverture. Le centre se canalise sur la création d’un générateur de vapeur qui fonctionne grâce au sodium. Il travaille notamment sur l’exploitation d’un système d’alimentation par circuit de sodium et par un circuit tertiaire au gaz.
La maîtrise de la vapeur de sodium reste très difficile. Il y a matière à réfléchir sur les méthodes de neutralisation de la substance afin de limiter au mieux les incidents. L’objectif est de contrôler les phases les plus délicates du processus, notamment celles des vidanges ou du démantèlement d’installations. Le procédé actuel dit NOAH s’axe sur l’utilisation de deux produits redoutables : l’hydrogène et la soude.
Ainsi, les chercheurs développent l’approche par ultrasons pour détecter l’état d’engazement du sodium. Ils exploitent également d’autres conjectures telles que :
Au final, ils sont fixés sur le procédé de carbonatation pour assainir les parois contaminées. La soude entre en contact avec du gaz carbonique. Cela conduit à la production de carbonates de sodium : une substance inerte et soluble. Le seul souci avec cette approche réside dans la lenteur du processus, qui met moins d’un millimètre/jour.
L’électrolyse du chlorure de sodium fondu permet de produire du sodium métallique. Cette matière première entre en fusion à 800 °C. Son mélange avec du chlorure de calcium et du chlorure de baryum permet de le travailler à 600 °C.
Les élèves peuvent tenter cette expérience avec une approche plus simple et moins dangereuse. Ils peuvent se servir d’une pipe en terre en guise de creuset. Une aiguille à tricoter en acier ou d’autres tiges en acier servent d’électrode négative pour capter le sodium. La mine graphite d’un crayon noir est utilisé comme électrode positive. C’est à partir de là que se dégage le chlore. Comme catalyseur, la source de chaleur d’un bec Bunsen fera l’affaire.
En outre, il existe également une méthode plus artisanale pour produire du sodium. Celle-ci se base sur la mise en fusion du mélange de soude et de magnésium. Cette technique d’oxydoréduction du mélange cristalline est simple à réaliser.
L’électrolyse d’hydroxyde de sodium ou NaOH fonctionne aussi. Cette pratique permet de concevoir du sodium métallique. Il suffit de fondre la substance à 300 °C. Mais dans tous les cas, les entreprises préfèrent prioriser la première méthode. Avec le NaOH, il n’est pas simple de dissocier le métal pur de la composition.
En France, une industrie spécialisée dans le traitement de métaux spéciaux exploite cette filière. Elle se trouve près de Moûtiers en Savoie. Il s’agit de l’usine électrochimique de Plombière de MSSA. La production de cette matière ne se limite pas seulement dans l’Hexagone. La Chine exploite également le sodium dans des endroits clés comme en Mongolie-Intérieure, dans le Níngxià et le Henan.
L’élément est présent dans le corps humain. Il maintient la vitalité de l’homme. Il assure le mécanisme de l’activité électrique des cellules de l’organisme. Il est le responsable des échanges transmembranaires d’ions Na+.
Le sodium se propose à une quantité de 140 mEq.L-1 dans le sang d’une personne à jeun, possédant un indice de masse corporelle normal. Ce dosage témoigne de la bonne santé de l’individu. Si le sang contient plus de sodium qu’il ne le devrait (surcharge sodique), cela peut être fatal pour la personne. Il s’expose aux risques d’hypertension et à un début de problème rénal. Voilà pourquoi il est important de limiter au mieux la consommation du sel. La première cause de ces soucis émane d’un régime trop riche en sel ou une hypernatrémie.
Le sodium constitue un élément écotoxique. À ce titre, il se traduit en un polluant toxique qui nuit à l’environnement. Une présence excessive de sodium dans le sol conduit à la salinisation de la surface. Cette réaction se produit avec le salage des routes ou la remontée de sel. En conséquence, elle détruit la qualité de la croûte terrestre et empoisonne la faune et la flore. Elle peut détruire un grand nombre d’espèces animales, végétales, fongiques et microbiennes. Seules quelques bactéries extrémophiles parviennent à subsister dans un tel milieu.
Comme la France possède une industrie qui se spécialise dans l’exploitation de la matière, elle figure dans la liste des pays importateurs de sodium. En 2014, les douanes françaises annoncent les statiques. Le pays fixe le sodium à 2 000 euros le prix moyen par tonne, dans la sphère de l’importation.
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