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 ), 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.
Histoire 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 , un carbonate de sodium naturel (le natron). En allemand, en danois, en norvégien ou en néerlandais, sodium se dit natrium.
Isotopes
Le sodium possède 22 isotopes connus, avec un nombre de masse variant entre 18 et 37. Seul le sodium 23 (Na) est stable, ce qui fait du sodium un élément monoisotopique. À part Na et Na, isotopes radioactifs cosmogéniques de demi-vies et , 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 Na est trouvé dans la nature et le sodium est donc considéré comme un élément mononucléidique.
Caractéristiques notables Caractéristiques chimiques vignette|gauche|Sodium métallique.|alt=Plusieurs blocs gris légèrement brillants de sodium. 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) : vignette|gauche|Réaction du sodium avec l'eau.|alt=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. Na + → Na + OH + H
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 , 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 , soit ). vignette|gauche|Raies spectrales du sodium.|alt=Graphique présentant les 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 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 Laurent Sacco, Sous pression, le sodium métallique devient transparent !, futura-sciences, 17 mars 2009..
Caractéristiques physiques 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 et bout à . Coefficient de dilatation à = . Formule pour la masse volumique du solide : ρ = 971 / (1+0,00007*(t-20)) ; avec ρ en kg/m et t en °C. Corrélation pour la masse volumique du liquide : ρ = 949 - 0,223 × t - 0,0000175 × t ; avec ρ en kg/m et t en °C ; applicable entre 100 et . Corrélation pour la valeur de Cp du solide : Cp = 1,02954 + 0,00059184 × t + 0,00000010528 × t ; avec Cp en kJ/(kg⋅K) et t en °C ; applicable entre 0 et . Corrélation pour la valeur de Cp du liquide : Cp = 1,62957 - 0,000832987 × T + 0,000000462265 × T ; avec Cp en kJ/(kg⋅K) et T en K ; applicable entre 100 et . Corrélation pour la viscosité dynamique du liquide : μ = × t + × t - × t + ; avec μ en kg/(m⋅s) et t en °C ; applicable entre 100 et . Corrélation pour la conductivité thermique du liquide : λ = (2,442544 × (t + 273,15)) / (6,8393 + 0,033873 × t + 0,000017235 × t) ; avec λ en W/(m⋅K) et t en °C ; applicable entre 100 et . Corrélation pour la pression de vapeur saturante : Ps = × (t + 273,15) × exp[ / (t + 273,15)] ; avec Ps en Pa et t en °C ; applicable entre 100 et Usuel de chimie générale et minérale- M.Bernard - F.Busnot.
+ Quelques caractéristiques thermodynamiques du sodiumLes valeurs entre parenthèses correspondent à une autre détermination de la grandeur physique Température(°C) Massevolumiqueρ(kg/m) Viscositédynamiqueμ(10 kg/(m⋅s) Conductivité thermiqueλ(W/(m⋅K)) Capacité calorifiqueà pressionconstanteCp(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 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 : pour la synthèse de l'indigo artificiel, du borohydrure de sodium, dans la réduction de Birch dans certains alliages, pour améliorer leur structure, ou, dans le cas du NaK (alliage de sodium et de potassium), pour ses qualités de transfert thermique ; pour purifier les métaux fondus ; pour la fabrication des lampes à vapeur de sodium grâce au doublet du sodium ; pour la fabrication du silicium utilisé dans l'électronique ou les panneaux solaires ; pour les batteries sodium - soufre. pour les batteries sodium - ion. 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 (par exemple le Rolls-Royce Merlin). Il sert également dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides (Cf. infra)
La vapeur de sodium (utilisée dans les lampes) est très réactive : par exemple, à , elle réagit avec l'alumine en formant de l'aluminate de sodium.
Industrie nucléaire 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 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 1998Assemblée 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 et dans la perspective d'une éventuelle mise en œuvre du projet de prototype de réacteur à neutrons rapides « Astrid ».
Le réseau dit « école internationale du sodium et des métaux liquides », a accueilli, depuis sa création en 1975, plus de ; . 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. 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).
Fabrication Le sodium sous forme métallique est fabriqué par électrolyse du chlorure de sodium fondu. Le chlorure de sodium fondant vers , 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 . En 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 : l'usine électrochimique de Pomblière opérée par MSSA - Métaux spéciaux en France, près de Moutiers, en Savoie ; différents producteurs récemment apparus en Chine (en Mongolie Intérieure, dans le Níngxià et le Henan).
Il est aussi possible d'obtenir du sodium métallique par électrolyse d'hydroxyde de sodium, NaOH, fondu c'est-à-dire vers . Toutefois, comme il est plus difficile de récupérer le métal pur dans ce cas, l'industrie préfère l'électrolyse de NaCl.
Composés du sodium Les composés chimiques dans lesquels on trouve un ion sodium Na+ sont extrêmement nombreux. Parmi les plus simples on peut citer : le sel marin ou sel de table, qui est du chlorure de sodium (NaCl) ; la soude (Na+ + OH−) ou l'hydroxyde de sodium (NaOH) ; l'eau de Javel, qui contient du chlorure de sodium et de l'hypochlorite de sodium (NaClO).
On trouve également des composés du sodium : dans le savon (en combinaison avec des acides gras) ; dans les chaufferettes sous forme d'acétate de sodium.