Le sodium était utilisé dès l’antiquité sous forme de composés. Cependant, il ne fut isolé qu’en 1807 par Sir Humphry Davy, par électrolyse de soude caustique. Son nom vient de l’anglais soda qui signifie soude. C’est aussi un élément très réactif. Au contact de l’eau, il libère du dihydrogène qui peut exploser, en présence d’air. Dans l’air, il brûle avec une flamme jaune.
Numéro atomique | Masse atomique | Configuration électronique | Structure cristalline | Rayon métallique pour la coordinence 12 |
11 | 22,99 g.mol-1 | [Ne] 3s1 | cubique centrée de paramètre a = 0,429 nm | 191 pm |
Masse volumique | Dureté | Température de fusion | Température d’ébullition | Conductibilité électrique | Conductibilité thermique, à 25°C | Solubilité dans l’eau |
0,97 g.cm-3 | 0,5 | 97,81°C | 882,9 °C | 21.106 S.m-1 | 129,7 W.m-1.K-1 | oxydé en Na+ avec dégagement de dihydrogène |
Électronégativité de Pauling | État d’oxydation le plus courant | pKa : Na+aq/NaOHaq | E° : Na+ + e = Na(s) | E° : Na+ + (Hg) + e = Na(Hg) |
0,93 | +1 | 14,8 | -2,713 V | -1,84 V |
Sodium cristallisé
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Sodium gazeux
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La teneur de l’écorce terrestre est, en moyenne, de 2,6 %.
Le sodium est présent dans de nombreuses roches sous forme de silicates et silicoaluminates (feldspath : par exemple, albite, NaAlSi3O8 ; mica : par exemple, paragonite, NaAl2(AlSi3)O10(OH)2 ; feldspathoïde : par exemple, néphéline, NaAlSiO4…) et dans des dépôts de sels : carbonate de sodium naturel, chlorure de sodium… Ce dernier est, à l’état fondu, la seule matière première utilisée industriellement pour obtenir, par électrolyse, le sodium métal.
NaCl doit être purifié, après dissolution, par précipitation des ions SO42- (par BaCl2) et Mg2+ (par NaOH) puis cristallisé. Les teneurs limites acceptables pour les principales impuretés de NaCl sont les suivantes (en ppm) :
H2O | SO42- | Al3+ | Mg2+ |
400 | 30 | 3 | 1 |
NaCl fond à 801°C. Le mélange avec d’autres chlorures permet d’abaisser la température du bain d’électrolyse à environ 600°C. Composition du bain en % en masse et ( ) consommations pour une tonne de sodium produit :
NaCl | CaCl2 | BaCl2 |
28 % (2 600 kg) | 26 % (25 kg) car il est partiellement électrolysé |
46 % (6 kg) par entraînement |
Par électrolyse de NaCl fondu qui donne du sodium et du dichlore.
L’électrolyse est effectuée dans des cellules de type Downs, mises au point en 1921 par J.C. Downs et utilisées par Du Pont de Nemours dans son usine de Niagara Falls.
Les cellules sont actuellement constituées par 4 anodes cylindriques en graphite entourées par 4 cathodes en acier, séparées par un diaphragme constitué par une fine toile en acier. Chaque cellule contient 8 t de bain. Le sodium liquide se forme au sein du bain fondu (qui le protège de l’oxydation) et est évacué par un collecteur situé dans la partie supérieure de la cellule (Na est moins dense que NaCl). Cl2 (1,5 kg/kg de Na) est évacué, par un collecteur en nickel. Les cellules sont alimentées de façon continue en NaCl, la fusion est effectuée par effet Joule. Chaque cellule produit 800 kg de Na/jour.
Une salle d’électrolyse comprend environ 50 cellules montées en série. Chaque cellule a une durée de vie de l’ordre de 2000 jours.
Caractéristiques de fonctionnement d’une cellule :
Intensité | Tension | Puissance totale | Consommation d’énergie | Température |
50 000 A | 7 V | 350 kW | 10 000 kWh/t | 600°C |
Le sodium obtenu contient de 0,5 à 1 % de calcium qui est éliminé en grande partie (teneur résiduelle : environ 300 ppm) par filtration vers 100°C car, à cette température, le sodium est liquide (tf = 97,8°C) alors que le calcium reste solide. On obtient ainsi le sodium technique. Le sodium raffiné, utilisé par exemple dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, doit renfermer des teneurs en calcium inférieures à 10 ppm. Celui-ci est éliminé par oxydation sélective puis filtration.
Conditionnement : coulé dans des fûts de 200 kg ou dans des citernes ou conteneurs munis de moyens de réchauffage et refroidissement par circuit d’huile afin de charger-décharger le sodium sous forme liquide et le transporter solide.
La production mondiale est d’environ 100 000 t/an. En 1972, elle était de 202 000 t dont 13 000 t, en France.
Producteurs : en capacités de production.
Production : 28 000 t/an par Métaux Spéciaux SA à Pomblière-St Marcel (73).
Commerce extérieur : en 2022.
Exportations : 18 808 t à 37 % vers les États-Unis, 22 % l’Allemagne, 13 % la Finlande, 9 % l’Inde.
Importations : 2 521 t à 51 % de Belgique, 15 % d’Italie, 5 % d’Espagne.
Consommations : dans le monde, en 2016 : 98 400 t/an, dont 19 700 t en Europe.
Utilisations diverses :
4PbNa + 4C2H5Cl = (C2H5)4Pb + 3Pb + 4NaCl
La dernière usine de fabrication de plomb tétraéthyle, celle de Innospec Performance Chemicals à Ellesmere Port au Royaume Uni, a fermé, en 2020 avec la fin de son utilisation par son dernier client, une raffinerie algérienne.
2 CH3OH + 2 Na = 2 NaOCH3 + H2
Ce procédé permet d’obtenir un produit exempt de mercure contrairement au procédé classique utilisant une électrolyse à cathode de mercure.
Les feux de sodium.
Le sodium peut s’enflammer à l’état divisé, dans l’air, à la température ambiante. A l’état massif, il s’enflamme dans l’air dès que sa température dépasse 200°C. L’aérosol formé lors de la combustion, très dense, est constitué, principalement, de peroxyde Na2O2.
L’agent d’extinction utilisé dans les installations de Superphénix, appelé « Marcalina », était constitué d’un mélange de Na2CO3,H2O ; LiCO3 et de graphite.
L’élimination du sodium
L’eau étant proscrite, le procédé utilisé consiste à oxyder le sodium par l’alcool. La réaction n’est pas violente, comme avec l’eau, mais la formation de dihydrogène implique de prévenir les risques d’explosion ou d’inflammation du mélange dihydrogène-air, les limites d’explosivité, à la pression atmosphérique et à 25°C, étant comprises entre 4 et 75 % de dihydrogène dans l’air. Il y a eu 1 mort, à Cadarache, dans les installations du CEA, lors de l’élimination du sodium utilisé pour le réacteur expérimental Rapsodie.