La découverte du 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 ».

Isotope du sodium

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.  

Les caractéristiques chimiques du sodium

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.

État solide

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.

État liquide

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.

Les multiples utilisations du sodium

Le sodium intègre votre quotidien sous forme d’ions de sodium. Pour citer quelques exemples, il est présent dans les matières suivantes :

• la soude sous la formule Na⁺ + OH^–  ;
• l’eau de javel ;
• le sel de table sous forme de chlorure de sodium NaCI ;
• dans l’hydroxyde de sodium NaOH ;
• l’hypochlorite de sodium en NaCIO ;
• l’acétate de sodium dans les radiateurs portatifs ;
• le savon : le sodium est associé avec les acides gras.

Le sodium dans l’univers du nucléaire

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 :

• l’acoustique pour évaluer le débit et la température du sodium en état liquide ;
• la chimie pour s’assurer de la teneur en oxygène présente dans le mélange ;
• les courants Foucault pour détecter les failles au niveau de l’installation ;
• la télémétrie pour jauger la portée des capteurs présents dans le sodium liquide.

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.

Comment le sodium est-il conçu ?

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.      

Les pays producteurs de sodium

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.

La commercialisation du sodium

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.