SODIUM: HISTOIRE, STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, RISQUES ET UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

Le sodium est un métal alcalin du groupe 1 du tableau périodique. Son numéro atomique est 11 et il est représenté par le symbole chimique Na. C'est un métal léger, moins dense que l'eau, de couleur blanc argenté qui vire au gris lorsqu'il est exposé à l'air; c'est pourquoi il est stocké dans des paraffines ou des gaz rares.

De plus, c'est un métal tendre qui peut être coupé avec un couteau et devient cassant à basse température. Réagit de manière explosive avec l'eau pour former de l'hydroxyde de sodium et de l'hydrogène gazeux; Il réagit également à l'air humide et à l'humidité des mains nues.

Le sodium métallique stocké dans une bouteille et immergé dans l'huile afin qu'il ne réagisse pas avec l'air. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques

Ce métal se trouve dans les sels minéraux tels que l'halite (chlorure de sodium), dans les saumures et dans la mer. Le chlorure de sodium représente 80% de tous les matériaux dissous dans la mer, le sodium ayant une abondance de 1,05%. C'est le sixième élément en abondance dans la croûte terrestre.

L'analyse des spectres de la lumière provenant des étoiles a permis de détecter leur présence en elles, y compris le Soleil. De même, leur présence dans les météorites a été déterminée.

Le sodium est un bon conducteur thermique et électrique, ainsi qu'une grande capacité d'absorption de chaleur. Il subit le phénomène photoélectrique, c'est-à-dire qu'il est capable d'émettre des électrons lorsqu'il est éclairé. Lorsqu'elle est brûlée, sa flamme émet une lumière jaune intense.

Le sodium fondu agit comme un agent de transfert de chaleur, c'est pourquoi il est utilisé comme réfrigérant dans certains réacteurs nucléaires. Il est également utilisé comme désoxydant et réducteur de métaux, c'est pourquoi il a été utilisé dans la purification de métaux de transition, tels que le titane et le zirconium.

Le sodium est le principal contributeur à l'osmolarité du compartiment extracellulaire et à son volume. De même, il est responsable de la génération de potentiels d'action dans les cellules excitables et de l'initiation de la contraction musculaire.

Un apport excessif en sodium peut provoquer: des maladies cardiovasculaires, un risque accru d'accident vasculaire cérébral, l'ostéoporose due à la mobilisation du calcium osseux et des lésions rénales.

L'histoire

L'homme utilise des composés de sodium depuis l'Antiquité, en particulier le chlorure de sodium (sel commun) et le carbonate de sodium. L'importance du sel est mise en évidence par l'utilisation du mot latin «salarium», pour indiquer une portion de sel que les soldats ont reçue dans le cadre du paiement.

Au Moyen Âge, un composé de sodium était utilisé avec le nom latin «sodanum», qui signifiait mal de tête.

En 1807, Sir Humprey Davy a isolé le sodium par électrolyse de l'hydroxyde de sodium. Davy a également isolé le potassium, à une époque où l'hydroxyde de sodium et l'hydroxyde de potassium étaient considérés comme des substances élémentaires et appelés alcalis fixes.

Davy, dans une lettre à un ami, a écrit: «J'ai décomposé et recomposé les alcalis fixes et j'ai découvert que leurs bases étaient deux nouvelles substances très inflammables semblables aux métaux; mais l'un d'eux est plus inflammable que l'autre et très réactif ».

En 1814, Jöns Jakob dans son système de symboles chimiques a utilisé l'abréviation Na pour le mot latin «natrium», afin de nommer le sodium. Ce mot vient du nom égyptien «natron» utilisé pour désigner le carbonate de sodium.

Structure et configuration électronique du sodium

Le sodium métallique cristallise en une structure cubique centrée sur le corps (Bcc). Par conséquent, ses atomes de Na sont positionnés pour former des cubes, avec un situé au centre et chacun avec huit voisins.

Cette structure se caractérise par être la moins dense de toutes, ce qui concorde avec la faible densité de ce métal; si faible, qu'il est avec le lithium et le potassium, les seuls métaux qui peuvent flotter dans l'eau liquide (avant d'exploser, bien sûr). Sa faible masse atomique, par rapport à son rayon atomique volumineux, contribue également à cette propriété.

La liaison métallique résultante, cependant, est assez faible et peut être expliquée par la configuration électronique:

3s ¹

Les électrons de la coque fermée ne participent pas (du moins dans des conditions normales) à la liaison métallique; mais l'électron dans l'orbitale 3s. Les atomes de Na chevauchent leurs orbitales 3 pour créer une bande de valence; et le 3p, vide, une bande de conduction.

Cette bande 3s, étant à moitié pleine, ainsi qu'en raison de la faible densité du cristal, rend la force, gouvernée par la "mer d'électrons", faible. Par conséquent, le sodium métallique peut être coupé avec un métal et ne fond qu'à 98 ° C.

Transitions de phase

Le cristal de sodium peut subir des modifications de sa structure lorsqu'il subit des augmentations de pression; tandis que lorsqu'il est chauffé, il est peu probable qu'il subisse des transitions de phase en raison de son bas point de fusion.

Une fois que les transitions de phase commencent, les propriétés du métal changent. Par exemple, la première transition génère une structure cubique à faces centrées (fcc). Ainsi, la structure clairsemée bcc est compactée en fcc lorsque le sodium métallique est pressé.

Cela peut ne pas produire de changement appréciable des propriétés du sodium autre que sa densité. Cependant, lorsque les pressions sont très élevées, les allotropes (non polymorphes car ils sont un métal pur) deviennent de manière surprenante des isolants et des électrides; c'est-à-dire que même les électrons sont fixés dans le cristal sous forme d'anions et ne circulent pas librement.

En plus de ce qui précède, leurs couleurs changent également; le sodium cesse d'être grisâtre pour devenir sombre, rougeâtre ou même transparent, à mesure que les pressions de fonctionnement augmentent.

Numéros d'oxydation

Compte tenu de l'orbitale de valence 3s, lorsque le sodium perd son seul électron, il se transforme rapidement en cation Na ⁺, qui est isoélectronique au néon. Autrement dit, Na ⁺ et Ne ont le même nombre d'électrons. Si l'on suppose la présence de Na ⁺ dans le composé, alors son indice d'oxydation est dit +1.

Alors que si le contraire se produit, c'est-à-dire que le sodium gagne un électron, sa configuration électronique résultante est 3s ²; maintenant il est isoélectronique avec le magnésium, étant l'anion Na ^- appelé sodium. Si la présence de Na ^- dans le composé est supposée, alors le sodium aura un indice d'oxydation de -1.

Propriétés

Une solution éthylique de chlorure de sodium brûlant pour manifester la couleur jaune caractéristique de la flamme de ce métal. Source: Der Messer

Description physique

Métal léger souple, ductile et malléable.

Poids atomique

22,989 g / mol.

Couleur

Le sodium est un métal argenté léger. Brillant lorsqu'il est fraîchement coupé, mais perd de son éclat au contact de l'air, devenant opaque. Doux à la température, mais assez dur à -20 ºC.

Point d'ébullition

880 ° C

Point de fusion

97,82 ºC (presque 98 ºC).

Densité

À température ambiante: 0,968 g / cm ³.

À l'état liquide (point de fusion): 0,927 g / cm ³.

Solubilité

Insoluble dans le benzène, le kérosène et le naphta. Il se dissout dans l'ammoniaque liquide, donnant une solution de couleur bleue. Il se dissout dans le mercure formant un amalgame.

La pression de vapeur

Température 802 K: 1 kPa; c'est-à-dire que sa pression de vapeur est considérablement faible même à des températures élevées.

Décomposition

Il se décompose violemment dans l'eau, formant de l'hydroxyde de sodium et de l'hydrogène.

La température d'auto-inflammation

120 à 125 ° C

Viscosité

0,680 cP à 100 ° C

Tension superficielle

192 dynes / cm au point de fusion.

Indice de réfraction

4.22.

Electronégativité

0,93 sur l'échelle de Pauling.

Énergie d'ionisation

Première ionisation: 495,8 kJ / mol.

Seconde ionisation: 4 562 kJ / mol.

Troisième ionisation: 6 910,3 kJ / mol.

Radio atomique

186 pm.

Rayon covalent

166 ± 21 h.

Dilatation thermique

71 µm (m · K) à 26 ° C

Conductivité thermique

132,3 W / m K à 293,15 K.

Résistivité électrique

4,77 × 10 ^-8 Ωm à 293 K.

Nomenclature

Étant donné que le sodium a un numéro d'oxydation unique de +1, les noms de ses composés, régis par la nomenclature du stock, sont simplifiés car ce nombre n'est pas spécifié entre parenthèses et avec des chiffres romains.

De la même manière, leurs noms selon la nomenclature traditionnelle se terminent tous par le suffixe -ico.

Par exemple, NaCl est le chlorure de sodium selon la nomenclature de base, le chlorure de sodium (I) étant erroné. Il est également appelé monochlorure de sodium, selon la nomenclature systématique; et le chlorure de sodium, selon la nomenclature traditionnelle. Cependant, son nom le plus courant est le sel de table.

Rôle biologique

Composant osmotique

Le sodium a une concentration extracellulaire de 140 mmol / L, étant sous forme ionique (Na ⁺). Pour maintenir l'électroneutralité du compartiment extracellulaire, Na ⁺ est accompagné d'anions chlorure (Cl ^-) et bicarbonate (HCO ₃ ^-), avec des concentrations de 105 mmol / L et 25 mmol / L respectivement.

Le cation Na ⁺ est le principal composant osmotique et a la plus grande contribution à l'osmolarité du compartiment extracellulaire, de sorte qu'il y a une égalité d'osmolarité entre les compartiments extracellulaire et intracellulaire qui garantit l'intégrité du compartiment intracellulaire.

En revanche, la concentration intracellulaire de Na ⁺ est de 15 mmol / L. Donc: pourquoi les concentrations de Na ⁺ extra et intracellulaire ne sont-elles pas égalisées ?

Il y a deux raisons pour lesquelles cela ne se produit pas: a) la membrane plasmique est peu perméable au Na ⁺. b) l'existence de la pompe Na ⁺ -K ⁺.

La pompe est un système enzymatique dans la membrane plasmique qui utilise l'énergie contenue dans l'ATP pour éliminer trois atomes de Na ⁺ et introduire deux atomes de K ⁺.

De plus, il existe un ensemble d'hormones, dont l'aldostérone, qui, en favorisant la réabsorption rénale du sodium, garantit le maintien de la concentration extracellulaire de sodium à sa juste valeur. L'hormone antidiurétique aide à maintenir le volume extracellulaire.

Production de potentiels d'action

Les cellules excitables (neurones et cellules musculaires) sont celles qui répondent à un stimulus approprié avec la formation d'un potentiel d'action ou d'une impulsion nerveuse. Ces cellules maintiennent une différence de tension à travers la membrane plasmique.

L'intérieur de la cellule est chargé négativement par rapport à l'extérieur de la cellule dans des conditions de repos. Étant donné un certain stimulus, il y a une augmentation de la perméabilité de la membrane au Na ⁺ et une petite quantité d'ions Na ⁺ pénètre dans la cellule, provoquant une charge positive de l'intérieur de la cellule.

C'est ce qu'on appelle un potentiel d'action, qui peut se propager à travers un neurone et c'est la façon dont les informations le traversent.

Lorsque le potentiel d'action atteint les cellules musculaires, il les stimule à se contracter par des mécanismes plus ou moins complexes.

En résumé, le sodium est responsable de la production de potentiels d'action dans les cellules excitables et de l'initiation de la contraction des cellules musculaires.

Où est-il situé

croûte terrestre

Le sodium est le septième élément le plus abondant de la croûte terrestre, représentant 2,8% de celui-ci. Le chlorure de sodium fait partie de l'halite minéral, qui représente 80% des matières dissoutes dans la mer. La teneur en sodium de la mer est de 1,05%.

Le sodium est un élément très réactif, c'est pourquoi il ne se trouve pas sous sa forme native ou élémentaire. On le trouve dans des minéraux solubles comme l'halite ou des minéraux insolubles comme la cryolite (un fluorure de sodium et d'aluminium).

Mer et halite minérale

Outre la mer en général, la mer Morte se caractérise par une concentration très élevée de différents sels et minéraux, en particulier le chlorure de sodium. Le Grand Lac Salé aux États-Unis a également une concentration élevée de sodium.

Le chlorure de sodium se trouve presque pur dans l'halite minérale, présente dans la mer et dans les structures rocheuses. Le sel gemme ou minéral est moins pur que l'halite, que l'on trouve dans les gisements minéraux de Grande-Bretagne, de France, d'Allemagne, de Chine et de Russie.

Dépôts salins

Le sel est extrait de ses dépôts rocheux par fragmentation des roches, suivie d'un processus de purification du sel. À d'autres moments, de l'eau est introduite dans les réservoirs de sel pour la dissoudre et former une saumure, qui est ensuite pompée à la surface.

Le sel est obtenu de la mer dans des bassins peu profonds appelés salines, par évaporation solaire. Le sel ainsi obtenu est appelé sel de baie ou sel marin.

Cellule Downs

Le sodium a été produit par la réduction carbothermique du carbonate de sodium effectuée à 1 100 ° C. Actuellement, il est produit par électrolyse du chlorure de sodium fondu, à l'aide de la cellule Downs.

Cependant, comme le chlorure de sodium fondu a un point de fusion d'environ 800 ° C, du chlorure de calcium ou du carbonate de sodium est ajouté pour abaisser le point de fusion à 600 ° C.

Dans la chambre Downs, la cathode est en fer de forme circulaire, autour d'une anode en carbone. Les produits d'électrolyse sont séparés par un treillis en acier pour éviter le contact des produits d'électrolyse: sodium élémentaire et chlore.

Au niveau de l'anode (+), la réaction d'oxydation suivante se produit:

2 Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2 e ^-

Pendant ce temps, à la cathode (-) la réaction de réduction suivante se produit:

2 Na ⁺ (l) + 2 e ^- → 2 Na (l)

Réactions

Formation d'oxydes et d'hydroxyde

Il est très réactif à l'air en fonction de son humidité. Il réagit pour former un film d'hydroxyde de sodium, qui peut absorber le dioxyde de carbone et éventuellement former du bicarbonate de sodium.

Il s'oxyde dans l'air pour former du monoxyde de sodium (Na ₂ O). Alors que le superoxyde de sodium (NaO ₂) est préparé en chauffant du sodium métallique à 300 ºC avec de l'oxygène à haute pression.

À l'état liquide, il s'enflamme à 125 ° C, produisant une fumée blanche irritante, capable de produire une toux. Il réagit également vigoureusement avec l'eau pour produire de l'hydroxyde de sodium et de l'hydrogène gazeux, provoquant l'explosion de la réaction. Cette réaction est fortement exothermique.

Na + H ₂ O → NaOH + 1/2 H ₂ (3367 kilocalories / mol)

Aux acides halogénés

Les acides halogénés, tels que l'acide chlorhydrique, réagissent avec le sodium pour former les halogénures correspondants. Pendant ce temps, sa réaction avec l'acide nitrique génère du nitrate de sodium; et avec l'acide sulfurique, il génère du sulfate de sodium.

Réductions

Na réduit les oxydes des métaux de transition, produisant les métaux correspondants en les libérant de l'oxygène. De plus, le sodium réagit avec les halogénures des métaux de transition, provoquant le déplacement des métaux pour former du chlorure de sodium et libérer les métaux.

Cette réaction a permis d'obtenir des métaux de transition, notamment le titane et le tantale.

Avec de l'ammoniaque

Le sodium réagit avec l'ammoniac liquide à basse température et lentement pour former du sodamide (NaNH ₂) et de l'hydrogène.

Na + NH ₃ → NaNH ₂ + 1/2 H ₂

L'ammoniac liquide sert de solvant pour la réaction du sodium avec divers métaux, y compris l'arsenic, le tellure, l'antimoine et le bismuth.

Biologique

Réagit avec les alcools pour produire des alcoolates ou des alcoolates:

Na + ROH → RONa + 1/2 H ₂

Il produit la déshalogénation des composés organiques, provoquant un doublement du nombre de carbones du composé:

2 Na + 2 RCl → RR + 2 NaCl

L'octane peut être produit par la déshalogénation du bromure de butane avec du sodium.

Avec des métaux

Le sodium peut réagir avec d'autres métaux alcalins pour former un eutectique: un alliage qui se forme à des températures plus basses que ses composants; par exemple, NaK qui a un pourcentage K de 78%. Le sodium forme également des alliages avec le béryllium avec un petit pourcentage du premier.

Les métaux précieux comme l'or, l'argent, le platine, le palladium et l'iridium, ainsi que les métaux blancs comme le plomb, l'étain et l'antimoine, forment des alliages avec le sodium liquide.

Des risques

C'est un métal qui réagit fortement avec l'eau. Par conséquent, le contact avec des tissus humains enduits d'eau peut causer de graves dommages. Produit de graves brûlures au contact de la peau et des yeux.

De même, par ingestion, il peut provoquer une perforation de l'œsophage et de l'estomac. Cependant, bien que ces blessures soient graves, seule une petite proportion de la population y est exposée.

Le plus grand dommage que le sodium peut causer est dû à son apport excessif en aliments ou en boissons préparés par les humains.

Le corps humain a besoin d'un apport en sodium de 500 mg / jour, pour remplir son rôle dans la conduction nerveuse, ainsi que dans la contraction musculaire.

Mais généralement, une quantité beaucoup plus élevée de sodium est ingérée dans l'alimentation, ce qui produit une augmentation de la concentration plasmatique et sanguine de celui-ci.

Cela peut provoquer une hypertension artérielle, des maladies cardiovasculaires et des accidents vasculaires cérébraux.

L'hypernatrémie est également associée à la génération de l'ostéoporose en induisant une sortie de calcium du tissu osseux. Les reins ont du mal à maintenir une concentration plasmatique normale de sodium malgré un apport excessif, ce qui peut entraîner des lésions rénales.

Applications

Sodium métallique

Il est utilisé en métallurgie comme agent désoxydant et réducteur dans la préparation du calcium, du zirconium, du titane et d'autres métaux. Par exemple, il réduit le tétrachlorure de titane (TiCl ₄) pour produire du titane métallique.

Le sodium fondu est utilisé comme agent de transfert de chaleur, c'est pourquoi il est utilisé comme réfrigérant dans certains réacteurs nucléaires.

Il est utilisé comme matière première dans la fabrication du laurylsulfate de sodium, l'ingrédient principal du détergent synthétique. Il est également impliqué dans la fabrication de polymères tels que le nylon et des composés tels que le cyanure et le peroxyde de sodium. Également dans la production de colorants et la synthèse de parfums.

Le sodium est utilisé dans la purification des hydrocarbures et dans la polymérisation des hydrocarbures insolubles. Il est également utilisé dans de nombreuses réductions biologiques. Dissous dans l'ammoniac liquide, il est utilisé pour réduire les alcynes en transalcène.

Les lampes à vapeur de sodium sont conçues pour l'éclairage public des villes. Ceux-ci donnent une couleur jaune, similaire à celle observée lorsque le sodium est brûlé dans les briquets.

Le sodium agit comme un déshydratant qui fournit une teinte bleue en présence de benzophénone, indiquant que le produit dans le processus de séchage a atteint le séchage souhaité.

Composés

Chlorure

Il est utilisé pour assaisonner et conserver les aliments. L'électrolyse du chlorure de sodium produit de l'hypochlorite de sodium (NaOCl), utilisé dans le nettoyage domestique sous forme de chlore. De plus, il est utilisé comme agent de blanchiment industriel pour la pâte à papier et textile ou dans la désinfection de l'eau.

L'hypochlorite de sodium est utilisé dans certaines préparations médicinales comme antiseptique et fongicide.

Carbonate et bicarbonate

Le carbonate de sodium est utilisé dans la fabrication de verres, de détergents et de nettoyants. Le carbonate de sodium monohydraté est utilisé en photographie comme composant révélateur.

Le bicarbonate de soude est une source de dioxyde de carbone. Pour cette raison, il est utilisé dans les poudres à lever, dans les sels et les boissons effervescentes ainsi que dans les extincteurs à poudre chimique. Il est également utilisé dans le processus de tannage et de préparation de la laine.

Le bicarbonate de sodium est un composé alcalin, utilisé dans le traitement médical de l'hyperacidité gastrique et urinaire.

Sulfate

Il est utilisé dans la fabrication de papier kraft, de carton, de verre et de détergents. Le thiosulfate de sodium est utilisé en photographie pour corriger les négatifs et les tirages développés.

Hydroxyde

Communément appelée soude caustique ou lessive, elle est utilisée dans la neutralisation des acides dans le raffinage du pétrole. Réagit avec les acides gras lors de la fabrication du savon. De plus, il est utilisé dans le traitement de la cellulose.

Nitrate

Il est utilisé comme engrais qui fournit de l'azote, étant un composant de la dynamite.

Références

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