Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire et à expliquer les propriétés de l’élément sodium et de ses composés.
Le sodium est un élément extrêmement important et intéressant à étudier pour les chimistes. Il est essentiel pour de nombreux procédés industriels et les composés du sodium se retrouvent fréquemment dans les articles ménagers courants. Le sodium n’est pas seulement important pour la société moderne, mais il est également essentiel pour réguler les fonctions corporelles de base. Notre corps a besoin d’ions sodium et potassium pour exécuter les processus homéostatiques essentiels, tels que le maintien du volume des fluides et de la pression artérielle.
Le sodium est un élément du groupe 1 et, tout comme les autres métaux alcalins, il est un agent réducteur puissant. Le sodium est généralement considéré comme un élément très réactif, car il peut facilement perdre son seul électron de valence. Il n’est donc pas surprenant que le sodium ne se retrouve pas sous forme de corps simple et qu'il est donc toujours uni à d’autres éléments. On trouve habituellement le sodium dans les sels minéraux de chlorure de sodium ().
Afin d’isoler le sodium sous sa forme métallique à partir du chlorure de sodium, on réalise une électrolyse du sel fondu, en utilisant généralement un courant afin de réduire le point de fusion du sel d’halogénure.
Au cours du processus d’électrolyse, les électrons sont gagnés à la cathode comme l'indique l’équation : et sont perdus à l’anode comme l'indique l’équation :
Exemple 1: Identifier l’oxydation et la réduction au cours de l’électrolyse du chlorure de sodium fondu
Le sodium métallique peut être préparé à partir de son minerai par électrolyse du chlorure de sodium fondu. Lequel des énoncés suivants décrit le mieux ce processus ?
- Les ions chlorure sont oxydés à la cathode et les ions sodium sont réduits à l’anode.
- Les ions chlorure sont réduits à l’anode et les ions sodium sont oxydés à la cathode.
- Les ions chlorure sont oxydés à l’anode et les ions sodium sont réduits à la cathode.
- Les ions chlorure sont réduits à la cathode et les ions sodium sont oxydés à l’anode.
Réponse
L’électrolyse du chlorure de sodium peut être simplifiée en utilisant des demi-équations qui décrivent les réactions qui se produisent aux deux électrodes distinctes.
Au cours de l’électrolyse du chlorure de sodium, les ions sodium positifs sont attirés vers la cathode négative, où ils gagnent un électron pour devenir des atomes de sodium métallique. Les ions chlorure négatifs sont attirés vers l’anode positive, où ils perdent des électrons et forment des molécules de chlore reliées de façon covalente. L’oxydation et la réduction peuvent être considérées comme un gain et une perte d’électrons, où le gain d’électrons représente une réduction et la perte d’électrons représente une oxydation.
En combinant ces informations, nous savons que les ions chlorure sont oxydés à l’anode et que les ions sodium sont réduits à la cathode, ce qui nous amène à la bonne réponse, C.
Dans cette fiche explicative, nous allons voir un grand nombre de réactions et nous commencerons par examiner les réactions qui se rapportent à l’élément lui-même plutôt qu’aux composés du sodium.
La réaction la plus connue faisant appel à l’utilisation du sodium métallique est probablement la réaction de celui-ci avec l’eau, qui est une réaction hautement exothermique produisant une solution fortement alcaline et de l’hydrogène gazeux qui peut s’enflammer au cours de la réaction :
Dans une réaction tout aussi énergique, le sodium réagit avec des acides minéraux dilués pour produire des solutions salines et de l’hydrogène gazeux, comme dans cette réaction avec de l’acide chlorhydrique :
Le sodium peut également réagir avec l’hydrogène dans une réaction de combinaison directe pour former de l’hydrure de sodium :
Cet hydrure peut ensuite réagir avec l’eau pour former de l’hydroxyde de sodium et de l’hydrogène gazeux, de la même manière que dans la réaction entre le sodium métallique et l’eau :
D'autres réactions de combinaison directe faisant intervenir le sodium métallique sont les réactions avec des halogènes, pour former des composés d'halogénures ioniques bien connus :
Dans d’autres réactions de combinaison directe, le sodium métallique réagit avec du soufre ou du phosphore élémentaire pour former respectivement du sulfure de sodium et du phosphure de sodium :
Les dernières réactions à partir de sodium métallique que nous allons voir sont les réactions avec l’oxygène pour former différents oxydes. La plus simple de ces réactions produit un oxyde commun du groupe 1 :
Il est également possible de produire différents peroxydes et superoxydes lorsque le sodium réagit avec l’oxygène. Le sodium peut réagir avec l’oxygène pour former le composé peroxyde de sodium ( ) :
Le sodium peut même réagir avec l’oxygène pour produire la molécule de superoxyde de sodium :
Les peroxydes et les superoxydes sont eux-mêmes des composés très réactifs, et ils peuvent réagir avec l’eau pour former du peroxyde d’hydrogène en solution alcaline :
Les peroxydes et les superoxydes réagissent également avec les acides minéraux dilués :
Au cours d'une période fascinante de l'histoire de la chimie, une forme de dioxyde de sodium () a été utilisée dans le développement d’un dispositif d’évacuation pour les premiers sous-marins au début du 20ème siècle.
Ce composé, connu sous le nom « d’oxylithe », était fixé à l’intérieur du casque du sous-marinier et le dioxyde de carbone expulsé lors de sa respiration provoquait une réaction produisant de l’oxygène, ce qui en théorie empêchait les sous-mariniers de s'asphyxier. Une réaction comparable est :
Cependant, cette conception n’était pas sans problèmes car, comme nous l’avons vu, les superoxydes sont incroyablement réactifs, ce qui signifie que le dioxyde de sodium avait tendance à s’enflammer au contact de l’eau, un accident très fréquent dans les premiers sous-marins !
Exemple 2: Identifier les produits et les réactifs dans la réaction entre le peroxyde de sodium et l’eau
Le sodium métallique réagit avec l’oxygène pour former un peroxyde, . Le nombre d’oxydation de l’oxygène dans est de . On fait ensuite réagir avec de l’eau pour former un produit chimique caustique et une deuxième espèce en solution aqueuse, .
- Quelle est la formule chimique de ?
- Quelle est le nom exact de ?
Réponse
Partie 1
Afin d’identifier correctement la formule chimique de , on nous donne une information sur le nombre d’oxydation de l’oxygène. Nous connaissons peut-être déjà la formule de , mais sinon, nous savons que le nombre d’oxydation du sodium est toujours de et que le sodium peut former différents oxydes, comme le , le et le . En utilisant des mathématiques simples, nous pouvons identifier la formule du peroxyde de sodium comme étant le .
Partie 2
Lorsque le peroxyde de sodium réagit avec l’eau, il se forme de l’hydroxyde de sodium, qui est le produit chimique caustique mentionné dans l’énoncé. L’autre produit formé au cours de cette réaction est le peroxyde d’hydrogène.
Alors que nous passons maintenant à la deuxième partie de cette fiche explicative, nous commencerons à examiner certaines des propriétés et des réactions des produits dérivés du sodium les plus courants.
L’un des composés du sodium le plus courant est probablement l’hydroxyde de sodium, le composé hygroscopique blanc illustré ci-dessous. Il est savonneux au toucher et corrosif pour la peau.
Définition : Hygroscopique
Les substances hygroscopiques ont tendance à attirer et à retenir les molécules d’eau présentes dans l’air, par absorption ou adsorption.
Exemple 3: Identifier le symbole de danger utilisé pour les substances corrosives
Lequel des symboles de danger suivants pourrait être présent sur un récipient d’hydroxyde de sodium ?
Réponse
Il est important que tous les chimistes et étudiants en chimie aient une parfaite compréhension de la signification des différents symboles de danger. Le symbole de la réponse A indique que le produit chimique est inflammable, alors que celui dans la réponse B indique que le produit chimique peut être nocif pour l’environnement, et que celui dans la réponse C indique que le produit chimique peut être corrosif, ce qui est notre bonne réponse. La réponse D indique que le produit chimique présente un risque d’explosion, tandis que la réponse E indique que le produit chimique est oxydant. La réponse correcte est donc la C.
L’hydroxyde de sodium est fréquemment dissout dans l’eau pour former une solution alkaline, et peut réagir avec l’acide chlorhydrique pour former du chlorure de sodium :
L’hydroxyde de sodium peut également réagir avec l’acide sulfurique pour produire du sulfate de sodium :
L’hydroxyde de sodium a de nombreuses utilisations. Parmi ses usages les plus importants, nous pouvons mentionner la production de savon, de soie synthétique et de papier, comme il est également utilisé par l’industrie pétrolière pour le traitement des impuretés acides.
L’hydroxyde de sodium peut aussi être utilisé pour détecter la présence d’ions élémentaires, telles que les ions cuivre(II). Initialement, les ions hydroxyde réagissent avec les ions cuivre pour former un précipité bleu pâle insoluble d’hydroxyde de cuivre(II) :
La présence d’hydroxyde de cuivre(II) peut être confirmée par chauffage, car il se décompose en oxyde de cuivre(II), qui a une couleur noire caractéristique :
Un autre exemple de l'utilisation de l’hydroxyde de sodium est l’analyse qualitative et la détection des ions aluminium par la formation d’un précipité blanc. En premier lieu, il y a une production initiale d’hydroxyde d’aluminium insoluble :
Après cela, l’ajout d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium permet de dissoudre l’hydroxyde d'aluminium solide, ce qui forme du méta-aluminate de sodium :
D’autres précipités blancs, tels que l’hydroxyde de magnésium, ne se dissolvent pas de la même manière que l’hydroxyde d’aluminium en présence d'un excès d’alcali.
Un autre composé du sodium est le nitrate de sodium et, bien que le nitrate de potassium explose lorsqu'il est chauffé, le nitrate de sodium subit en fait une décomposition thermique pour donner un nitrite et de l'oxygène gazeux :
Le carbonate de sodium () est un dérivé du sodium très important dans l'industrie, qui peut être préparé en laboratoire en faisant passer du gaz carbonique à travers une solution chaude d’hydroxyde de sodium :
Le carbonate de sodium formé par la réaction précédente représente la forme hydratée du carbonate, parfois appelé « cristaux de soude », et dont la formule chimique est . Le terme « cristaux de soude » se réfère à la capacité de ce composé d'éliminer les ions calcium et magnésium des sources d’eau calcaire, par précipitation des carbonates insolubles :
Lorsque de grandes quantités de carbonate de sodium sont nécessaires à échelle industrielle, le procédé Solvay est utilisé. Celui-ci implique deux étapes. Premièrement, l’hydrogénocarbonate de sodium est produit à partir d’une solution saturée de chlorure de sodium qui contient des bulles d'ammoniac et de dioxyde de carbone gazeux :
Deuxièmement, l’hydrogénocarbonate obtenu subit une décomposition thermique pour produire le carbonate de sodium :
De grandes quantités de carbonate de sodium sont produites, puisque ce composé a de nombreuses utilisations étant donné qu'il peut se dissoudre dans l’eau pour produire une solution faiblement basique et que, contrairement au carbonate de lithium qui se décompose en oxyde de lithium et dioxyde de carbone gazeux, il est résistant à la décomposition. Le carbonate de sodium peut également être utilisé pour neutraliser les acides :
Ce sont entre autres ces réactions qui rendent le carbonate de sodium essentiel pour les industries du verre, du papier et du textile, ainsi que pour l’adoucissement de l’eau dans les villes.
Exemple 4: Identifier les utilisations courantes du carbonate de sodium
Lequel des énoncés suivants ne représente pas une utilisation courante du carbonate de sodium ?
- Le carbonate de sodium est ajouté à la silice et à d’autres composés au cours de la fabrication du verre.
- Le matériel végétal est bouilli dans une solution de carbonate de sodium au cours de la production du papier.
- Le carbonate de sodium est utilisé pour adoucir l’eau en éliminant les ions magnésium et calcium.
- Le carbonate de sodium est l’ingrédient principal des solutions de nettoyage pour les fours et de débouchage des égouts.
- Le carbonate de sodium est utilisé pour le traitement des fibres, ainsi que pour la teinture et l’impression dans l’industrie textile.
Réponse
Nous savons que le carbonate de sodium est essentiel pour les industries du verre, du papier et du textile, et qu’il est également utilisé pour adoucir l’eau. En gardant ces informations en tête, regardons de plus près les utilisations proposées dans cet énoncé.
La réponse A fait référence à l’utilisation de la silice et du carbonate de sodium dans la production du verre, ce qui représente une utilisation courante du carbonate de sodium, et qui n’est donc pas la bonne réponse. De même, la réponse B nous fournit des informations supplémentaires mais, encore une fois, nous savons que le carbonate de sodium est utilisé dans l’industrie du papier. Il est donc probable que la réponse B ne soit pas celle que nous cherchons. Dans la réponse C, le carbonate de sodium est utilisé pour adoucir l’eau, or nous savons que le carbonate de magnésium et le carbonate de calcium sont tous deux des carbonates insolubles, et que selon ce principe, le carbonate de sodium peut être utilisé pour adoucir l’eau calcaire. La réponse C est donc incorrecte. De ce fait, la réponse correcte est la D.
La réponse D suppose l’utilisation du carbonate de sodium pour nettoyer les fours et déboucher les égouts. Or, de telles tâches de nettoyage nécessitent une substance caustique, et c’est donc l’hydroxyde de sodium qui est couramment utilisé pour ces deux usages, ce qui signifie que la réponse D est fort probablement celle que nous cherchons. Afin d’éliminer la réponse E, nous pouvons voir que le carbonate de sodium est utilisé ici pour les étapes de teinture et d’impression dans l’industrie textile, ce que nous savons être d’usage courant. Ainsi, la bonne réponse est D.
Comme nous l’avons découvert dans cette fiche explicative, le sodium a une multitude de réactions, de composés et d'utilisations, et est aussi essentiel aux réactions qui se déroulent à l'intérieur des cellules de notre corps qu'à celles qui produisent des millions de tonnes de produits à l'échelle industrielle dans le monde entier.
Points clés
- Le sodium est un métal du groupe 1 qui est très réactif et qui doit être isolé par électrolyse.
- Le sodium réagit avec les non-métaux tels que l’oxygène, l’hydrogène, le soufre et le phosphore.
- Le sodium est capable de former différents types d’oxydes, tels que le , le et le .
- L’hydroxyde de sodium est un produit caustique courant dérivé du sodium, qui a de nombreuses utilisations et entre dans de nombreuses réactions chimiques.
- Le carbonate de sodium est un autre composé important sur le plan industriel, qui est produit en grande quantité par le procédé Solvay.
