NaK

NaK est un alliage de sodium (Na) et de potassium (K)^{[alpha 2]} qui a la particularité d'être liquide à température ambiante. Comme le sodium et le potassium, il réagit facilement avec l'air et l'eau et doit être manipulé avec des précautions appropriées.

Alliage sodium-potassium
L'alliage liquide NaK, dans un tube en verre.
Identification
No CAS	11135-81-2
No ECHA	100.112.643
No CE	601-078-4
PubChem	16211683
SMILES	[Na].[K] PubChem, vue 3D
InChI	Std. InChI : vue 3D InChI=1S/K.Na Std. InChIKey : BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N
Apparence	Métal liquide argenté
Propriétés chimiques
Formule	K2NaNaK2 (eutectique)
Masse molaire[alpha 1]	101,186 4 ± 0,000 2 g/mol K 77,28 %, Na 22,72 %,
Moment dipolaire	2,693 ± 0,014 D [1]
Propriétés physiques
T° fusion	−12,6 °C
T° ébullition	785 °C
Solubilité	non soluble dans les hydrocarbures et éthers
Masse volumique	0,866 g·cm-3 à 21 °C 0,855 à 100 °C
Pression de vapeur saturante	1 mmHg à 355 °C
Conductivité thermique	23,2 W/m/K à 100 °C
Conductivité électrique	40,7 mΩ/cm
Précautions
SGH[2]
Danger H260, H314, P223, P280, P231+P232, P305+P351+P338, P370+P378 et P422 H260 : Dégage, au contact de l'eau, des gaz inflammables qui peuvent s'enflammer spontanément H314 : Provoque de graves brûlures de la peau et des lésions oculaires P223 : Éviter tout contact avec l’eau, à cause du risque de réaction violente et d’inflammation spontanée. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P231+P232 : Manipuler sous gaz inerte. Protéger de l’humidité. P305+P351+P338 : En cas de contact avec les yeux : rincer avec précaution à l’eau pendant plusieurs minutes. Enlever les lentilles de contact si la victime en porte et si elles peuvent être facilement enlevées. Continuer à rincer. P370+P378 : En cas d’incendie : utiliser … pour l’extinction. P422 : Stocker le contenu sous …
NFPA 704
3 3 2 W
Transport[2]
X323    1422    Code Kemler : X323 : matière liquide inflammable réagissant dangereusement avec l'eau en dégageant des gaz inflammables Numéro ONU : 1422 : ALLIAGES DE POTASSIUM ET SODIUM Classe : 4.3 Code de classification : W1 : Matières qui, au contact de l'eau, dégagent des gaz inflammables, sans risque subsidiaire, et objets contenant de telles matières : Liquides; Étiquette : 4.3 : Matières qui, au contact de l'eau, dégagent des gaz inflammables Emballage : Groupe d'emballage I : matières très dangereuses ;
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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Propriétés physiques

S'il contient entre 40 et 90 % mol de potassium, l'alliage est liquide à température ambiante. Le mélange ayant la plus faible température de fusion (le mélange eutectique) est constitué de 78 % mol de potassium et 22 % mol de sodium. Cet alliage fond à −12,6 °C et bout à 785 °C.

Au contact de l'eau, l'alliage forme du dihydrogène, de l'hydroxyde de potassium et de l'hydroxyde de sodium. La réaction est assez violente pour déclencher l'explosion de l'hydrogène émis. Au contact de l'air, il forme en surface une couche jaune de superoxyde de potassium qui peut exploser au contact de matériaux organiques.

Le NaK n'est pas assez dense pour être immergé dans la plupart des hydrocarbures, mais peut l'être dans les huiles minérales légères. Cette méthode de stockage est dangereuse si le superoxyde s'est déjà formé. Ce fut la cause d'une importante explosion survenue au laboratoire national d'Oak Ridge le 8 décembre 1999 : un épanchement de NaK fut protégé de l'oxydation par une aspersion d'huile minérale, mais suffisamment de superoxyde s'était déjà formé et cinq jours plus tard, un choc métallique provoqua l'explosion qui blessa onze personnes^[3].

Diagramme de phase solide-liquide de l'alliage sodium-potassium^[4].

Production

Le NaK est produit par distillation réactive. À l'origine discontinu, le procédé moderne est devenu continu^[5] : du chlorure de potassium liquide descend dans une colonne garnie où montent des vapeurs de sodium. Dans la zone de réaction, le mélange à pression de vapeur saturante est dirigé vers une colonne de fractionnement qui sépare les vapeurs de potassium jusqu'au degré de mélange désiré. Le chlorure de sodium résultant de la réaction est soutiré en continu sous la zone de réaction.

Utilisation

Caloporteur

Son état liquide et ses bonnes caractéristiques thermiques rendent le NaK indiqué comme fluide caloporteur dans certains générateurs thermodynamiques.

En particulier, il est utilisé dans les circuits de refroidissement des réacteurs à neutrons rapides expérimentaux. Ces dispositifs sont souvent arrêtés et leur cœur modifié ou contrôlé, le NaK simplifie alors la manipulation contrairement aux autres métaux caloporteurs utilisés (plomb ou sodium pur) qui nécessitent un chauffage permanent pendant l'opération.

Du fait de sa très faible pression de vapeur (aux températures ambiantes), son utilisation est avantageuse dans le vide absolu de l'espace, où il reste liquide et s'évapore très lentement. Les satellites soviétiques RORSAT embarquaient de petits réacteurs nucléaires utilisant ce caloporteur. À deux reprises, les satellites firent une rentrée accidentelle dans l'atmosphère, l'un échouant au Canada (où il fut récupéré) et l'autre en mer. Les autres satellites sont en orbite haute attendant leur retombée naturelle. Comme de nombreux objets se trouvant en orbite, les gouttes de NaK qui viendraient à fuir — sachant qu'aujourd'hui le NaK est solidifié depuis longtemps — constituent encore aujourd'hui une population de débris spatiaux dangereux^[6].

Chimie

Dans l'industrie, il est utilisé comme catalyseur des réactions d'alkylation, isomérisation, condensation et transestérification. En particulier, il sert à produire un précurseur de l'ibuprofène.

Les propriétés réductrices du composé sont également utilisées en conjonction avec un donneur de proton pour la réduction des alcynes, arènes, cétones ou aldéhydes.

Dessiccation

Le sodium et le potassium ont des capacités de dessiccation, mais à l'état solide, ils ne peuvent réagir que superficiellement et l'oxydation réduit leur réactivité. L'alliage NaK résout ces problèmes à température ambiante.

Notes et références

Notes

1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
2. Le nom NaK rappelle quels sont les constituants de l'alliage mais ce n'est pas une formule chimique, le sodium et le potassium ne présentant généralement pas des proportions équimolaires. On ne connaît d'ailleurs aucun composé chimique de formule NaK.

Références

1. (en) David R. Lide, Handbook of chemistry and physics, CRC, 16 juin 2008, 89^e éd., 2736 p. (ISBN 978-1-4200-6679-1 et 1-4200-6679-X), p. 9-50
2. Fiche Sigma-Aldrich du composé Sodium-potassium alloy Potassium 78 wt. %, Sodium 22 wt. %, consultée le 8 avril 2018.
3. Office of Oversight, « Multiple injury accident resulting from the sodium-potassium explosion in building 9201-5 at the y-12 plant », Accident Investigation Program, sur Office of Health, Safety and Security, Département de l'Énergie des États-Unis, février 2000 (consulté le 11 mai 2011)
4. G.L.C.M. van Rossen, H. van Bleiswijk: Über das Zustandsdiagramm der Kalium-Natriumlegierungen, in: Z. Anorg. Chem., 1912, 74, S. 152–156.
5. (en) C.B. Jackson et R.C. Werner, Handling and uses of the alkali metals : Symposium held at the 129th meeting of the American Chemical Society, Dallas, 1956, American Chemical Society, coll. « Advances in Chemistry » (n^o 19), 1^er janvier 1957, 177 p. (ISBN 978-0-8412-0020-3, DOI 10.1021/ba-1957-0019.ch018, présentation en ligne), chap. 18 (« The Manufacture of Potassium and NaK »), p. 169–173
6. (en) Leonard David, « Havoc in the Heavens: Soviet-Era Satellite's Leaky Reactor's Lethal Legacy », Space.com, 2004 (consulté le 17 juin 2008).

Voir aussi

Articles connexes

• Galinstan

Liens externes

• (en) « Sodium-Potassium Alloy (NaK) Technical Data Sheet » [PDF], BASF, 2004 (consulté le 17 juin 2008)

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