Les nouveaux enfants du tableau : L’élément 118 est-il un gaz noble ? – Partie 3

Le tableau périodique des éléments est l’une des plus grandes découvertes de l’humanité dans la nature car il englobe tous les éléments constitutifs qui lient notre univers en son cœur : du plus petit virus à la galaxie la plus lointaine. La dernière fois, nous avons abordé le difficile chemin vers l’élément 118. Dans cette partie, nous jetons un coup d’œil à la première synthèse de l’élément 118, à ses propriétés et à la façon dont les nouveaux éléments sont nommés.

5. Première synthèse réelle de l’élément 118

En 2002, un groupe de recherche composé de scientifiques de l’Institut conjoint pour la recherche nucléaire de Dubna, en Russie, ainsi que du Lawrence Livermore National Laboratory de Berkeley, CA, USA, a commencé avec le premier effort de synthèse pour produire l’élément 118 par bombardement du californium-249 avec des ions calcium-48 . Le calcium-48, dont l’abondance naturelle n’est que de 0,19 %, est très rare et donc coûteux (200 000 USD/g). Pour un élément léger (Z = 20), il est extraordinairement riche en neutrons avec un nombre de neutrons de 28, et pour cette raison, particulièrement bien adapté à la synthèse de noyaux stables et lourds.

Pendant 100 jours, l’équipe a bombardé une cible constituée de 10 mg de 249Cf (0,23 mg/cm2) avec un faisceau de calcium-48 de 2-1012 ions à peu près 17 fois chargés positivement par seconde ; au cours de trois mois d’irradiation, un total de 2-1019 ions calcium. Pendant toute cette période, ils ont obtenu la preuve d’une seule séquence de désintégration attribuable à l’élément 118!

4820Ca +24998Cf → 297

Les travaux ont repris en 2006, révélant, comme il se doit, deux autres séquences de désintégration pertinentes (voir Fig. 3). Cette fois, de nombreuses conditions préalables devaient être remplies pour la reconnaissance de la découverte, publiée en détail par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) et l’Union internationale de physique pure et appliquée (UIPPA) . Des séries suffisantes de désintégrations compatibles avec l’élément 118 ont en effet été établies, mais aucun des isotopes impliqués n’était connu auparavant. Il y avait donc un échec à créer un lien avec des isotopes connus, de sorte que la reconnaissance a dû être refusée : « Les trois séries de désintégration analysées pour un isotope de l’élément Z = 118 sont en bon accord mutuel, mais en l’absence d’ancrage à des noyaux connus, les critères requis pour la reconnaissance ne sont pas remplis. »

Figure 3. Expériences pertinentes pour la découverte de l’élément 118.

Il était toutefois possible de confirmer la série de désintégration de l’élément 118 via des études indépendantes impliquant des entrées latérales. Ainsi, les éléments 116 et 114 ont été préparés via des voies indépendantes par bombardement du curium et du plutonium, respectivement, avec des ions calcium-48, et leurs séries de désintégration ont été déterminées (voir figure 3). Ces séries de désintégration se sont avérées cohérentes avec les parties correspondantes de la série de désintégration de l’élément 118. En conséquence, l’UICPA/IUPAP a effectivement publié un jugement positif :

« La collaboration Dubna-Livermore de 2006 d’Oganessian et al. a produit trois chaînes de désintégration concordantes commençant par 294118. Ce résultat a été confirmé en 2012. Trois autres études indépendantes sur la fusion des éléments lourds ont servi à identifier et à confirmer l’existence et les propriétés de désintégration des descendants de 294118, 290Lv et 286Fl, servant à relier les numéros atomiques par des bombardements croisés. La collaboration Dubna-Livermore 2006 a satisfait aux critères de découverte et sa revendication est maintenant reconnue comme validée. »

Il était donc officiellement reconnu que le groupe de recherche russo-américain sous la direction de Yuri Oganessian avait effectivement découvert l’élément 118. Le président de la division inorganique de l’UICPA a alors demandé une suggestion appropriée pour un nom et un symbole pour le nouvel élément. Conformément aux règlements supplémentaires, la session plénière de l’UICPA a voté la reconnaissance de la découverte et la dénomination de l’élément 118.

6. La dénomination des éléments 113-118

Les découvreurs d’un élément ont le droit de suggérer un nom pour celui-ci, mais ils n’ont pas un choix complètement libre. L’UICPA et l’UIPPA ont élaboré certaines règles applicables , et le nom du nouvel élément doit en découler :

• a)d’un concept ou d’un personnage mythologique, y compris les objets astronomiques
• b)d’un minéral ou d’une matière similaire
• c)d’un lieu ou d’une région géographique
• d)d’une caractéristique de l’élément
• e)du nom d’un scientifique

Dans un souci de normalisation, les noms suggérés pour certains éléments doivent toujours avoir l’une des terminaisons suivantes :

• Groupes 1-16, y compris les éléments du bloc f : « -ium »
• Groupe 17 (halogènes) : « -ine »
• Groupe 18 (gaz rares) : « -on »

Les décisions concernant les noms des éléments sont difficiles pour toutes les parties concernées : non seulement le découvreur, mais aussi l’UICPA/IUPAP. Les découvreurs, avec leur propre ego, vivent nécessairement dans un environnement politique complexe spécifique, et l’UICPA/IUPAP et leurs experts internationaux n’existent pas non plus dans le vide. À l’époque de la guerre froide, cela a donné lieu à des différends qui ont parfois été assez grotesques. Ainsi, sur une période de trois décennies, l’élément 104 était identifié dans les manuels scolaires aux États-Unis comme rutherfordium, mais en russe comme kurchatovium. Heureusement (espérons-le ?), cette période est révolue. Aujourd’hui, la synthèse des transactinides lourds montre combien il est avantageux que des groupes de recherche de différents pays appliquent leur expertise à des projets communs.

6.1. Élément 113 : Nihon (Nh)

L’élément 113 a été préparé pour la première fois – après des années d’efforts – par un groupe japonais du RIKEN dirigé par Kosuke Morita. Le nom et le symbole proposés ont été conçus pour honorer leur patrie : « Nihon » (pays du soleil levant), avec le symbole d’accompagnement Nh.

Morita et son équipe ont commencé à bombarder une cible de bismuth avec des ions zinc en 2003, et en avril 2005, ils avaient détecté deux séries de désintégration cohérentes pour l’élément 113. Cependant, cela n’a pas été considéré comme suffisant pour une reconnaissance. Ce n’est qu’en août 2012, après sept années supplémentaires d’irradiation, que la troisième série de désintégration tant attendue a été observée. Avec leur patience et leur ténacité infinies, le groupe de recherche a montré la limite des possibilités techniques actuelles : une série de désintégration en deux ans !

La préparation des trois autres éléments reconnus en 2017 – les numéros 115, 117 et 118 – a été le résultat d’une étroite collaboration entre les scientifiques russes (Dubna) et américains (Berkeley). Cela a eu l’avantage supplémentaire que les parties concernées ont pu convenir d’un compromis à l’amiable en ce qui concerne la question de la dénomination dans les étapes préliminaires.

6.2. Élément 115 – Moscovium (Mc)

La capitale russe a été honorée du nom de moscovium (Mc), tout comme cela avait déjà été le cas pour le site de recherche Dubna, à seulement 100 km de Moscou, avec l’élément 105 (dubnium).

6.3. Élément 117 – Ténnessine (Ts)

La terminaison « ine » révèle que cet élément est associé au 17e groupe du tableau périodique : les halogènes (fluor, chlore, brome, etc.). Le nom proposé en a surpris plus d’un, puisque la découverte de l’élément 117 a été attribuée à l’équipe Dubna/Berkeley de Yuri Oganessian. Mais un regard plus attentif sur la synthèse explique le contexte:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Le bombardement du berkélium-249 par des ions calcium-48 était prévu depuis longtemps par l’équipe d’Oganessian. Le problème était qu’il n’y avait qu’un seul endroit sur Terre où l’on pouvait préparer quelques milligrammes du berkélium nécessaire : dans le réacteur à haut flux du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) dans l’État du Tennessee, aux États-Unis . C’est là que l’on peut acheter du24997Bk, mais au prix de 185 USD par microgramme ( !), emballage non compris. L’expérience prévue nécessitait 20 mg. Il fallait tenir compte non seulement du coût élevé, mais aussi de la courte demi-vie du24997Bk : seulement 330 jours. Un plan directeur américano-russe complet a été élaboré pour la préparation de l’élément 117, couvrant tous les aspects du calendrier de l’expérience elle-même, ainsi que le traitement ultérieur et le transport sur des milliers de kilomètres.

Au printemps 2008, 40 g de curium-244 ont été introduits dans le réacteur à haut flux de l’ORNL, et soumis à une irradiation neutronique extrêmement élevée pendant 23 jours. Une fois le combustible épuisé, il a été remplacé et l’échantillon de curium a été irradié pendant 23 jours supplémentaires. Après onze cycles de ce type sur un total de 250 jours, 22 mg de 24997Bk avaient été préparés, et au cours des six mois suivants, il a été isolé de l’échantillon de curium puis purifié (voir figure 4).

Figure 4. Le produit de départ pour la synthèse de la tennessine : le berkelium-249.

Une solution du chlorure de berkelium obtenu a été placée dans cinq récipients en plomb et transportée à Moscou par un vol commercial. La collaboration entre les chercheurs s’était déroulée sans problème, mais on ne pouvait pas en dire autant du transport ultérieur des échantillons. Par deux fois, les conteneurs de berkélium ont été refusés à la frontière russe en raison de documents manquants ou incomplets, puis renvoyés à New York. Ce n’est qu’au troisième essai qu’ils ont atteint l’Institut russe de recherche sur les réacteurs atomiques à Dimitrovgrad, où les disques cibles ont été préparés. Enfin, l’expérience proprement dite a pu commencer à Dubna le 27 juillet 2009. Une première série de désintégration de l’élément 117 a été trouvée le 20 août 2009, et au cours des six mois suivants, cinq séries de désintégration supplémentaires ont été enregistrées.

6.4. Élément 118 – Oganesson (Og)

La terminaison « -on » implique que cet élément est reconnu comme l’un des « gaz nobles » (groupe 18). Le nom qui lui a été attribué est un hommage à Yuri Oganessian (voir Fig. 5), qui n’est que le deuxième scientifique vivant pour lequel un élément a été nommé, après Glenn T. Seaborg avec seaborgium. Lorsqu’on lui a demandé ce qu’il ressentait à ce sujet, Oganessian a répondu :

« Pour moi, c’est un honneur. La découverte de l’élément 118 a été réalisée par des scientifiques du Joint Institute for Nuclear Research en Russie et du Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis, et ce sont mes collègues qui ont suggéré le nom d’oganesson. Mes enfants et petits-enfants vivent aux États-Unis depuis des décennies déjà, mais ma fille m’a écrit, lorsqu’elle en a entendu parler, qu’elle n’a pas pu dormir cette nuit-là tant elle pleurait. Mes petits-enfants, en revanche, comme tous les jeunes, ont à peine réagi. »

Figure 5. Yuri Oganessian sur un timbre arménien.

Pour les chimistes, la question se pose de savoir si l’oganesson est non seulement formellement un gaz noble, mais s’il se comporte aussi physiquement et chimiquement comme tel. De nombreux chimistes restent sceptiques quant aux calculs de chimie quantique, notamment en ce qui concerne les transactinides, car les vitesses élevées de leurs électrons internes (70 % de la vitesse de la lumière dans le cas du copernicium, Z = 112) sont plus difficiles à prendre en compte (effets relativistes). Mais si Dmitri Mendeleïev a été capable de faire certaines prédictions précises et correctes même au 19ème siècle en utilisant seulement un crayon et du papier, nous devrions peut-être faire plus confiance à nos théoriciens. Quoi qu’il en soit, sur la base de leurs calculs, on peut rapidement répondre à la question initiale « L’élément 118 est-il un gaz noble ? » par « L’oganesson est garanti ne pas être un gaz noble, mais peut-être plutôt un « liquide noble », avec un point d’ébullition de 50-110 °C .

De plus, l’oganesson devrait réagir avec le fluor pour donner les composés stables OgF2 et OgF4, où OgF4 ne serait pas planaire comme le tétrafluorure de xénon, mais tétraédrique. Cela ne peut pas encore être vérifié expérimentalement, car les quatre atomes d’oganesson synthétiques ont disparu après une seule milliseconde. Tournons-nous donc vers des isotopes d’oganesson plus stables, et préparons-nous à être surpris par leur chimie.

7. Comment les choses se passent-elles à partir de là ?

En ce qui concerne la synthèse de l’élément 119, les chercheurs nucléaires sont encore aux portes de départ. Hideto En’yo, de l’institut de recherche japonais RIKEN, a annoncé un bombardement du curium par des ions vanadium

96Cm + 23V →

et le groupe d’Oganessian veut tirer des ions titane sur le berkélium

97Bk + 22Ti →

Il est presque certain que ces expériences se heurteront aux limites de la technologie actuelle. La synthèse d’éléments encore plus lourds présuppose certainement d’autres développements techniques majeurs. Nous devrons voir sur quelle période les progrès nécessaires seront réalisés. Nous souhaitons donc à nos scientifiques nucléaires de bonnes idées et de la chance dans leur recherche de nouveaux éléments. Toutefois, pas trop de chance, car s’ils tombaient soudain sur des isotopes stables, personne ne le remarquerait.

N’oublions pas que les noyaux lourds ne sont jusqu’à présent reconnaissables que sur la base de leurs traces radioactives. Aussi, si des noyaux stables devaient émerger, nous souhaitons que les nucléaristes aient simultanément la possibilité technique de préparer des quantités pesables des éléments correspondants. On pourrait alors être en mesure d’étudier les réactions chimiques de leurs enveloppes électroniques. Et ce serait passionnant puisque, par exemple, les calculs théoriques suggèrent que l’élément 123 devrait posséder trois orbitales partiellement remplies dans trois coquilles différentes (8s2 8p 7d 6f). Nous devrions être particulièrement impatients d’étudier l’élément 125, car il comportera pour la première fois des orbitales g occupées ( 8s2 8p 6f3 5g). Rien que les formes des différentes 5g-orbitales provoquent le désir d’examiner leur chimie (voir la figure 6). Nous attendrons avec impatience!

Figure 6. Les orbitales 5g ; de gauche à droite et de haut en bas :
z4, z3y, (x2-y2)(6z2-x2-y2), yz(3×2-y2), x4+y4, xy(x2-y2), xz(x2-3y2), xy(6z2-x2-y2), z3x.

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L’article a été publié en allemand sous la forme suivante:

• Ist das Element 118 ein Edelgas ?..,
  Klaus Roth,
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  https://doi.org/10.1002/ciuz.201700838

et a été traduit par W. E. Russey.

New Kids on the Table : L’élément 118 est-il un gaz noble ? – Première partie

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Le chemin difficile vers l’élément 118

Les nouveaux enfants du tableau : L’élément 118 est-il un gaz noble ? – Partie 3

La première synthèse de l’élément 118, ses propriétés, et la dénomination des nouveaux éléments

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