Près de 80 ans après sa découverte, les propriétés du prométhium, un élément terrestre rare, sont révélées

Notre compréhension de la chimie des éléments présentait une lacune importante, qui vient enfin d’être partiellement comblée.

Image conceptuelle du prométhium dans un flacon entouré du ligand organique utilisé pour étudier sa chimie. Crédit photo : Jacquelyn DeMink, art ; Thomas Dyke, photographie/ORNL, U.S. Dept. of Energy

L’élément de terre rare dont la chimie est restée largement inconnue est désormais moins mystérieux. Bien qu’il soit peu probable que le prométhium lui-même devienne aussi important pour la société que ses voisins du tableau périodique, les informations révélées à son sujet pourraient contribuer à améliorer notre accès aux autres éléments.

La catégorie connue sous le nom d’« éléments de terres rares » a créé une confusion regrettable ces derniers temps, car beaucoup de ces éléments deviennent beaucoup plus importants. Le néodyme, par exemple, permet de fabriquer les aimants permanents les plus puissants que l’on connaisse, ce qui en fait un élément précieux pour la révolution de l’énergie propre. Le fait qu’il soit qualifié d’élément de terre rare a favorisé l’idée qu’il pourrait ne pas y en avoir assez pour répondre à nos besoins, mais il est en fait presque aussi commun dans la croûte terrestre que le cuivre, et bien plus que le plomb.

Ce n’est pas le cas du prométhium, qui fait partie des éléments les plus rares sur Terre, même derrière certains transuraniens dont on pensait autrefois qu’ils n’existaient pas jusqu’à ce que nous les fabriquions. C’est pourquoi le prométhium n’a été découvert qu’en 1945 et qu’il a été si rare que peu de recherches ont été menées sur sa chimie.

Aujourd’hui, le laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), où le prométhium a été découvert pour la première fois, a cherché à changer cela. « L’idée était d’explorer cet élément très rare pour acquérir de nouvelles connaissances », a déclaré le Dr Alex Ivanov dans un communiqué. « Lorsque nous avons réalisé qu’il avait été découvert dans ce laboratoire national et à l’endroit où nous travaillons, nous nous sommes sentis obligés de mener cette recherche pour préserver l’héritage de l’ORNL. » L’équipe de l’ORNL est la première à caractériser le prométhium en solution.

L’équipe a purifié le prométhium-147, un déchet issu de la production de plutonium.

L’équipe a lié son prométhium à des molécules organiques appelées ligands diglycolamides et a utilisé la spectroscopie à rayons X pour mesurer la longueur de la liaison entre le prométhium et ses voisins. L’équipe a ensuite fait la même chose avec les ions 3+ de tous les autres lanthanides, à titre de comparaison.

Ils ont ainsi pu confirmer que, comme ses voisins, l’atome de prométhium subit un phénomène connu sous le nom de « contraction des lanthanides », qui resserre les électrons autour du noyau plus que pour la plupart des autres atomes. C’est l’une des raisons pour lesquelles le mercure est le seul élément liquide à température ambiante.

Comme tous les autres lanthanides subissent cette contraction, il n’était pas surprenant que le prométhium la subisse également, mais l’ampleur de la contraction n’est pas identique pour chaque élément. « La contraction de cette liaison chimique s’accélère le long de cette série atomique, mais après le prométhium, elle ralentit considérablement », a déclaré M. Ivanov. Par conséquent, sans mesurer la contraction, nous ne savions pas si le prométhium serait plus proche du néodyme à sa gauche ou du samarium à sa droite.

Il est cependant beaucoup plus rare que les autres lanthanides, car aucun de ses isotopes n’a une demi-vie supérieure à 17,7 ans. Des milliards d’années après que les atomes qui constituent la majeure partie de la Terre ont été formés dans une supernova, il ne reste plus rien. La seule raison pour laquelle il existe de minuscules quantités naturelles sur Terre est due à des événements rares tels que la collision du néodyme-146 avec des rayons cosmiques. Tous les autres lanthanides ont au moins un isotope stable.

« Parce qu’il n’a pas d’isotopes stables, le prométhium a été le dernier lanthanide à être découvert et le plus difficile à étudier », a déclaré le Dr Ilja Popovs.

La chimie des 14 autres lanthanides est bien comprise – en fait, ils sont frustramment similaires, ce qui rend difficile leur séparation lorsqu’ils sont extraits du même minerai. L’équipe de l’ORNL pense que ses travaux permettront d’y remédier. En comprenant les détails de la contraction de chaque élément, il sera plus facile d’identifier les moyens de les séparer pour répondre à la demande croissante.

« Il existe des milliers de publications sur la chimie des lanthanides sans prométhium. Il s’agit d’une lacune flagrante pour l’ensemble de la science », a déclaré le Dr Santa Jansone-Popova. « Les scientifiques doivent supposer la plupart de ses propriétés. Aujourd’hui, nous pouvons réellement mesurer certaines d’entre elles. »

L’étude est publiée en libre accès dans la revue Nature.

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Source : IFLScience – Traduit par Anguille sous roche