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Version du 27 mars 2017 à 20:20

Le tennessine^[a] ou tennesse^[b], de symbole Ts^[c], est l'élément chimique de numéro atomique 117. Il correspond à l'ununseptium (Uus) de la dénomination systématique de l'IUPAC, et est encore appelé élément 117 dans la littérature. Il a été synthétisé pour la première fois en janvier 2010 par les réactions ²⁴⁹Bk(⁴⁸Ca,3n)²⁹⁴Ts et ²⁴⁹Bk(⁴⁸Ca,4n)²⁹³Ts au Joint Institue for Nuclear Research (JINR) à Dubna, en Russie. L'IUPAC a confirmé son identification en décembre 2015 et lui a donné en novembre 2016 son nom définitif en référence au Tennessee, État américain où se trouve le laboratoire national d'Oak Ridge d'où provient la cible de berkélium ayant permis la synthèse de l'élément 117.

C'est un transactinide très radioactif, dont l'isotope connu le plus stable, le ²⁹⁴Ts, a une période radioactive d'environ 51 ms. Situé sous l'astate dans le tableau périodique des éléments, il appartient au bloc p et serait probablement de nature métallique^[8], plus précisément un métal pauvre.

Dénomination

L'ancien nom ununseptium relève de la dénomination systématique attribuée par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) aux éléments chimiques inobservés ou dont la caractérisation expérimentale n'est pas encore formellement validée. Il est composé de racines latines signifiant « un-un-sept » et du suffixe -ium générique pour les noms d'éléments chimiques.

La découverte de l'élément 117 fut confirmée par l'UICPA le 30 décembre 2015^[9]. Le 8 juin 2016, la division de chimie inorganique de l'UICPA annonça sa décision de retenir comme nom finaliste anglais tennessine, de symbole Ts. Une consultation publique fut ouverte jusqu'au 8 novembre 2016^[10]^,^[11]. L'UICPA l'adopta définitivement le 28 novembre 2016^[12].

Synthèse

Cible de berkélium (visible ici en solution bleutée dans l'ampoule) utilisée pour produire l'élément 117^[13].

La première synthèse de l'élément 117 est le fruit d'une collaboration entre le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) à Oak Ridge, dans le Tennessee, et l'Institut unifié de recherches nucléaires (JINR) à Dubna, dans l'oblast de Moscou. L'ORNL était alors le seul laboratoire au monde à pouvoir fournir la cible en berkélium nécessaire à l'expérience, tandis que l'équipe d'Iouri Oganessian au JINR disposait d'installations en mesure de détecter les nucléides résultant de la fusion de cette cible avec des projectiles de calcium 48.

L'équipe du JINR a annoncé en janvier 2010 avoir observé la désintégration radioactive de l'élément 117 à travers deux chaînes de désintégration : l'une correspondant à un isotope impair-impair (²⁹⁴Ts, 117 protons et 177 neutrons) ayant subi six désintégrations α avant une fission spontanée, et l'autre correspondant à un isotope impair-pair (²⁹³Ts, 117 protons et 176 neutrons) ayant subi trois désintégrations α avant une fission spontanée :

48
20Ca + 249
97Bk → 297
117Ts* → 294
117Ts + 3 1
0n (1 nucléide observé)

48
20Ca + 249
97Bk → 297
117Ts* → 293
117Ts + 4 1
0n (5 nucléides observés)

Ces données ont été transmises au laboratoire national de Lawrence Livermore (LLNL) pour des analyses plus poussées, et les résultats complets ont été publiés le 9 avril 2010^[14], révélant que les deux isotopes observés pouvaient avoir une période radioactive de plusieurs dizaines, voire centaines de millisecondes.

La section efficace de cette réaction est estimée autour de 2 pico barns ; les nucléides ²⁹³Ts et ²⁹⁴Ts obtenus ont chacun une chaîne de désintégration a priori assez longue, allant jusqu'au dubnium, voire au lawrencium, ce qui a permis leur caractérisation :

Tous les produits de désintégration de l'élément 117 étaient inconnus avant cette expérience, de sorte que leurs propriétés ne pouvaient servir à confirmer la validité de cette expérience. Une seconde synthèse fut réalisée en 2012 par la même équipe du JINR, qui obtint cette fois sept noyaux d'élément 117. Les résultats de cette expérience confirmèrent ceux de la première synthèse^[15]. Enfin, deux noyaux supplémentaires d'élément 117 furent synthétisés en 2014 au Centre de recherche sur les ions lourds (GSI) à Darmstadt, en Allemagne, par une équipe conjointe du GSI et de l'ORNL à l'aide de la même réaction que celle réalisée au JINR^[16] ; l'équipe du GSI avait initialement songé à explorer les réactions alternatives ²⁴⁴Pu(⁵¹V,xn)^295-xTs, et, éventuellement, ²⁴³Am(⁵⁰Ti,xn)^293-xTs^[17], s'ils ne parvenaient pas à obtenir du ²⁹⁴Bk de l'ORNL.

Stabilité des isotopes

Article détaillé : Isotopes du tennessine.

La stabilité des nucléides décroît rapidement au-delà du curium (élément 96) lorsque le numéro atomique augmente. À partir du seaborgium (n^o 106), tous les isotopes connus ont une période radioactive ne dépassant pas quelques minutes, tandis que celle de l'isotope le plus stable du dubnium (n^o 105), qui le précède dans le tableau périodique, est de 30 h, et qu'aucun élément chimique de numéro atomique supérieur à 82 (correspondant au plomb) n'a d'isotope stable^[18]. Cependant, pour des raisons qui ne sont pas encore bien comprises, la stabilité des noyaux atomiques tend à légèrement croître autour des numéros atomiques 110 à 114, ce qui semble indiquer la présence d'un « îlot de stabilité ». Ce concept, qui a été théorisé par Glenn Seaborg, expliquerait pourquoi les transactinides ont une période radioactive supérieure à celle prédite par le calcul. L'élément 117 possède le second numéro atomique le plus élevé parmi les éléments identifiés — seul l'oganesson est situé après lui dans le tableau périodique — et son isotope ²⁹⁴Ts a une demi-vie d'environ 51 ms, sensiblement supérieure à la valeur théorique qui avait été utilisée dans la publication rendant compte de sa découverte^[14]. L'équipe du JINR considère que ces données constituent une preuve expérimentale de l'existence de l'îlot de stabilité^[19].

Carte de nucléides utilisée par l'équipe du JINR en 2010, soulignant d'un cadre les isotopes caractérisés à l'époque, et d'une ellipse blanche l'hypothétique « îlot de stabilité » ; selon Oganessian *et al.*, la relative stabilité des isotopes de l'élément 117 alors synthétisés accréditerait l'existence de ce dernier^[19].

L'isotope ²⁹⁵Ts aurait une période de 18 ± 7 ms. Il pourrait être possible de le produire à l'aide d'une réaction ²⁴⁹Bk(⁴⁸Ca,2n)²⁹⁵Ts semblable à celle ayant déjà permis de produire les isotopes ²⁹⁴Ts et ²⁹³Ts. La probabilité de cette réaction serait cependant au plus $1 / 7$ de celle de produire du ²⁹⁴Ts^[20]^,^[21]^,^[22]. Une modélisation tenant compte de l'effet tunnel permet de prédire l'existence de plusieurs isotopes de l'élément 117 jusqu'au ³⁰³Ts. Selon ces calculs, le plus stable d'entre eux serait le ²⁹⁶Ts, avec une période 40 ms pour la désintégration α^[23]. Des calculs par le modèle de la goutte liquide donnent des résultats semblables, suggérant une tendance à l'accroissement de stabilité pour les isotopes plus lourds que le ³⁰¹Ts, avec une période partielle supérieure à l'âge de l'univers pour le ³³⁵Ts si on ignore la désintégration β^[24].

Propriétés

Dans la mesure où le caractère métallique s'affirme au détriment du caractère halogène lorsqu'on descend le long de la colonne n^o 17 du tableau périodique, on s'attend à ce que la tendance se poursuive avec l'élément 117, de sorte qu'il aurait probablement des propriétés de métal pauvre encore plus marquées que celles de l'astate^[8]. Le potentiel standard du couple rédox Ts/Ts^– vaudrait –0,25 V, de sorte que, à la différence des halogènes, l'élément 117 ne devrait pas être réduit l'état d'oxydation –1 dans les conditions standard^[25]^,^[26].

Par ailleurs, les halogènes forment des molécules diatomiques unies par des liaisons σ, dont le caractère antiliant s'accentue lorsqu'on descend le long du groupe 17. Celle de la molécule de diastate At₂, qui n'a jamais été caractérisée expérimentalement, est supposée déjà très antiliante et n'est énergétiquement plus très favorable, de sorte qu'on s'attend à ce que la molécule diatomique Ts₂ soit en fait unie essentiellement par une liaison π^[25] ; le chlorure TsCl — écriture qui n'a aucun rapport avec le chlorure de tosyle, couramment abrégé TsCl également — aurait quant à lui une liaison simple entièrement π.

Enfin, la théorie VSEPR prédit que tous les trifluorures d'éléments du groupe 17 ont une géométrie moléculaire en T. Cela a été observé pour tous les trifluorures d'halogènes, qui présentent une structure notée AX₃E₂ dans laquelle l'atome central A est entouré par trois ligands X et deux paires d'électrons E. C'est par exemple le cas du trifluorure de chlore ClF₃. On pourrait s'attendre à observer le même phénomène pour l'élément 117, cependant, les effets relativistes sur son cortège électronique, notamment d'interaction spin-orbite, rendent plus probable une géométrie trigonale pour la molécule TsF₃, en raison du caractère davantage ionique de la liaison entre le fluor et l'élément 117, qui pourrait s'expliquer par la plus grande différence d'électronégativité entre ces deux éléments^[27].

Le trifluorure d'iode IF₃ a une géométrie en T.
La géométrie du TsF₃ serait trigonale.

Les effets dus aux interactions spin-orbite tendent globalement à croître avec le numéro atomique, dans la mesure où la quantité de mouvement des électrons croît avec lui, ce qui rend les électrons périphériques plus sensibles aux effets relativistes pour les éléments superlourds^[29]. Dans le cas de l'élément 117, ceci a pour effet d'abaisser les niveaux d'énergie des sous-couches 7s et 7p, ce qui a pour effet de stabiliser les électrons correspondants, bien que deux des niveaux d'énergie 7p sont davantage stabilisés que les quatre autres^[30]. La stabilisation des électrons 7s relève de l'effet de paire inerte ; la séparation de la sous-couches 7p entre électrons stabilisés et électrons moins stabilisés est modélisée comme une séparation du nombre quantique azimutal ℓ de 1 à $1 / 2$ et $3 / 2$ respectivement^[29]. La configuration électronique de l'élément 117 peut par conséquent être représentée par 7s2 7p2
¹⁄₂ 7p3
³⁄₂^[25].

Les autres sous-couches sont également affectées par ces effets relativistes. Ainsi, les niveaux d'énergie 6d sont également séparés en quatre niveaux 6d_3/2 et six 6d_5/2 et remontent à proximité des niveaux 7s^[30], bien qu'on n'ait pas calculé de propriétés chimiques particulières liées aux électrons 6d pour l'élément 117. L'écart entre les niveaux 7p_1/2 et 7p_3/2 est anormalement élevé : 9,8 eV^[30] ; il n'est que de 3,8 eV pour la sous-couche 6p de l'astate, pour lequel la chimie des électrons 6p_1/2 apparaît déjà comme « limitée »^[29]. C'est la raison pour laquelle on s'attend à ce que la chimie de l'élément 117, si elle peut être étudiée, diffère de celle du reste du groupe 17.

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Synthèse

Stabilité des isotopes

Propriétés

Notes et références

Notes

Références

Voir aussi

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