Ununoctium

L'ununoctium (nom provisoire attribué par l'UICPA) est l'élément chimique de numéro atomique 118 (symbole provisoire Uuo). Il est parfois appelé eka-radon (« en dessous du radon » dans le tableau périodique des éléments) en référence à la désignation provisoire des éléments par Dmitri Mendeleïev avant qu'ils ne soient isolés et nommés. Dans la littérature scientifique, l'ununoctium est généralement appelé élément 118.

De tous les éléments chimiques dont la synthèse est largement acceptée, c'est celui qui a la masse atomique et le numéro atomique les plus élevés. Il est particulièrement instable et seuls trois atomes de Uuo ont été synthétisés à ce jour. Toutes les propriétés physiques et chimiques publiées pour cet élément sont par conséquent théoriques et découlent de modèles de calcul.

Formellement classé dans la série des gaz nobles, il serait en réalité assez réactif, et les propriétés de quelques composés (tétrafluorure d'ununoctium UuoF₄ et difluorure d'ununoctium UuoF₂ par exemple) ont été calculées. Si on pouvait l'étudier d'un point de vue chimique, il se comporterait peut-être comme un métalloïde semiconducteur en raison d'une configuration électronique modifiée par couplage spin-orbite et des corrections dues à l'électrodynamique quantique. De surcroît, en vertu de sa polarisabilité supérieure à celle de tous les éléments chimiques de numéro atomique inférieur, les calculs lui prédisent une température d'ébullition comprise entre 50 et 110 °C, de sorte qu'il serait sans doute liquide et même vraisemblablement solide, avec une masse volumique de l'ordre de 13 650 kg/m, aux conditions normales de température et de pression.

Fausse annonce (1999)

Motivée par la quête de l'îlot de stabilité, la recherche des éléments superlourds a été relancée à la fin des années 1990 par la synthèse de l'élément de numéro atomique 114 (ununquadium) en 1998 à l'Institut unifié de recherches nucléaires (JINR) de Doubna, en Russie. Le physicien polonais Robert Smolanczuk avait en effet publié des calculs sur la fusion de noyaux atomiques pour synthétiser des noyaux superlourds, y compris le noyau de numéro atomique 118 ; pour cet élément, il suggérait de fusionner un noyau de plomb avec un noyau de krypton. La synthèse d'un noyau de Uuo a été annoncée en 1999 selon la réaction de fusion nucléaire :

Ces résultats ont néanmoins été invalidés l'année suivante, car aucune équipe ne parvint à reproduire l'expérience ; en juin 2002, il fut révélé que l'annonce avait été faite à partir de résultats falsifiés par Viktor Ninov, le principal auteur.

Premières observations attestées (publiées en 2006)

La véritable découverte de l'ununoctium a été annoncée en 2006 par une équipe américano-russe du Laboratoire national de Lawrence Livermore (LLNL, États-Unis) et du JINR (Russie) : l'observation indirecte au JINR de noyaux Uuo produits par collision d'ions calcium 48 sur atomes de californium 249, à raison d'un noyau Uuo en 2002 et de deux autres en 2005 :

Mode opératoire

Cette réaction de fusion nucléaire ayant une faible probabilité (avec une section efficace d'à peine 0,5 picobarn, soit 5×10 m), il a fallu attendre quatre mois pour observer la première signature de désintégration d'un noyau d'élément 118 après avoir envoyé quelque 4×10 ions calcium 48 sur la cible de californium. Cette observation a néanmoins été validée dans la mesure où la probabilité d'une fausse détection avait été estimée à moins d'une pour cent mille. Ce sont en tout trois noyaux de 118 (c'est-à-dire des noyaux comportant 294 nucléons, dont 118 protons) dont la désintégration a été observée, permettant d'estimer la période radioactive de cet isotope à 0,89_−0,31ms et son énergie de désintégration à 11,65 ± 0,06 MeV.

La détection des noyaux 118 repose sur l'observation de leur désintégration α en 116, lequel est détecté par l'observation de sa chaîne de désintégrations α successivement en 114 (avec une période de 10 ms et une énergie de 10,80 MeV) puis en 112 (avec une période de 0,16 s et une énergie de 10,16 MeV) : si l'on observe la désintégration de noyaux 116 dans le californium bombardé par des ions calcium, c'est que l'élément 116 s'y est formé par désintégration de noyaux 118.

Dans la foulée de ces résultats, les travaux ont commencé pour observer l'élément 120 en bombardant du plutonium 244 avec des ions de fer 58. Les isotopes de cet élément devraient avoir des périodes de l'ordre de quelques microsecondes.

L'ununoctium était encore appelé eka-émanation dans les années 1960 (symbole eka-Em dans la littérature scientifique d'alors ; « émanation » était le nom sous lequel était désigné le radon à cette époque), puis l'UICPA a recommandé en 1979 la dénomination systématique « un-un-oct-ium » fondée sur les trois chiffres du numéro atomique. Il s'agit d'une dénomination temporaire avec un symbole à trois lettres qui s'applique à tous les éléments chimiques dont l'observation n'a pas encore été validée par l'UICPA, le nom définitif avec son symbole à deux lettres étant alors choisi par l'équipe à l'origine de la première caractérisation de l'élément.

Dans le cas de l'ununoctium, le nom provisoire demeure en usage bien que l'observation de cet élément soit largement acceptée depuis plusieurs années car l'UICPA n'a pas encore validé sa caractérisation ; de surcroît, les deux équipes (russe et américaine) à l'origine de cette observation ne sont pas parvenues à un consensus sur le nom à donner à l'élément 118.

À l'issue de l'annonce prématurée de 1999, l'équipe du LLNL a voulu l'appeler Ghiorsium (Gh), d'après Albert Ghiorso, un directeur de l'équipe, mais cette dénomination n'a pas été retenue par la suite. Lors de l'annonce par les Russes, en 2006, de la synthèse de cet élément au Flerov Laboratory of Nuclear Reactions (FLNR) du JINR, la première suggestion aurait été de l'appeler Dubnadium (Dn), mais ce terme était trop proche du Dubnium (Db), dont ils étaient également à l'origine. Cependant, lors d'un entretien avec une revue russe, le directeur du laboratoire a déclaré que son équipe envisageait deux noms : Flyorium en hommage au fondateur du laboratoire, Georgy Flyorov, et Moscovium, puisque Doubna se trouve dans l'oblast de Moscou. Il a expliqué par la même occasion que le droit de choisir le nom de cet élément devait revenir à l'équipe russe, même si c'était l'équipe américaine du LLNL qui avait notamment fourni la cible de californium, car le FLNR est la seule infrastructure au monde à pouvoir réaliser cette expérience.

L'équipe américaine ne partageant pas le point de vue russe, l'élément 118 demeure officiellement désigné par son nom provisoire, ununoctium ; il arrive néanmoins qu'on le rencontre sous le nom de moscovium (du cyrillique московий, transcrit moskovium, voire moskowium), avec le symbole Mk, dans la littérature d'origine russe, souvent bien documentée sur cet élément. D'un point de vue général, la littérature scientifique préfère utiliser les numéros atomiques plutôt que les dénominations systématiques, de sorte que l'ununoctium est la plupart du temps désigné comme « élément 118 », et l'isotope ununoctium 294 est généralement représenté par le symbole « 118 ».

Aucun élément chimique de numéro atomique supérieur à 82 (plomb) ne possède d'isotope stable, et tous les éléments de numéro atomique supérieur à 101 (mendélévium) ont une période radioactive inférieure à la journée.

Certaines théories décrivant la structure nucléaire selon un modèle en couches — les théories dites microscopic-macroscopic (MM) et de champ moyen relativiste (RMF) — prédisent l'existence d'un îlot de stabilité autour de nucléides constitués d'un « nombre magique » de neutrons et d'un nombre magique de protons : 184 neutrons dans tous les cas, mais 114, 120, 122 ou 126 protons selon les théories et les paramètres retenus dans les modèles. L'ununoctium, avec ses 118 protons et 176 neutrons pour son isotope connu, serait donc dans le voisinage de cet « îlot de stabilité » ; sa période radioactive de 0.89_−0.31ms est un peu plus élevée qu'attendu, ce qui irait dans le sens de cette théorie.

Des calculs laissent penser que d'autres isotopes de l'ununoctium pourraient avoir une période radioactive de l'ordre de la milliseconde et, pour certains, supérieure à celle du noyau Uuo synthétisé, notamment les isotopes 293, 295, 296, 297, 298, 300 et 302. Certains isotopes plus lourds, avec davantage de neutrons, pourraient également avoir des périodes radioactives plus longues, par exemple autour de Uuo.

Appartenant à la colonne des gaz nobles, l'ununoctium devrait être un élément chimique à valence zéro : en raison de leur structure électronique, ces éléments sont chimiquement relativement inertes car, ayant une couche de valence aux sous-couches s et p complètes, ils n'ont pas d'électron de valence pour former une liaison chimique, en vertu de la règle de l'octet. On pourrait donc s'attendre à ce que l'élément 118 ressemble au radon. Selon toute vraisemblance, la configuration électronique de l'ununoctium devrait être 7s, 7p. Il serait cependant sensiblement plus réactif qu'on ne le pensait au premier abord. Étant situé en dessous du radon dans le tableau périodique des éléments, il serait de toute façon plus réactif que ce dernier. Mais des phénomènes quantiques, tel qu'un couplage spin-orbite sensible au sein des couches 7s et 7p, conduiraient à diviser ces sous-couches en fonction du spin des électrons et à réorganiser différemment les niveaux d'énergie avec la couche de valence, d'où saturation apparente de cette dernière pour l'élément 114 (ununquadium) plutôt que pour l'élément 118, dont la couche de valence serait ainsi moins stable que celle de l'élément 116 (ununhexium), lui-même ayant une couche de valence moins stable que celle de l'élément 114.

Il a par ailleurs été calculé que l'ununoctium aurait une affinité électronique positive, à la différence de tous les autres gaz rares, mais des corrections issues de l'électrodynamique quantique sont venues atténuer cette affinité (notamment en réduisant de 9 % l'énergie de liaison de l'anion Uuo), rappelant l'importance de ces corrections dans les atomes superlourds.

L'ununoctium aurait une polarisabilité plus élevée de celle de tous les éléments de numéro atomique inférieur, et presque double de celle du radon, d'où un potentiel d'ionisation anormalement bas, similaire à celui du plomb, qui est 70 % celui du radon, et sensiblement plus faible que celle de l'élément 114. Cela conduirait également à une température d'ébullition de 320 à 380 K, très supérieure aux valeurs publiées jusqu'à présent, de l'ordre de 263 K et 247 K. Même avec la marge d'incertitude sur cette température d'ébullition, il semble peu probable que l'élément 118, s'il existait en quantité massive, soit à l'état gazeux aux conditions normales de température et de pression. Dans la mesure où la plage de températures dans lesquelles les autres gaz rares existent à l'état liquide est très étroite (entre 2 et 9 K), l'ununoctium serait sans doute même solide.

Aucun composé d'ununoctium n'a encore été synthétisé, mais des modélisations de tels composés ont été calculées dès le milieu des années 1960. Si cet élément présente une structure électronique de gaz rare, il devrait être difficile à oxyder en raison d'une énergie d'ionisation élevée, mais cette hypothèse paraît discutable. Les effets de couplage spin-orbite sur ses électrons périphériques auraient pour effet de stabiliser les états d'oxydation +2 et +4 avec le fluor, conduisant respectivement au difluorure d'ununoctium UuoF₂ et au tétrafluorure d'ununoctium UuoF₄, avec pour ce dernier une géométrie tétraédrique et non pas tétragonale plane comme, par exemple, le tétrafluorure de xénon XeF₄ : cette géométrie différente vient de ce que les liaisons en jeux seraient de nature différente, liaison ionique dans le cas de l'ununoctium, liaison à trois centres et quatre électrons dans le cas du xénon.

Conformation de la molécule de tétrafluorure d'ununoctium UuoF4		Conformation de la molécule de tétrafluorure de xénon XeF4

Le caractère ionique des liaisons ununoctium-fluor rendrait ces composés peu volatils.

Enfin, l'ununoctium serait suffisamment électropositif pour former des liaisons avec le chlore et donner des composés chlorés.