Création du premier « complexe » de Prométhium, révélant les secrets d’un élément mystérieux

Des chimistes ont enfin fabriqué un composé contenant le mystérieux élément prométhium

Par Mark Peplow & Revue nature

L’un des éléments les plus rares et les plus mystérieux de Le tableau périodique a finalement livré certains secrets chimiques cruciaux, huit décennies après sa découverte. Des chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge, dans le Tennessee, sont devenus les premiers à utiliser du prométhium radioactif pour fabriquer un « complexe » chimique, un composé dans lequel il est lié à quelques molécules environnantes. Cet exploit de synthèse a permis à l’équipe d’étudier comment l’élément se lie avec d’autres atomes dans une solution avec de l’eau. Publié le 22 mai dans Nature les résultats comblent une lacune de longue date dans les manuels de chimie et pourraient éventuellement conduire à de meilleures méthodes pour séparer le prométhium des éléments similaires présents dans les déchets nucléaires, par exemple.

« C’est un tour de force », déclare Polly Arnold, chimiste au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie, qui n’a pas participé à la recherche.

Le prométhium est le membre le plus insaisissable de la famille des lanthanides, une rangée de 15 métaux abandonnés dans les territoires méridionaux du tableau périodique. Découvert en 1945, l’élément a été nommé d’après le Titan qui a volé le feu des dieux dans la mythologie grecque. Les chercheurs estiment qu’il en existe actuellement moins d’un kilogramme à l’état naturel dans la croûte terrestre et que son rayonnement a déjà été exploité pour alimenter des stimulateurs cardiaques et des engins spatiaux.

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Avec quelques autres métaux, les lanthanides sont collectivement connus sous le nom d’éléments de terres rares, et nombre d’entre eux sont appréciés pour leurs utilisations technologiques, notamment les lasers et les aimants puissants. Bien que de nombreux éléments de terres rares soient – ​​contre-intuitivement – ​​abondants dans la croûte terrestre, ils sont faiblement répartis et peuvent être difficiles à isoler. Cela est dû en partie au fait qu’ils partagent une chimie remarquablement similaire, ce qui rend difficile l’extraction d’un seul élément lanthanide et son isolement du reste.

Les méthodes de séparation actuelles utilisent souvent des molécules appelées ligands pour se lier aux ions lanthanides chargés positivement en solution, formant ainsi des complexes de coordination. Les chimistes peuvent ensuite exploiter les différences subtiles entre ces complexes pour les séparer : par exemple, en les lavant sélectivement de l’eau à l’aide de solvants organiques. « Mais il faut de nombreuses séparations répétées pour obtenir la matière pure », explique Ilja Popovs, chimiste à Oak Ridge, qui a codirigé la recherche.

Le prométhium est en quelque sorte un livre fermé pour les chercheurs travaillant sur des méthodes de séparation améliorées. Les chimistes ont réussi à fabriquer seulement une poignée de composés de prométhium, tous des solides simples comme l’oxyde.³ – mais jamais un complexe montrant comment le prométhium pourrait se lier aux ligands de séparation en solution.

Prométhium entouré

Les chercheurs d’Oak Ridge ont comblé cette lacune en utilisant du prométhium 147, un isotope radioactif ayant une demi-vie d’environ 2,5 ans, qu’ils ont récupéré à partir des déchets générés lors de la production de plutonium radioactif. Comme tous les autres lanthanides, le prométhium a tendance à former des ions dotés d’une triple charge positive.

L’équipe a combiné ces ions avec un ligand appelé bispyrrolidine diglycolamide, qui contient trois atomes d’oxygène riches en électrons. Trois de ces ligands enserraient chaque ion prométhium, générant des complexes avec neuf liaisons prométhium-oxygène.

Grâce à la spectroscopie d’absorption des rayons X et à des simulations théoriques, les chercheurs ont mesuré la longueur moyenne de ces liaisons. Ils ont également découvert que l’oxygène forme des liaisons en fournissant des paires d’électrons qui remplissent parfaitement les niveaux d’énergie vides, appelés orbitales, autour du prométhium.

« C’est un travail incroyablement difficile et habile, et c’est vraiment impressionnant qu’ils aient pu le faire », déclare Arnold, qui étudie les lanthanides et leurs cousins ​​plus lourds, les éléments actinides.

Compléter l’ensemble

Enfin, pour voir comment leur complexe de prométhium se compare à d’autres complexes de lanthanides, les chercheurs d’Oak Ridge ont combiné le même ligand avec tous les autres lanthanides. Cela a produit la première collection complète de complexes de lanthanides comparables en solution et a révélé comment la longueur de la liaison lanthanide-oxygène diminue, de gauche à droite, à travers la série des lanthanides dans le tableau périodique – conséquence d’un effet bien connu appelé le contraction des lanthanides.

À chaque étape de la série des lanthanides, du lanthane au lutécium, chaque élément gagne un proton et un électron. Les protons s’ajoutent au noyau d’un atome, tandis que les électrons s’ajoutent à ses orbitales. Avec les lanthanides, les électrons remplissent progressivement un ensemble particulier d’orbitales électroniques appelées 4F qui sont plutôt diffus et ne « protègent » donc pas les autres électrons chargés négativement d’un atome de la charge positive croissante de son noyau. Cela permet au noyau d’exercer une traction plus forte sur certaines orbitales et de contracter l’atome plus que prévu. Parce que les ligands de leurs complexes de lanthanides donnent des électrons aux orbitales des ions centraux, les chercheurs d’Oak Ridge ont pu observer cette contraction des lanthanides. dans les longueurs de liaisons à travers leur collection nouvellement synthétisée. Ils ont également observé que la diminution de la longueur des liaisons dans la première partie de la série, du lanthane au prométhium, était plus marquée que dans la dernière partie de la série. Bien que ces résultats ne soient pas particulièrement surprenants, explique Alexander Ivanov, chimiste à Oak Ridge qui a codirigé les travaux, « c’était passionnant de confirmer que cette contraction des lanthanides existe également en solution ».

Cet article est reproduit avec autorisation et a été première publication le 22 mai 2024.