Mendélévium

Le mendélévium, élément atomique n°101 de symbole Md : sa découverte, sa synthèse, ses propriétés et ses isotopes.

Cette méthode était d’une grande importance, car l’utilisation de la capture neutronique pour synthétiser les transuraniens s’est avérée inefficace. Cela est dû à l’absence de désintégration bêta parmi les isotopes du fermium, qui devraient normalement produire le prochain élément, le mendélévium. De plus, la courte période radioactive de ²⁵⁸Fm a également été un obstacle à la réussite de la capture neutronique.

Afin de vérifier la possibilité de produire du mendélévium, l’équipe a effectué un calcul basé sur le nombre d’atomes de la cible, sa section efficace, l’intensité du faisceau d’ions et la durée du bombardement. Cette dernière a un lien avec la période radioactive du produit. En considérant ces paramètres, il a été démontré qu’un atome devrait être produit par expérience. Ainsi, dans des conditions optimales, une seule particule de l’élément 101 serait générée lors de l’expérience. Ces calculs ont démontré la possibilité de réaliser la synthèse du mendélévium et les expériences ont été entreprises.

La cible d’einsteinium 253 était facile à produire en irradiant du plutonium, considérant qu’après une année de rayonnement on obtiendrait un milliard d’atomes. La période radioactive du Es est de trois semaines. Ainsi, les expériences pouvaient débuter une semaine après avoir obtenu une cible par séparation et purification de cet élément. Toutefois, une amélioration du cyclotron s’avérait indispensable, car l’intensité des particules alpha requise pour la synthèse était de l’ordre de 10¹⁴ particules par seconde.

Afin de séparer les atomes de mendélévium et d’actinides plus légers produits pendant la synthèse, Choppin proposa l’utilisation de l’acide α-hydroxyisobutyrique. La méthode de synthèse a recours à une technique développée par Albert Ghiorso, exploitant le recul des atomes de Md formés. La cible fait face au faisceau de particules alpha et à son opposé on a disposé l’einsteinium. Ainsi, les atomes du mendélévium ont suffisamment d’élan pour quitter la cible et être récoltés dans une mince feuille d’or placée juste derrière. Cette approche est efficace étant donné la faible quantité d’Es présente dans la cible.

Environ 109 atomes de ²⁵³Es ont été déposés par électroplacage sur la feuille d’or. Le bombardement a été effectué dans le cyclotron de Berkeley avec des particules alpha d’une énergie 41 MeV, à une intensité de 6×10¹³ particules par seconde sur une surface de 0,05 cm³.  Afin de maintenir une température constante de la cible, elle a été refroidie par de l’eau ou de l’hélium liquide, sinon on pouvait la remplacer en cas de besoin.

En septembre 1954, les premières expériences réalisées n’ont pas détecté de désintégration alpha d’un atome de mendélévium. Par conséquent, Ghiorso a supposé que le mendélévium formé se serait désagrégé totalement en fermium par capture électronique. Il a alors suggéré une reprise de la synthèse, en recherchant cette fois des événements de fission spontanée. Ainsi, en février 1955, les travaux de synthèse ont été repris.

Le 19 février 1955, jour de la découverte, l’irradiation alpha de la cible d’einsteinium a été répartie sur trois sessions de trois heures.

Comme le cyclotron était situé loin du Radiation Laboratory, sur le campus de l’Université de Californie, une méthode de travail complexe a été mise en place. Ghiorso a pris les feuilles du dispositif récepteur du cyclotron (composé de trois cibles et trois dispositifs récepteurs) et les a remises à Harvey. Ce dernier a dissous les feuilles dans de l’eau régale, puis les a fait passer à travers une colonne de résine échangeuse d’anions afin de dissocier les éléments transuraniens de l’or et les autres produits. Choppin et Ghiorso versèrent les gouttes de solution obtenues dans un tube à essais et les transportèrent rapidement au Radiation Laboratory. À leur arrivée, Thompson et Choppin ont employé l’acide α-hydroxyisobutyrique et une colonne de résine échangeuse de cations pour recueillir les gouttes de solutions sur des disques de platine. Ces derniers ont été séchés sous des lampes chauffantes. On a présumé que les trois disques contenaient respectivement du fermium, aucun nouvel élément et du mendélévium. Enfin, ils ont été mis dans un dispositif qui enregistrait les événements de fission spontanée et révélait ainsi le moment et le nombre des désintégrations.

La détection a été faite par l’observation de cinq événements de fission spontanée qui ont eu lieu dans le ²⁵⁶Fm (isotope fils du mendélévium), par capture électronique. Quatre ont été suffisants pour prouver l’identification chimique de l’élément 101. Des expériences plus avancées et des analyses supplémentaires ont révélé que l’isotope du mendélévium créé avait un nombre de masses de 256. Il s’est désagrégé en fermium 256 par capture électronique, avec une période radioactive d’environ 1,5 heure.

Mendeleïev était un chimiste russe et la découverte a été faite dans un contexte de guerre froide. Seaborg a dû user de persuasion pour convaincre le gouvernement des États-Unis d’accepter le nom de mendélévium pour le nouvel élément. Ce nom n’a été approuvé qu’en 1955 par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA). Une assemblée générale de l’organisation s’est tenue à Paris en 1957, durant laquelle le symbole original « Mv » a été modifié en « Md ».

On peut exploiter le recul des atomes de mendélévium 256 pour les éloigner de la cible d’einsteinium. Ensuite, ils sont déposés sur une feuille métallique mince, telle que le béryllium, l’aluminium, le platine ou l’or, qui est positionnée directement derrière la cible. Avec cette méthode, une séparation chimique à partir de la cible, n’est plus nécessaire et on peut réutiliser la cible d’einsteinium.

Pour séparer le mendélévium des produits de fission, il est possible de dissoudre la feuille avec de l’acide et de la précipiter ensuite avec du fluorure de lanthane. Puis, on utilise une colonne de résine échangeuse de cations avec une solution aqueuse contenant à 10% d’éthanol saturée en acide chlorhydrique. Toutefois, si la feuille en or est assez fine, il est plus pratique de dissoudre l’or dans de l’eau régale. Par la suite, on procède à la séparation des actinides trivalents de l’or par la chromatographie à échange d’anions, avec l’acide chlorhydrique comme éluant.

Une autre option consiste à ralentir directement les atomes de mendélévium formés dans un gaz (généralement de l’hélium). Ce gaz est évacué hors de la chambre de réaction et permet le l’acheminement des atomes à travers un tube capillaire pour être analysés. Pour les longues distances, on ajoute du chlorure de potassium au gaz de transport.

Propriétés du mendélévium

À l’état ordinaire, le mendélévium est un corps simple solide. Son système cristallin se présente sous une structure cubique à faces centrées. Son point de fusion, identique à celui du nobélium, est estimé à 827 °C et sa masse volumique évaluée à environ 10.3 ± 0.7 g·cm⁻³¹⁶. Cet élément chimique a une masse atomique de 258 u et une électronégativité de 1,3 sur l’échelle de Pauling. L’énergie de première ionisation de l’atome du Md est de 6,58 eV et son N° CAS est 7440-11-1.

Le mendélévium en solution constitue les principales données sur la chimie de cet élément. Il peut adopter les états d’oxydation +3 ou +2. Bien que le degré d’oxydation +1 ait été signalé, il n’a pas été confirmé.

Avant la découverte du mendélévium, Katz et Seaborg ont émis l’hypothèse de sa prédominance sous forme trivalente en solution aqueuse. Ils ont supposé que l’élément  101 aurait des propriétés semblables à celles des lanthanides et des actinides trivalents. Après la découverte par synthèse du Md, ces suppositions se sont avérées exactes. Tout d’abord, par son élution juste après le fermium dans le processus d’extraction des actinides trivalents, puis en 1967 quand le fluorure de mendélévium et l’hydroxyde ont été coprécipités avec des sels de lanthanides trivalents.

Le mendélévium III peut être réduit en mendélévium II qui est une forme stable en solution aqueuse stable. En 1967, le potentiel standard de réduction du couple E°(Md3+→Md2+) a été évalué à −0,10 V ou −0,20 V. En 2013, cette valeur a été établie à −0,16 ± 0,05 V.  À titre comparatif, E°(Md3+→Md0) est estimé à environ −1,74 V et E°(Md2+→Md0) à environ −2,5 V.

En 1973, des chercheurs russes ont annoncé la synthèse du mendélévium I, réalisée par réduction des états d’oxydation supérieurs de l’élément à l’aide de samarium II. Cette forme était reconnue stable en solution neutre dans un mélange d’eau et d’éthanol. Le Me I présentait une similitude avec le césium I, pourtant, les expériences ultérieures n’ont pas permis de confirmer son existence. Elles ont démontré que le mendélévium désoxydé ne se comporte pas comme les métaux alcalins monovalents, mais plutôt comme des éléments divalents. Toutefois, l’équipe russe a mené des études approfondies sur la co-cristallisation du mendélévium, avec des chlorures de métaux alcalins. Elle en a conclu que du mendélévium I se forme et qu’il est capable d’engendrer des cristaux mixtes avec des éléments divalents.

La prédiction en 1975 disait que E°(Md4+→Md3+) était d’environ +5,4 V, ce qui impliquait que le mendélévium III pourrait être facilement oxydé en mendélévium IV. Néanmoins, des expériences menées en 1967 avec le bismuthate de sodium, en tant qu’agent oxydant, n’ont pas réussi à réaliser cette oxydation.

Isotopes

Cinq isomères nucléaires et seize radioisotopes du mendélévium, de ²⁴⁵Md à ²⁶⁰Md, ont été identifiés..

Les isotopes ²⁵⁷Md, ²⁵⁸Md, ²⁵⁹Md et ²⁶⁰Md sont les plus stables. Ils sont tous synthétiques et leur période est respectivement de 5,52 heures, 51,5 jours, 1,60 heure et 27,8 jours.

Le ²⁵⁷Md se désagrège par capture électronique et subit une fission spontanée. Il génère du ²⁵⁷Fm, du ²⁵³Es et d’autres produits.

Les modes de désintégration du ²⁵⁸Md sont α, β, et β⁺ et il produit respectivement  le ²⁵⁴Es, le ²⁵⁸No et le  ²⁵⁸Fm.

Le ²⁵⁹Md subit une désintégration α ainsi qu’une fission spontanée et engendre du ²⁵⁵Es et d’autres corps chimiques.

Lors de sa désintégration α , le ²⁶⁰Md émet des particules. La désintégration β- se fait par capture électronique et il subit une fission spontanée. Ses produits de désintégrations sont le ²⁵⁶Es, le ²⁶⁰Fm, le ²⁶⁰No, ainsi que des produits de fission.