Oganesson

L’Oganesson, de symbole Og et de numéro atomique 118, est un élément chimique également connu sous le nom d’ununoctium (Uuo) selon la dénomination systématique de l’UICPA. Dans les ouvrages, il est appelé élément 118. L’Oganesson a été créé en 2002 en Russie, à l’Institut unifié de recherches nucléaires (JINR), grâce à la réaction chimique ²⁴⁹Cf (⁴⁸Ca, 3n) ²⁹⁴Og. Cet élément synthétique n’existe pas à l’état naturel et a été créé en laboratoire en utilisant des accélérateurs de particules pour fusionner des noyaux atomiques. Lors de sa découverte, les scientifiques ont réussi à produire trois noyaux d’Oganesson dont la période de désintégration est de moins d’une milliseconde. En raison de cette instabilité des isotopes, il est encore difficile d’étudier les propriétés physiques et chimiques de cet élément. Toutes les informations sur l’Oganesson proviennent de modèles théoriques et de calculs.

Origine de l’oganesson

Le nom ununoctium a été donné à cet élément dans les années soixante. Au départ, l’ununoctium était nommé éka-émanation (eka-Em), qui signifie émanation. Parfois, il était représenté par eka-Rn ou éka-radon, car il était situé juste en dessous du radon dans le tableau périodique des éléments. En 1979, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA) a recommandé un nouveau nom pour cet élément, basé sur son numéro atomique. Le nouveau nom recommandé était « un-un-oct-ium », qui est basé sur les trois chiffres du numéro atomique de l’élément. Cette dénomination temporaire est souvent utilisée pour désigner un élément chimique qui n’a pas encore été observé ou caractérisé de manière expérimentale. La dénomination a une origine gréco-latine : « un-un-oct » quisignifie littéralement « un-un-huit ». D’autre part, le suffixe « -ium » est courant dans la nomination des éléments chimiques.

La recherche de ces nouveaux éléments a donc été relancée vers la fin du XX^e siècle. En 1998, le flérovium, de numéro atomique 114, a été synthétisé à l’Institut unifié de recherches nucléaires de Dubna, en Russie. Robert Smolanczuk, physicien polonais, a publié des calculs pour créer des noyaux superlourds en fusionnant des noyaux atomiques. Il a proposé de fusionner un noyau de plomb avec un noyau de krypton pour créer l’Oganesson :
⁸⁶₃₆Kr + ²⁰⁸₈₂Pb ⟶ ²⁹³₁₁₈Og + ¹₀n.

Cependant, l’année suivante, les résultats ont été démentis, car personne d’autre n’a pu reproduire l’expérience. En effet, il s’avère que les résultats ont été falsifiés par l’auteur de l’étude, Victor Ninov.

Synthèse officielle

L’Oganesson a été annoncé officiellement en 2006 suite à l’alliance du Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis et du Joint Institute for Nuclear Research en Russie. Ils ont observé de manière indirecte des noyaux d’Oganesson (²⁹⁴Og) obtenus par la collision d’ions de calcium 48 sur des atomes de californium 249^{26,27,28,29,30}. Cette réaction a produit un noyau de ²⁹⁴Og. En 2005, ces observations ont permis d’obtenir la formule suivante :
⁴⁸₂₀Ca + ²⁴⁹₉₈Cf ⟶ ²⁹⁷₁₁₈Og* ⟶ ²⁹⁴₁₁₈Og + 3¹₀n.

Modus operandi

La fusion nucléaire est le processus par lequel deux noyaux atomiques légers se combinent pour former un noyau plus lourd. Ce procédé libère une grande quantité d’énergie, qui est utilisée dans des centrales nucléaires pour produire de l’électricité. Cependant, la fusion nucléaire est un mécanisme très difficile à réaliser, car il nécessite des conditions extrêmes de température et de pression. Pour le cas de l’Oganesson, l’expérience de fusion nucléaire a duré quatre mois avant que les chercheurs aient observé la première signature de désintégration d’un noyau. Les chercheurs ont envoyé environ 2,5 × 10¹⁹ ions de calcium 48 sur le californium 249. La probabilité d’une fausse détection ayant été estimée à moins d’une pour cent mille, cette observation a été acceptée. Au total, trois noyaux de ²⁹⁴118 (des noyaux comportant 294 nucléons, dont 118 protons) ont été observés en train de se désintégrer. Cela a permis aux chercheurs d’estimer l’énergie de désintégration de cet isotope à 11,65 ± 0,06 MeV, et sa période radioactive à 0,89ms.

Après l’envoi des ions de calcium sur une cible de californium, des réactions nucléaires peuvent produire des noyaux de Uuo. Pour détecter ces décroissances successives, les scientifiques utilisent des détecteurs sensibles aux particules alpha. En suivant la chaîne de désintégration α, on constate que les noyaux de ²⁹⁴118 se décomposent en livermorium (²⁹⁰Lv,). Ce dernier se désintègre en deux autres noyaux : le flérovium (²⁸⁶Fl) qui a une période de 10 ms et une énergie de 10,80 MeV, et le copernicium (²⁸²Cn) qui possède une période de 0,16 s et une énergie de 10,16 MeV.

Isotopes

Les isotopes de l’Oganesson sont lourds, instables et se désintègrent facilement. En effet, les éléments chimiques avec un numéro atomique supérieur à 82 n’ont aucun isotope stable, et ceux avec un numéro atomique supérieur à 101 ont une très courte période radioactive.

Selon les théories MM (microscopic-macroscopic) et RMF (champ moyen relativiste), les noyaux atomiques peuvent être plus stables s’ils ont un « nombre magique » de neutrons et de protons, désignant ainsi une configuration particulière. Ces théories prétendent que cet îlot de stabilité se situe autour des nucléides ayant 184 neutrons et un nombre magique de protons, soit 114, 120, 122 ou 126, en fonction des modèles et des paramètres utilisés. L’élément 118 est également situé autour de cette région privilégiée. Son isotope connu, qui a 118 protons et 176 neutrons, a une période radioactive légèrement plus élevée que ce qui était attendu.

Des études ont montré que certains isotopes de l’Oganesson pourraient avoir une période radioactive plus longue que celle du ²⁹⁴Og synthétisé. Il s’agit notamment des isotopes 293, 295, 296, 297, 298, 300 et 302. D’autres isotopes plus lourds, comme le ³¹³Og, pourraient même avoir une période radioactive supérieure à une milliseconde.

Caractéristiques moléculaires et physiques

L’Oganesson appartient à la famille des gaz nobles comme l’hélium, le néon et l’argon. Les gaz nobles ont une particularité : leur couche externe d’électrons est complète, ce qui les rend très stables et peu réactifs avec d’autres éléments. L’Oganesson devrait donc être un élément très stable et peu réactif comme les autres gaz rares. Des scientifiques ont pourtant découvert que cet élément pouvait être plus réactif que prévu. Cela est dû à des phénomènes quantiques qui perturbent sa stabilité. Les électrons de l’Oganesson peuvent avoir un comportement particulier en raison d’un effet appelé « couplage spin-orbite », qui est lié à la manière dont les électrons tournent et bougent. Les électrons de l’Oganesson se déplacent très rapidement autour du noyau et sont donc soumis à un champ électrique intense. Cela peut entraîner un couplage fort entre leur spin et leur orbite. Cet effet peut rendre l’Oganesson plus réactif que les autres gaz rares.

En outre, une étude théorique a révélé que les électrons de l’Oganesson ne sont pas organisés de la même manière que dans les autres éléments chimiques. Normalement, les électrons sont organisés en « couches » autour du noyau de l’atome. Mais pour l’Oganesson, les électrons sont plutôt « délocalisés » : ‘ils sont répartis de manière plus uniforme. Cela le rendrait analogue à un gaz de particules sans interaction, un comportement très inhabituel pour un élément chimique.

Une étude a révélé que l’Oganesson avait une affinité électronique positive, contrairement aux autres gaz rares. Il s’agit d’une mesure de l’attraction qu’un atome exerce sur un électron supplémentaire. Les gaz rares sont connus pour avoir une affinité électronique nulle ou très faible, mais l’Oganesson semble être une exception. Des corrections basées sur l’électrodynamique quantique ont été apportées à cette découverte. Elles ont réduit de 9 % l’énergie de liaison de l’anion Og^– (l’atome d’Oganesson ayant gagné un électron pour former un ion négatif). Ces corrections sont importantes pour les atomes superlourds comme l’Oganesson, qui ont des propriétés inhabituelles en raison d’un nombre élevé de protons et de neutrons dans leur noyau.

L’une des propriétés les plus intéressantes de l’Oganesson est sa polarisabilité élevée. Il s’agit d’une mesure de la capacité d’un atome ou d’une molécule à être déformé par un champ électrique externe. Selon les études, l’Oganesson aurait une polarisabilité plus élevée que tous les autres éléments avec un numéro atomique inférieur. Elle serait presque deux fois plus élevée que celle du radon. L’Oganesson a un potentiel d’ionisation très bas, ce qui signifie que les électrons qui lui sont liés peuvent être facilement retirés. Enfin, cet élément chimique a une température d’ébullition très élevée, qui est d’environ 320 à 380 kelvin (K) ou entre 50 et 110 °C selon les études. Ce phénomène suggère que l’Oganesson pourrait être solide à température ambiante, même si cela n’a pas encore été confirmé.

Caractéristiques chimiques

Des modèles de composés d’Oganesson ont été calculés dès les années 1960, mais la synthèse n’a été publiée officiellement que plus tard. En raison de sa structure électronique similaire à celle des gaz rares et son énergie d’ionisation élevée, l’Oganesson réagit difficilement avec l’oxygène. Les scientifiques ont constaté que les électrons périphériques de l’Oganesson pourraient être stabilisés dans les états d’oxydation +2 et +4 lorsqu’ils sont couplés avec le fluor, grâce aux effets de couplage spin-orbit. Cela pourrait conduire à la création de composés tels que le difluorure d’Oganesson (OgF₂) et le tétrafluorure d’Oganesson (OgF₄). Ce dernier a une forme tétraédrique différente de la forme tétragonale plane du tétrafluorure de xénon XeF₄. Cela est dû à la nature des liaisons en jeu. Les liaisons de l’Oganesson sont ioniques, tandis que celles du xénon sont à trois centres et quatre électrons. Celles entre l’Oganesson et le fluor ont une faible tendance à se vaporiser. Comme l’Oganesson est très lourd et possède un grand nombre de protons dans son noyau, il est susceptible de former des liaisons avec des éléments plus électronégatifs tels que le chlore.

L’électrodynamique quantique, une théorie physique qui décrit l’interaction entre la lumière et la matière à l’échelle subatomique, peut également avoir un impact sur les propriétés de l’Oganesson. Ces corrections quantiques peuvent modifier les énergies des orbitales électroniques de l’Oganesson et donc affecter sa réactivité chimique. En combinant ces effets, il a été proposé que l’Oganesson présente des propriétés similaires à celles des métalloïdes semi-conducteurs.