Neptunium
Le neptunium est un métal actinide radioactif utilisé comme précurseur du plutonium-238 pour l'alimentation des engins spatiaux.
Le neptunium est un élément chimique de symbole Np et de numéro atomique 93, classé comme un métal actinide radioactif et le premier élément transuranien. Son nom dérive de Neptune, la planète au-delà d'Uranus, en parallèle avec la dénomination de l'uranium. Un atome de neptunium contient 93 protons et 93 électrons, dont sept sont des électrons de valence. Le métal lui-même est argenté et se ternit au contact de l'air. Il existe sous trois formes allotropiques confirmées et présente généralement cinq états d'oxydation, de +3 à +7. Comme les autres actinides, le neptunium est radioactif, toxique, pyrophorique et a tendance à s'accumuler dans les os, ce qui rend sa manipulation dangereuse.
L'élément a été synthétisé pour la première fois en 1940 par Edwin McMillan et Philip H. Abelson au Berkeley Radiation Laboratory, après de nombreuses fausses annonces de sa découverte. Depuis lors, la majeure partie du neptunium est produite par irradiation neutronique de l'uranium dans les réacteurs nucléaires, principalement comme sous-produit de la production conventionnelle d'énergie nucléaire. Bien que le neptunium lui-même n'ait pas d'utilisations commerciales actuelles, il sert de précurseur pour la production de plutonium-238, qui alimente les générateurs thermoélectriques à radioisotopes pour les engins spatiaux. Il a également été utilisé dans des détecteurs de neutrons de haute énergie. L'isotope à la plus longue durée de vie, le neptunium-237, est un sous-produit des réacteurs et de la production de plutonium ; cet isotope et le neptunium-239 sont présents à l'état de traces dans les minerais d'uranium en raison de la capture de neutrons et de la désintégration bêta.
Physiquement, le neptunium est un métal dur et ductile avec un module de compressibilité de 118 GPa, comparable à celui du manganèse, et un point de fusion bas attribué à l'hybridation de ses orbitales 5f et 6d. Son point d'ébullition est extrapolé à partir de données de pression de vapeur. Les trois allotropes de l'élément — alpha, bêta et gamma — présentent des structures cristallines distinctes, le neptunium alpha étant orthorhombique et le plus dense de tous les actinides. Chimiquement, le neptunium forme des composés dans les états d'oxydation +3 à +7, l'état +5 étant le plus stable en solution et l'état +4 préféré dans les solides. C'est l'actinide le plus lourd capable de perdre tous ses électrons de valence dans un composé stable.
Quick Facts
- Atomic number
- 93
- Element category
- Actinide
- Discoverers
- Edwin McMillan and Philip H. Abelson
- Discovery location
- Berkeley Radiation Laboratory
Facts from the source article.
Contexte et histoire
Le neptunium est un métal actinide radioactif argenté qui se ternit au contact de l'air. C'est un élément dur et ductile avec un module de compressibilité comparable à celui du manganèse. Le métal existe sous au moins trois formes allotropiques : une phase alpha orthorhombique, une phase bêta tétragonale déformée à empilement compact et une phase gamma cubique centrée. La phase alpha est la plus dense de tous les actinides et le cinquième élément naturel le plus dense, présentant des propriétés semi-métalliques avec une forte liaison covalente et une résistivité électrique élevée. Le neptunium a un point de fusion bas, similaire à celui du plutonium, et un point d'ébullition extrapolé qui lui donne la plus large plage liquide de tous les éléments. Chimiquement, le neptunium présente cinq états d'oxydation, de +3 à +7, qui peuvent coexister en solution ; l'état +5 est le plus stable en solution, tandis que l'état +4 est préféré dans les composés solides. L'élément est paramagnétique sous sa forme pure, mais ses alliages montrent des comportements magnétiques variés, y compris le ferromagnétisme et les caractéristiques de fermions lourds. Un supraconducteur à base de neptunium, NpPd5Al2, a été découvert, surprenant les chercheurs étant donné le magnétisme fort typique des composés du neptunium. Le neptunium est radioactif, toxique, pyrophorique et s'accumule dans les os, ce qui rend sa manipulation dangereuse. Il a été synthétisé pour la première fois en 1940 au Berkeley Radiation Laboratory par Edwin McMillan et Philip H. Abelson, après de nombreuses fausses annonces de découverte. Aujourd'hui, la majeure partie du neptunium est produite comme sous-produit de l'irradiation neutronique de l'uranium dans les réacteurs nucléaires. Bien qu'il n'ait pas d'utilisations commerciales en soi, il sert de précurseur pour le plutonium-238, utilisé dans les générateurs thermoélectriques à radioisotopes pour les engins spatiaux, et a été employé dans des détecteurs de neutrons de haute énergie.
Guide du lecteur
Le neptunium est un métal actinide radioactif dur, argenté et ductile. Il a un module de compressibilité de 118 GPa. Le métal neptunium est similaire à l'uranium en termes d'usinabilité physique. Lorsqu'il est exposé à l'air à des températures normales, il forme une fine couche d'oxyde. Le neptunium fond à un point de fusion bas, et son point d'ébullition n'est pas connu empiriquement. Le neptunium se trouve sous au moins trois allotropes : α-neptunium (orthorhombique), β-neptunium (tétragonal déformé à empilement compact) et γ-neptunium (cubique centré). Le neptunium a cinq états d'oxydation ioniques allant de +3 à +7. L'état le plus stable en solution est +5, mais la valence +4 est préférée dans les composés solides du neptunium. Le métal neptunium est très réactif. Les ions du neptunium sont sujets à l'hydrolyse et à la formation de composés de coordination.
Découverte et synthèse
Le neptunium a la particularité d'être le premier élément transuranien jamais identifié, portant le numéro atomique 93 et le symbole Np. Son nom suit une convention planétaire : tout comme l'uranium tire son nom de la planète Uranus, le neptunium honore Neptune, le monde suivant vers l'extérieur du Système solaire. Pendant des années, de nombreuses fausses annonces de découverte ont circulé dans la communauté scientifique avant que l'élément ne soit définitivement synthétisé en 1940 par Edwin McMillan et Philip H. Abelson au Berkeley Radiation Laboratory. Depuis cette percée, la principale voie industrielle d'obtention du neptunium est l'irradiation neutronique de l'uranium dans les réacteurs nucléaires, la grande majorité de l'élément émergeant comme un sous-produit accidentel de la production conventionnelle d'énergie nucléaire. Au-delà de la production des réacteurs, des quantités infimes de neptunium-237 et de neptunium-239 peuvent être détectées dans les minerais d'uranium naturels, où elles apparaissent par des réactions de capture de neutrons suivies d'une désintégration bêta. L'isotope à la plus longue durée de vie, le neptunium-237, est également un sous-produit notable des installations de production de plutonium.
Caractère physique et formes allotropiques
Le neptunium se présente comme un métal dur, argenté et ductile qui se ternit au contact de l'air, formant une fine couche d'oxyde dont la croissance s'accélère avec l'augmentation de la température. Son module de compressibilité de 118 GPa place sa rigidité dans la même gamme que celle du manganèse, et son usinabilité est très similaire à celle de l'uranium. Le métal fond à 639 ± 3 °C, un seuil bas partagé avec son voisin le plutonium à 639,4 °C, une caractéristique attribuée à l'hybridation des orbitales 5f et 6d qui produit une liaison directionnelle. Le point d'ébullition n'a jamais été mesuré directement ; le chiffre couramment cité de 4174 °C est une extrapolation à partir de données de pression de vapeur. Si cette valeur est correcte, le neptunium aurait une plage liquide de 3535 K, la plus large de tous les éléments connus. Trois allotropes sont confirmés : le neptunium alpha, une phase orthorhombique qui est la plus dense de tous les actinides et le cinquième élément naturel le plus dense, présentant des caractéristiques semi-métalliques telles qu'une forte liaison covalente et une résistivité électrique élevée ; le neptunium bêta, une structure tétragonale déformée à empilement compact ; et le neptunium gamma, une forme cubique centrée qui perd sa stabilité sous pression. Le point triple bêta/gamma/liquide se situe à 725 °C et 3200 MPa.
Polyvalence chimique et structure électronique
Un atome de neptunium porte 93 électrons disposés selon la configuration [Rn] 5f4 6d1 7s2, une disposition qui s'écarte de la simple prédiction d'Aufbau car les sous-couches 5f, 6d et 7s sont suffisamment proches en énergie pour permettre à un électron d'occuper l'orbitale 6d. Sept de ces électrons servent d'électrons de valence. Dans les composés chimiques, le neptunium présente cinq états d'oxydation allant de +3 à +7, qui peuvent tous coexister simultanément en solution. C'est l'actinide le plus lourd capable de perdre tous ses électrons de valence dans un composé stable. L'état +5 domine en solution aqueuse, tandis que l'état +4 est la valence préférée dans les composés solides du neptunium. Le métal lui-même est très réactif, et ses ions subissent facilement une hydrolyse et forment des complexes de coordination. Sous forme d'alliage, les électrons 5f génèrent un riche spectre de comportements magnétiques : le neptunium pur est paramagnétique, NpAl3 est ferromagnétique, NpGe3 ne montre aucun ordre magnétique, et NpSn3 pourrait être un matériau à fermions lourds. Fait remarquable, l'alliage NpPd5Al2 présente une supraconductivité à 4,9 K, un résultat surprenant étant donné que le magnétisme fort supprime généralement la supraconductivité.
Rôles pratiques et recyclage du combustible nucléaire
Malgré sa place importante dans la science nucléaire, le neptunium n'a actuellement aucune application commerciale directe. Son rôle pratique le plus significatif est celui de précurseur du plutonium-238, l'isotope qui alimente les générateurs thermoélectriques à radioisotopes fournissant de l'électricité aux engins spatiaux en mission lointaine. Le neptunium est également utilisé dans des détecteurs conçus pour identifier les neutrons de haute énergie. L'isotope à la plus longue durée de vie, le neptunium-237, est produit comme sous-produit dans les réacteurs nucléaires de puissance et la fabrication de plutonium, et il persiste dans l'environnement en tant que nucléide de déchet à longue durée de vie. Pour remédier à cela, les chercheurs étudient activement les alliages de neptunium avec l'uranium, l'américium, le plutonium, le zirconium et le fer, dans le but de transmuter le Np-237 récalcitrant en isotopes à durée de vie plus courte qui pourraient servir de combustible nucléaire utile. Cette stratégie de recyclage réduirait simultanément la charge radiotoxique des déchets de réacteur et récupérerait de l'énergie à partir d'un matériau qui autrement reste inactif. Les dangers inhérents à l'élément, notamment la radioactivité, la pyrophoricité, l'accumulation dans les os et la toxicité générale, font de chaque étape de la manipulation et de la recherche sur les alliages un défi de sécurité exigeant.
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