Polonium & Francium

Un des succès les plus impressionnants de la toute nouvelle science de la radiochimie fut la découverte dans un délai de 15 ans de cinq éléments avec des numéros atomiques compris entre 84 et 91 que Dimitri Mendeleïev (cf. Dimitri Mendeleïev) avait anticipé, dans son tableau périodique, par les cases eka-xxx. Ces éléments, en commun avec l’uranium (92) et le thorium (90), ont la propriété d’émettre spontanément un rayonnement. Son hypothèse était que tous les éléments de numéro atomique au-delà de 83 devraient être radioactifs. C’est le cas des éléments 84, eka-tellure et 87, eka-césium, deux éléments très liés à Marie Skłodowska-Curie (cf. Marie Curie).

Polonium

En 1898, Pierre et Marie Curie, observent que la pechblende, minerai d’uranium (cf. Uranium) de la mine de Joachimsthal (maintenant en République tchèque), présente une radioactivité supérieure à celle que l’on pouvait attendre d’après sa teneur. Ils entreprirent des traitements chimiques sur la pechblende pour isoler les éléments inconnus, qui devaient être très radioactifs et existant seulement en quantités infimes. Après avoir séparé les constituants principaux du minerai, l’uranium et le thorium, ils constatèrent qu’une fraction de l’activité se concentrait dans les sulfures précipités en milieu acide. Ils purent établir l’existence d’un nouvel élément 400 fois plus radioactif que l’uranium, homologue du tellure, auquel ils donnèrent le nom de polonium, la Pologne, le pays qui n’existait plus par la grâce du Congrès de Vienne :

Ce métal est le premier élément découvert par des méthodes radiochimiques, en tirant parti du phénomène d’entraînement associé à la co-précipitation, dans le cas présent avec des sels de bismuth.

Le polonium possède 33 radioisotopes d’une masse atomique variant entre 188 et 220. L’isotope à la durée de vie la plus longue est le polonium 209 (209Po) avec une demi-vie de 103 ans, et l’isotope naturellement présent à la durée de vie la plus courte est le polonium 210 (210Po) avec une demi-vie de 138,4 jours. L’isotope découvert par Pierre et Marie Curie est celui de masse 210 qui appartient à la famille radioactive naturelle uranium-radium :

C’est le plus important, également nommé un temps radium F (RaF). Il se désintègre par émission α en se transformant en plomb 206 (autrefois nommé radium G) stable. Les particules α émises ont une énergie de 5,3 MeV, ce qui est considérable. La particule émise parcourt 3,87 centimètres dans l’air et créé dans le long de son parcours 152 000 paires d’ions. Ce rayonnement est accompagné d’un rayonnement γ de très faible intensité.

Le polonium est un métalloïde à température de fusion basse (254 °C) et relativement volatil : à 50 °C, un échantillon de polonium perd la moitié de sa masse en 45 heures, et finirait par se sublimer entièrement même à température ambiante.
Des quantités pondérables, de l’ordre du gramme, sont obtenues à partir du bismuth que l’on soumet au flux neutronique intense d’un réacteur nucléaire. La séparation polonium-bismuth est réalisée en distillant directement le polonium par chauffage du bismuth irradié entre 750 et 850 °C. Sa chimie est similaire à celle du tellure et du bismuth.

Le polonium est un élément hautement radioactif et toxique. L’activité maximale admissible pour du polonium ingéré est seulement de 1 100 becquerel, soit l’équivalent à 6,6 10-12 g. À masse identique, le polonium est environ 100 fois plus toxique que le cyanure de potassium. Cette radiotoxicité s’explique par la très haute énergie du rayonnement α émis… employée pour provoquer un « extrême préjudice » à l’ancien espion russe Alexandre Litvinenko voici quelques années. Plus pernicieux est sa présence dans la fumée de cigarette : le polonium-210 contenu dans les engrais phosphatés est absorbé par les racines des plants de tabac et stocké dans ses tissus. On estimerait qu’il serait à annuellement l’origine d’environ 11 700 décès par cancer de poumon dans le monde entier.

Francium

La découverte de l’eka-césium, dernier représentant des métaux alcalins dans le tableau périodique a été revendiquée à plusieurs reprises sous les noms de :

  • Russium (1925), par D.K. Dobroserdov qui publia une étude théorique décrivant sa masse atomique, ses propriétés physiques et chimiques et où et par quelles méthodes il devait être recherché. A l’image des Curie, il proposa le nom de son pays d’origine ;
  • Alkalinium (1926), par les chimistes britanniques Gerald J.F. Druce et Frederick H. Loring qui observent les lignes de l’eka-césium dans des clichés de rayons X du sulfate de manganèse (cf. Manganèse) et annoncent la découverte de l’alcalin le plus lourd qu’ils appelèrent ;
  • Virginium (1929), par les chimistes américains Fred Allison et Edgar J. Murphypour l’avoir découvert dans des minerais de lithium (lépidolite, cf. Lithium) et de césium (pollucite), là encore en liaison avec l’Etat d’origine de F. Allison, la Virginie ;
  • Moldavium (1937), par le chimiste roumain Horia Hulubei et la chimiste française Yvette Cauchois qui rapportent des raies faibles qu’ils ont attribués à un doublet de l’élément 87. À la fin de leur rapport annonçant la découverte, ils suggèrent le nom de moldavium pour cet élément en hommage à « la Moldavie, province roumaine, marche avancée vers l’Est de la latinité ».
C’est finalement Marguerite Perey qui découvrit en 1939 à l’Institut Curie un isotope radioactif de l’eka-césium en étudiant les désintégrations successives de l’actinium : l’isotope 227Ac se désintègre par émission β en thorium-227, qui est un émetteur α conduisant à ce nouvel élément, d’une durée de demi-vie de 21 minutes, d’abord désigné actinium K suivant le système d’alors de dénomination pour des sources radioactives normales établi par Ernest Rutherford. Marguerite Perey proposa d’abord le nom de catium, réminiscence de « cation » pour cet élément qui devait être encore plus électropositif que le césium.
Découragée par les remarques d’Irène et Fédéric Joliot-Curie sur sa consonance anglo-saxonne pour « chat », elle proposa finalement francium : la boucle est bouclée… Le nom et le symbole Fr ont été acceptés par l’IUPAC en 1949.

Avec l’astate, le francium est l’élément naturel le plus rare sur Terre : dans un échantillon donné d’uranium, la quantité de francium présente est estimée à un atome pour 1018 atomes d’uranium et il n’y aurait en permanence qu’au plus 30 g de francium dans la croûte terrestre. On peut le préparer en irradiant du radium par des neutrons, réaction qui conduit à l’actinium et donne finalement des traces de francium. Le francium est également obtenu par la réaction nucléaire
197Au + 18O ------> 210Fr + 5n
qui permet d’obtenir les isotopes de masses atomiques 209, 210 et 211, isolés en exploitant un effet magnéto-optique. Ses propriétés chimiques n’ont pu être étudiées qu’à l’état de traces par les méthodes de la radiochimie. Il se comporte à tous égards comme un homologue supérieur du césium.

Pensée du jour :
« Avec l’ère Internet, le symbole du polonium aurait dû être Pl, mais celui du francium, toujours Fr, symbole éternel aurait dit un autre grand Homme… »

Sources :

Pour en savoir plus :

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