Actinides (de l’actinium au lawrencium)

La série 5f

Chez les actinides, les électrons s’ajoutent à la sous-couche 5f, tout comme les lanthanides remplissent la 4f. Le schéma est moins régulier, car les orbitales 5f et 6d sont proches en énergie : l’actinium est [Rn] 6d¹ 7s², le thorium [Rn] 6d² 7s², l’uranium [Rn] 5f³ 6d¹ 7s² et le plutonium [Rn] 5f⁶ 7s². La sous-couche 5f est pleine au nobélium et au lawrencium.

Glenn Seaborg a proposé la ligne séparée des actinides en 1944. Avant cela, le thorium, le protactinium et l’uranium étaient placés sous le hafnium, le tantale et le tungstène.

Radioactivité et fission

Tous les actinides sont radioactifs ; aucun n’a d’isotope stable. Le thorium 232 et l’uranium 238 ont des demi-vies d’environ 14 milliards et 4,5 milliards d’années, ils ont donc survécu depuis la formation de la Terre, mais les actinides plus lourds se désintègrent bien plus vite. L’einsteinium et le fermium ont d’abord été découverts dans les débris du premier essai de bombe à hydrogène en 1952, et les éléments après le fermium ne peuvent être produits que quelques atomes à la fois dans des accélérateurs de particules.

La réaction clé des actinides est la fission nucléaire. Un noyau d’uranium 235 qui absorbe un neutron se scinde en deux noyaux plus petits, libérant davantage de neutrons et une grande quantité d’énergie, par exemple uranium 235 + neutron → baryum 141 + krypton 92 + 3 neutrons. Ces neutrons scindent d’autres noyaux dans la réaction en chaîne qui fait fonctionner un réacteur nucléaire.

Propriétés chimiques et tendances

Les actinides sont des métaux denses et argentés qui se ternissent à l’air. Les premiers actinides ont de nombreux états d’oxydation, car leurs électrons 5f sont faciles à arracher : l’uranium et le plutonium vont tous deux de +3 à +6. L’uranium réagit avec le fluor pour former l’hexafluorure d’uranium (U + 3F₂ → UF₆), un composé volatil utilisé pour enrichir l’uranium. À partir de l’américium, les actinides se comportent davantage comme les lanthanides, avec +3 comme principal état d’oxydation.

Utilisations des actinides

L’uranium enrichi en uranium 235 alimente les centrales nucléaires, et le plutonium 239 est utilisé dans les armes nucléaires et dans certains combustibles de réacteurs. Le plutonium 238 dégage une chaleur constante en se désintégrant et alimente des engins spatiaux tels que les sondes Voyager et les rovers martiens Curiosity et Perseverance. L’américium 241 est la source de rayonnement de nombreux détecteurs de fumée domestiques.

Le californium 252 est une source de neutrons pour démarrer les réacteurs, et l’actinium 225 est testé contre certains cancers. Parce qu’ils sont radioactifs et toxiques, tous les actinides doivent être manipulés avec le plus grand soin.