Résumé

Le nihonium (Nh, numéro atomique 113) représente le premier élément superlourd synthétique découvert en Asie de l'Est, occupant une position critique dans le groupe 13 du tableau périodique. Ce métal post-transitionnel présente une instabilité nucléaire extrême, tous ses isotopes connus possédant des périodes de demi-vie mesurées en secondes ou millisecondes. L'élément démontre un comportement chimique conforme aux caractéristiques du groupe 13, notamment un état d'oxydation préférentiel de +3 et des propriétés métalliques. Découvert en 2004 par l'équipe de RIKEN via des techniques de bombardement par ions lourds, le nihonium n'existe que dans des environnements de laboratoire avec des rendements de production limités à quelques atomes individuels. Sa découverte dépasse la chimie nucléaire, contribuant à la compréhension théorique de la stabilité des éléments superlourds et des effets relativistes sur la structure atomique. Les recherches actuelles portent sur la synthèse d'isotopes et l'étude de la désintégration nucléaire, avec des implications potentielles pour la découverte d'éléments dans l'île théorique de stabilité.

Introduction

Le nihonium occupe la position 113 dans le tableau périodique, appartenant au groupe 13 (groupe du bore) de la septième période. Sa structure électronique [Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p¹ le place parmi les éléments du bloc p, avec un électron non apparié dans l'orbitale 7p déterminant ses propriétés chimiques. Cet élément marque l'aboutissement de plusieurs décennies de recherche sur les éléments superlourds, constituant le premier découvert dans un laboratoire asiatique. Baptisé d'après "Nihon", mot japonais désignant le Japon, il honore l'accomplissement de l'équipe de RIKEN dans l'extension du tableau périodique au-delà des éléments naturels.

La synthèse du nihonium requiert des techniques avancées de physique nucléaire, notamment le bombardement de cibles de bismuth-209 avec des ions zinc-70 accélérés. Ce processus génère des taux extrêmement faibles, produisant généralement des atomes individuels se désintégrant en quelques millisecondes. Sa position dans la région appelée "île d'instabilité" fournit des informations cruciales sur la structure nucléaire et les facteurs régissant la stabilité des éléments superlourds. Les prédictions théoriques suggèrent que le nihonium devrait présenter des propriétés métalliques similaires à ses homologues plus légers du groupe 13, bien que la vérification expérimentale reste limitée en raison de son extrême instabilité.

Propriétés physiques et structure atomique

Paramètres atomiques fondamentaux

Le nihonium possède un numéro atomique de 113, correspondant à 113 protons dans son noyau. La configuration électronique prédite [Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p¹ reflète le remplissage des sous-couches électroniques jusqu'à la septième période, l'électron 7p unique déterminant son comportement chimique. La structure atomique subit des effets relativistes importants dus à la charge nucléaire élevée, provoquant une contraction des orbitales s et p et une expansion des orbitales d et f. Ces corrections relativistes influencent à la fois les propriétés chimiques et la stabilité nucléaire.

L'isotope le plus stable connu, ²⁸⁶Nh, contient 173 neutrons, ce qui donne un rapport neutron/proton d'environ 1,53. Ce rapport place l'isotope dans une région d'instabilité nucléaire où la force nucléaire forte ne compense pas l'attraction électrostatique entre les protons. Les calculs de charge nucléaire effective indiquent des effets d'écrantage importants provenant des électrons internes, l'électron 7p subissant une attraction nucléaire nettement réduite par rapport aux électrons des couches internes. Les prédictions sur le rayon atomique basées sur les tendances périodiques suggèrent des valeurs comparables à celles du thallium, bien que des mesures expérimentales soient encore impossibles.

Caractéristiques physiques macroscopiques

Les prédictions théoriques indiquent que le nihonium devrait exister sous forme de solide métallique à température et pression standard, présentant des propriétés typiques des métaux post-transitionnels. Les calculs de densité basés sur les tendances périodiques extrapolées suggèrent des valeurs d'environ 16 à 17 g/cm³, bien que la confirmation expérimentale soit impossible en raison de sa demi-vie extrêmement courte. Les prédictions sur la structure cristalline favorisent des arrangements de liaison métallique similaires aux autres éléments du groupe 13, pouvant adopter des structures cubiques à faces centrées ou hexagonales compactes.

Les points de fusion et d'ébullition restent expérimentalement indéterminés, mais les estimations théoriques suggèrent des valeurs inférieures à celles des éléments du groupe 13 plus légers, les effets relativistes affaiblissant les liaisons métalliques. La capacité thermique spécifique, la conductivité thermique et la résistivité électrique ne peuvent être mesurées directement, bien que les tendances périodiques indiquent un comportement métallique avec une conductivité électrique modérée. Les transitions de phase et les formes allotropiques restent purement théoriques, aucune donnée expérimentale n'étant disponible pour des échantillons macroscopiques.

Propriétés chimiques et réactivité

Structure électronique et comportement de liaison

L'électron 7p unique dans la couche externe du nihonium détermine son comportement chimique, les calculs théoriques prédisant des états d'oxydation de +1 et +3. L'état +3 présente une stabilité thermodynamique supérieure due à la formation d'une configuration électronique [Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² similaire à un gaz noble. Les effets relativistes influencent fortement les caractéristiques de liaison, l'orbitale 7s subissant une contraction considérable et l'orbitale 7p montrant une participation réduite dans les liaisons chimiques comparée aux analogues plus légers.

Les liaisons covalentes dans les composés du nihonium sont prévues impliquer des orbitales hybrides combinant les contributions 7s et 7p, bien que l'étendue de l'hybridation puisse différer des autres éléments du groupe 13 en raison des corrections relativistes. Les énergies de liaison pour les composés Nh-X (où X représente divers ligands) sont estimées plus faibles que celles des liaisons Tl-X correspondantes, reflétant le recouvrement réduit entre l'orbitale 7p diffuse et les orbitales des ligands. Les prédictions en chimie de coordination suggèrent des géométries octaédriques ou tétraédriques pour les complexes Nh(III), dépendant de la force du champ ligand et des considérations stériques.

Propriétés électrochimiques et thermodynamiques

Les valeurs d'électronégativité du nihonium, calculées selon différentes échelles, varient approximativement entre 1,6 et 1,8, le plaçant entre l'indium et le thallium en termes de réactivité chimique. La première énergie d'ionisation est estimée à environ 7,3-7,6 eV, reflétant la faible énergie de liaison de l'électron 7p. Les énergies d'ionisation successives montrent des augmentations significatives, la seconde étant estimée à 20-22 eV et la troisième à environ 30 eV, cohérentes avec l'extraction d'électrons de couches orbitales de plus en plus stables.

Les potentiels de réduction standards pour les espèces de nihonium restent théoriques, les couples Nh³⁺/Nh prédisant des potentiels d'environ -1,0 à -1,2 V par rapport à l'électrode standard à hydrogène. Ces valeurs indiquent que le métal nihonium devrait s'oxyder facilement en solution aqueuse, comme les autres métaux du groupe 13. Les calculs d'affinité électronique montrent une petite valeur négative d'environ -0,3 eV, suggérant que les atomes de nihonium ne forment pas facilement des anions stables. Les considérations de stabilité thermodynamique pour les différents états d'oxydation favorisent les composés Nh(III) par rapport aux espèces Nh(I) dans la plupart des environnements chimiques.

Composés chimiques et formation de complexes

Composés binaires et ternaires

Les prédictions théoriques indiquent que le nihonium devrait former des composés binaires analogues aux autres éléments du groupe 13, incluant oxydes, halogénures et chalcogénures. Nh₂O₃ représente l'oxyde le plus stable, présentant un caractère amphotère avec des propriétés acides et basiques dépendant des conditions réactionnelles. La structure du composé est prévue adopter une configuration type corindon semblable à l'oxyde d'aluminium, bien que les paramètres cristallins reflètent le rayon atomique plus grand du nihonium.

Les halogénures incluant NhF₃, NhCl₃, NhBr₃ et NhI₃ devraient présenter un caractère ionique avec des géométries moléculaires trigonales planes en phase gazeuse. Les structures à l'état solide impliquent probablement des arrangements cristallins étendus avec des nombres de coordination plus élevés autour des centres de nihonium. Les enthalpies de formation de ces composés sont prévues moins négatives que celles des composés de thallium correspondants, reflétant des interactions de liaison plus faibles. Les composés ternaires comme le sulfate de nihonium Nh₂(SO₄)₃ et le nitrate de nihonium Nh(NO₃)₃ devraient démontrer des caractéristiques de solubilité intermédiaires entre les analogues de l'aluminium et du thallium.

Chimie de coordination et composés organométalliques

Les complexes de coordination du nihonium(III) sont prévus présenter des géométries octaédriques avec des nombres de coordination de six, bien que des arrangements tétraédriques puissent se produire avec des ligands encombrants ou sous certaines conditions électroniques. Les énergies de stabilisation du champ ligand dépendent de l'implication des orbitales d, minimale pour le nihonium en raison des sous-couches 6d saturées. Les ligands courants comme l'eau, l'ammoniac et les halogénures devraient former des complexes stables avec une liaison principalement électrostatique et par mécanismes de donation sigma.

La chimie organométallique du nihonium reste purement théorique, les prédictions suggérant que les liaisons Nh-C seraient significativement plus faibles que celles des éléments du groupe 13 plus légers. Le triméthylnihonium (CH₃)₃Nh et les dérivés alkyles associés devraient présenter une haute réactivité vis-à-vis de l'air et de l'humidité, subissant potentiellement des réactions rapides d'hydrolyse et d'oxydation. Les complexes cyclopentadiényliques et autres espèces organométalliques aromatiques pourraient démontrer une stabilité accrue grâce aux interactions de liaison délocalisées, bien que la vérification expérimentale reste impossible en raison de la demi-vie très courte du nihonium.

Occurrence naturelle et analyse isotopique

Distribution géochimique et abondance

Le nihonium n'existe pas naturellement sur Terre, n'étant qu'un élément synthétique produit dans des installations d'accélérateurs de particules. Son absence dans les environnements naturels reflète la période de demi-vie extrêmement courte de tous ses isotopes connus, empêchant leur accumulation via des processus nucléaires naturels. Les calculs théoriques suggèrent que même si le nihonium était produit lors d'événements de nucléosynthèse stellaire, il se désintégrerait en éléments plus légers avant d'être incorporé dans des matériaux planétaires.

La nature synthétique de l'élément signifie que son abondance terrestre est effectivement nulle, les quantités totales produites se mesurant en atomes individuels plutôt qu'en unités de masse conventionnelles. Les estimations d'abondance cosmique restent spéculatives, bien que des modèles théoriques suggèrent que les isotopes du nihonium pourraient exister momentanément dans des environnements astrophysiques à haute énergie comme les fusions d'étoiles à neutrons ou les explosions de supernovae. Ces conditions extrêmes pourraient générer des isotopes riches en neutrons d'éléments superlourds avant leur désintégration rapide vers des espèces stables.

Propriétés nucléaires et composition isotopique

Les connaissances actuelles comprennent trois isotopes confirmés : ²⁸⁴Nh, ²⁸⁵Nh et ²⁸⁶Nh. L'isotope le plus stable, ²⁸⁶Nh, possède une demi-vie d'environ 9,5 secondes, se désintégrant par émission alpha en roentgénium-282. ²⁸⁵Nh présente une demi-vie plus courte d'environ 5,5 secondes, tandis que ²⁸⁴Nh se désintègre en quelques millisecondes après sa formation.

La désintégration alpha constitue le mode de désintégration principal pour tous les isotopes de nihonium connus, les énergies des particules alpha variant de 9,2 à 10,4 MeV selon l'isotope spécifique. La fission spontanée n'a pas été observée pour les isotopes du nihonium, bien qu'elle puisse contribuer à la désintégration d'isotopes plus lourds s'ils sont synthétisés. Les sections efficaces nucléaires pour la formation du nihonium sont extrêmement faibles, généralement de l'ordre du picobarn, reflétant la probabilité réduite de réactions de fusion réussies. La structure nucléaire présente des caractéristiques conformes aux prédictions théoriques pour les éléments situés dans l'île d'instabilité, où les effets de couche offrent une stabilisation limitée contre la désintégration spontanée.

Production industrielle et applications technologiques

Méthodologies d'extraction et de purification

La production de nihonium nécessite des installations d'accélération d'ions lourds sophistiquées capables de délivrer des faisceaux intenses d'ions zinc-70 sur des cibles de bismuth-209. La réaction principale de synthèse, ²⁰⁹Bi + ⁷⁰Zn → ²⁷⁸Nh* + n, produit un noyau excité de nihonium qui subit ensuite une évaporation neutronique et une désintégration alpha. Les taux de production sont extrêmement faibles, les événements de fusion réussis se produisant une fois toutes les quelques heures sous conditions optimales.

La séparation du nihonium des produits de réaction utilise la chromatographie en phase gazeuse et des techniques de séparation électromagnétique, exploitant sa volatilité et ses caractéristiques d'ionisation prévues. La détection repose sur les signatures caractéristiques de désintégration alpha mesurées à l'aide de détecteurs semi-conducteurs au silicium, l'identification des isotopes s'effectuant par analyse des chaînes de désintégration et des spectres énergétiques. La purification au sens conventionnel est impossible en raison de sa désintégration rapide, les atomes individuels étant détectés et caractérisés avant leur transformation nucléaire.

Applications technologiques et perspectives futures

Les applications actuelles du nihonium se limitent entièrement à la recherche fondamentale en physique nucléaire, aucun usage technologique pratique n'étant envisageable à cause de son extrême instabilité. Les applications de recherche portent sur la compréhension de la structure nucléaire, la vérification des modèles théoriques du comportement des éléments superlourds et l'exploration des limites de la stabilité nucléaire. Ces études contribuent à la connaissance plus large de la physique atomique et pourraient guider les futures tentatives de synthèse d'isotopes superlourds plus stables.

Les perspectives futures de recherche sur le nihonium reposent sur la découverte potentielle d'isotopes plus stables via des voies de synthèse alternatives ou des combinaisons cible/projectile différentes. Des calculs théoriques suggèrent que des isotopes riches en neutrons pourraient présenter une stabilité accrue, bien que les méthodes actuelles ne permettent pas de les produire. Les technologies avancées d'accélérateurs et les nouveaux matériaux cibles pourraient permettre la synthèse d'isotopes précédemment inaccessibles, révélant potentiellement des applications dans des technologies nucléaires spécialisées ou des investigations en physique fondamentale.

Développement historique et découverte

La découverte du nihonium constitue l'aboutissement d'efforts internationaux étendus visant à prolonger le tableau périodique au-delà des éléments naturels. Les premières tentatives de synthèse de l'élément 113 ont débuté dans les années 1990 dans plusieurs laboratoires, notamment le GSI en Allemagne et RIKEN au Japon. L'équipe japonaise dirigée par Kosuke Morita a réalisé la première synthèse confirmée du nihonium en 2004 en utilisant l'accélérateur linéaire de RIKEN.

Le processus de découverte a nécessité près d'une décennie de travaux expérimentaux, avec seulement trois chaînes de désintégration confirmées entre 2004 et 2012. Chaque synthèse réussie impliquait le bombardement de cibles de bismuth-209 avec des ions zinc-70 accélérés à des énergies d'environ 349 MeV. Les signatures caractéristiques de désintégration des isotopes de nihonium ont fourni des preuves définitives de la formation de l'élément, bien que la confirmation indépendante par d'autres groupes de recherche ait été difficile en raison des taux de production extrêmement faibles.

La reconnaissance officielle par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) est intervenue en 2015, après un examen approfondi des preuves expérimentales et la vérification des revendications de découverte. Le processus de dénomination s'est conclu en 2016 avec le choix de "nihonium", honorant l'équipe japonaise et constituant le premier élément nommé d'après un lieu en Asie de l'Est. Cette découverte a établi les chercheurs asiatiques comme contributeurs majeurs de la science des éléments superlourds et a démontré le caractère mondial de la recherche en physique nucléaire moderne.

Conclusion

Le nihonium occupe une position unique en tant que premier élément superlourd découvert en Asie, contribuant significativement à la compréhension de la structure nucléaire et de la périodicité chimique dans la septième période. Sa synthèse démontre les techniques sophistiquées nécessaires pour la recherche sur les éléments superlourds et souligne la collaboration internationale essentielle pour faire progresser les connaissances dans ce domaine. Bien que les applications pratiques soient absentes en raison de l'instabilité nucléaire extrême, la découverte du nihonium fournit des aperçus cruciaux sur les limites fondamentales de l'existence atomique et les cadres théoriques régissant la stabilité nucléaire.

Les orientations futures de recherche portent sur la synthèse d'isotopes supplémentaires de nihonium et l'exploration de voies potentielles vers des espèces plus stables dans l'île théorique de stabilité. Ces investigations pourraient révéler des phénomènes nucléaires inattendus et contribuer à la synthèse éventuelle d'éléments superlourds à usage pratique, représentant un domaine frontière de la chimie nucléaire avec des implications pour la science fondamentale et les applications technologiques potentielles.