On dit souvent à beaucoup d'entre nous que nous ressemblons à un autre membre de notre famille, par exemple, que nous ayons le nez de notre mère ou les yeux de notre père.

Les éléments chimiques du tableau périodique ont également des ressemblances familiales qui pourraient fournir un aperçu prédictif de la façon dont les éléments interagissent, conduire les scientifiques vers des applications pas encore imaginées.

Dans le cas d'un élément, protactinium, les similitudes chimiques produites par la configuration de ses électrons les plus externes relient deux familles d'éléments :les métaux de transition stables et bien connus et les actinides plus exotiques.

Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) et de l'Université de Lille en France, les chimistes ont exploré les multiples ressemblances du protactinium pour mieux comprendre la relation entre les métaux de transition et la chimie complexe des premiers éléments actinides.

La valeur principale du Protactinium ne réside pas dans ses utilisations commerciales, mais en fournissant de nouvelles connaissances fondamentales sur la chimie des éléments. Le protactinium est un élément actinide et se situe entre le thorium et l'uranium dans le tableau périodique. Cependant, le protactinium ressemble aussi étroitement au niobium et au tantale, qui sont tous deux des métaux de transition utilisés dans une gamme d'applications chimiques et métallurgiques. Lorsque les chimistes comprennent plus en détail leurs similitudes, ils peuvent découvrir des applications nouvelles et encore inconnues pour ces éléments et d'autres éléments connexes.

"Le protactinium est à un point d'appui du tableau périodique, " a déclaré l'auteur de l'étude et chimiste d'Argonne, Richard Wilson. " La question de savoir comment nous établissons le tableau périodique est vraiment au cœur de notre réflexion sur le protactinium. "

La réponse à savoir si le protactinium agit davantage comme un actinide ou comme un métal de transition réside dans les couches électroniques externes d'un atome de protactinium. Les scientifiques désignent chaque coquille avec à la fois un chiffre (1 à 7) et une lettre (s, p, d ou f). Quelle enveloppe habitent les électrons externes d'un élément, en nombre et en lettre, définit sa famille et aide à déterminer un large éventail de son comportement chimique et physique.

La différence entre les métaux de transition et les actinides réside dans le fait que l'enveloppe externe est d'abord remplie par les électrons disponibles. Protactinium, Wilson a noté, est particulièrement important car il représente la limite à laquelle une orbitale « d » et une orbitale « f » changent énergétiquement. Cela détermine comment les orbitales se remplissent et comment elles interagissent ou se lient avec leurs voisins.

"Les orbitales 'd' dans les métaux de transition participent à la liaison chimique de manière très directe, et ils peuvent s'organiser en structures assez prévisibles, " a déclaré Wilson. " Les actinides ne forment pas aussi facilement les mêmes types de liaisons. "

Selon Wilson, les chimistes qui étudient les actinides qui ont essayé d'amadouer le protactinium pour qu'il agisse comme ses cousins ​​des métaux de transition ont rencontré un succès limité. « Pouvons-nous faire en sorte que le protactinium se comporte comme le niobium et le tantale ? La réponse expérimentalement est « pas encore, "", a déclaré Wilson. "Mais travailler sur la théorie de cet élément unique pourrait nous donner une nouvelle vision de la façon dont il est capable de se situer juste à cette importante intersection chimique et énergétique."

Les changements dans les orbitales électroniques et les comportements de liaison qui se produisent au sein des éléments lourds ne font qu'augmenter au fur et à mesure que le tableau périodique avance. Dans les éléments les plus lourds, Wilson a dit, les effets relativistes commencent à supplanter notre compréhension classique de la façon dont certains éléments "devraient" se comporter, même au point où un élément hypothétique pourrait ressembler à la fois à un gaz noble inerte et à un métal hautement actif en même temps.

"Nous commençons à comprendre que le protactinium est la porte sur laquelle la liaison dans le système périodique commence à changer, " a déclaré Wilson. "Nous cherchons à déterminer ce qui fait vraiment avancer le tableau périodique."

L'étude, "Le protactinium et l'intersection de la chimie des actinides et des métaux de transition, " paru dans le numéro en ligne du 12 février de Communication Nature .