Neptunium

Neptunium

Caractéristiques du neptunium

Symbole : Np
Masse atomique : 237 u
Numéro CAS : 7439-99-8
Configuration électronique : [Rn] 5f⁴ 6d¹ 7s²
Numéro atomique : 93
Groupe : n. a
Bloc : Bloc f
Famille d’éléments : Actinide
Électronégativité : 1,36
Point de fusion : 644 °C

Le neptunium, élément atomique n°93 de symbole Np : ses caractéristiques, ses propriétés, ses isotopes et ses applications militaires.

Élément chimique de synthèse, le neptunium est représenté par le symbole Np et le numéro atomique 93. Il est le premier élément métallique radioactif parmi les transuraniens et figure dans la famille des actinides. Le neptunium 237 est son isotope le plus stable et il est produit dans les réacteurs nucléaires. Il se présente également comme une forme de trace dans le minerai d’uranium. Cet élément fut découvert en 1940 à l’université de Californie. Dans le tableau périodique, il vient après l’uranium. Son nom fait référence à la planète Neptune qui suit Uranus dans le système solaire.

Ses caractéristiques

Le neptunium se classe dans la 7^e période du bloc f. Sa configuration électronique est de [Rn] 5f⁴ 6d¹ 7s²et ses électrons par niveau d’énergie sont : 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2.

C’est un élément de masse atomique 237 u. Son rayon atomique et son rayon de covalence sont respectivement 155 pm et 190 ± 1 pm. Les nombres qui décrivent l’état d’oxydation de son atome sont : 6, 5, 4, 3. Sur l’échelle de Pauling, son électronégativité est de 1,36. Son oxyde est constitué d’espèces amphotères. Son énergie d’ionisation est de 6,265 7 eV.

À l’état naturel, le neptunium est un corps solide de couleur métallique argentée. Sa masse volumique est de 20,25 g·cm^-3 à une température de 20 °C. Son système cristallin se présente sous la forme orthorhombique. Cet élément fond à 644 °C et bout à 3 999,85 °C. Son énergie de fusion s’élève à 5,19 kJ·mol^-1et son énergie de vaporisation est à 336 kJ·mol^-1. Le volume molaire du neptunium est de 11,59×10^-6 m³·mol^-1 et sa chaleur massique, 29,46 J·kg^-1·K^-1. Sa conductivité électrique est évaluée à 0,822×10⁶ S·m^-1 et sa conductivité thermique à 6,3 W·m^-1·K^-1. Le neptunium est enregistré sous le numéro CAS 7439-99-8 et celui du ECHA est le 100.028.280.

Son historique

Philip Abelson et Edwin McMillan ont découvert le neptunium en 1940, au Berkeley Radiation Laboratory de l’université de Californie à Berkeley. L’isotope 239 du neptunium a été le produit d’un bombardement de l’uranium 238 avec des neutrons. Sa demi-vie est de 2,4 jours. Cette production constitue l’étape intermédiaire qui a conduit à l’obtention du plutonium 239.

Ses propriétés chimiques

La préparation du neptunium sous sa forme métallique se fait en utilisant le composé NpF₃ dans des vapeurs de baryum ou de lithium à 1 200 °C. Ce métal, de caractère argenté, est chimiquement assez réactif. Il se présente, au moins, sous trois structures allotropiques. D’abord, à température ambiante, l’alpha-neptunium a une forme orthorhombique et une densité de 20,25. Ensuite, au-dessus de 280 °C, le bêta-neptunium présente une structure tétragonale, sa densité est de 19,36 à 313 °C. Enfin, le gamma-neptunium, à une température au-dessus de 577 °C, prend une forme cubique. À 600 °C, sa densité est de 18,00.

Le neptunium forme des oxydes dont les valences sont pareilles à celles de l’uranium, en particulier le Np₃O₈ et NpO₂. Il donne aussi des composés halogénures comme le NpF₃, le NpF₄, le NpCl₄, le NpBr₃ et le NpI₃.

Cet élément peut se présenter sous quatre degrés d’oxydation, en milieu aqueux. Le premier degré est le Np³⁺ avec un nombre d’oxydes (n.o) égal à +3. Il est de couleur pourpre pâle semblable à l’ion rare Pm³⁺. Le second est le Np⁴, dont le nombre d’oxyde est +4 et de couleur jaune verte. Le troisième, le NpO₂⁺, a un n.o +5 de couleur bleue verte. Le quatrième est le NpO₂²⁺ de n.o égal à +6 et caractérisé par une couleur rose pâle.

Ses isotopes

Le neptunium présente 20 radio-isotopes connus, parmi lesquels le ²³⁷Np est le plus stable avec une demi-vie de 2,14 millions d’années. Celle du ²³⁶Np est de 154 000 ans et celle du ²³⁵Np 396,1 jours. Tous les autres isotopes ont une demi-vie inférieure à 4,5 jours, la majorité étant inférieure à 50 minutes.

Le poids atomique des isotopes du neptunium varie entre 225,0339 u pour le ²²⁵Np et 244,068 u pour le ²⁴⁴Np.

Les isotopes les plus stables figurent dans le tableau suivant :

Iso	AN	Période	MD	Ed MeV	PD
²³⁵Np	{syn.}	396,1 j	α ε	5,192 0,124	²³¹Pa ²³⁵U
²³⁶Np	{syn.}	154 000 a	α β^– ε	5,020 0,940 0,940	²³²Pa ²³⁶Pu ²³⁶U
²³⁷Np	{syn.}	2,144×10⁶ a	α FS	4,959 —	²³³Pa PF

Les applications militaires

Le neptunium 236 peut être divisé en neutrons thermiques avec une section efficace de fission assez élevée. Selon le HBPC, elle est aux environs de 2 800 barns.

La division du neptunium 237 en neutrons thermiques est faible avec une section efficace de fission de 19 milli-barns. Cette dernière peut être plus élevée pour une division en neutrons de forte énergie. Par conséquent et en théorie, le neptunium 237 pourrait être utilisé pour fabriquer un système d’armes à fission ou servir de combustible dans un réacteur. L’US DOE a rendu cette information publique en 1992, cependant l’utilisation réelle de neptunium dans la production d’armes n’a pas été établie, à ce jour.

Des chercheurs de l’Université de Californie (Laboratoire National de Los Alamos) ont travaillé sur un projet d’armes de destruction massive américaines en septembre 2002. Ils ont révélé qu’on pouvait fabriquer une arme à fission avec un mélange d’uranium enrichi et de neptunium 237. Toutefois, la quantité de ce dernier sera moindre par rapport à celle qu’ils ont prévue. Cela constitue la toute première masse critique nucléaire basée sur l’utilisation du neptunium 237, mélangé avec de l’uranium enrichi au lieu de l’uranium ou du plutonium. Il est intéressant de savoir que le neptunium 237 a quatre nucléons de plus que l’uranium 233 (fissile).

Le neptunium 237 peut potentiellement favoriser la multiplication des armes nucléaires, ce qui renforce la nécessité de protéger les matières séparées. De plus, il est l’actinide mineur le plus abondant produit par les réacteurs à eau légère, représentant environ 45 % des noyaux dans le combustible irradié.

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