Polonium

L'élément Polonium

Po (Z = 84)

 par Robert Guillaumont

Un élément éphémère…

 

Abondance dans la nature

Le polonium est un radioélément, 25 isotopes aux propriétés nucléaires variées sont connus (192 < A < 218). Plusieurs isotopes du polonium existent dans les minerais d’uranium U (A = 218, 214, 215, 210) et de thorium Th (A = 212, 216) où ils sont en équilibre séculaire avec 238U, 235U ou 232Th si les minerais ne sont pas altérés. On en trouve certains ailleurs, dans la nature, comme descendants des isotopes du radon, Rn, omniprésent dans l’atmosphère en raison de l’exhalaison des terrains renfermant de l’uranium et du thorium (218Po puis des années plus tard 210Po). D’autres sources existent, naturelles (volcans, grands incendies de la biomasse) ou artificielle (activités de forage, industries des phosphates et de l’uranium, centrales au charbon). Le seul isotope naturel important est 210Po car sa période de 140 jours permet une certaine accumulation (74 microgrammes par tonne de U naturel). Sa découverte dans la pechblende de Joachimsthal par Pierre et Marie Curie en 1898 est célèbre. Les rares quantités de 210 Po couramment séparées des minerais de U n’ont jamais dépassé le milligramme (0,1 mg en 1910, puis plus ensuite). Un lot exceptionnel de 9 mg a été obtenu aux USA à partir de 37 tonnes de résidus de l’extraction d’uranium (1956). Les sources classiques de 210Po au laboratoire sont les solutions de lavage légèrement acides des vieilles ampoules de radium ou de radon qui contiennent 212Pb (période de 22 ans), lequel génère 210Po. Les isotopes artificiels 208Po et 209Po synthétisés par irradiation de 209Bi avec les protons d’un cyclotron, qui ont des périodes de 2,9 ans et 100 ans restent une curiosité. Depuis que l’on dispose de réacteurs nucléaires comme intense source de neutrons on prépare 210Po jusqu’à l’échelle du milligramme selon la séquence nucléaire : 209Bi (n, gamma) 210Bi, bêta moins, 210Po. La première synthèse a toutefois été réalisée dès 1936 avec une source de neutron 210Po/Be. On récupère simplement 210Po par volatilisation en chauffant le Bi irradié à 700°C ou en le dissolvant dans l’acide chlorhydrique puis en le précipitant à l’état élémentaire par dépôt spontané ou réduction. 210Po est un émetteur alpha (5,3 MeV) quasiment pur (1,25 quantum de 0,8 Mev/100 kBq) donnant 206Pb stable, situation unique en radioactivité. Il est donc pratiquement indétectable par les détecteurs classiques de rayonnements.

Propriétés physicochimiques

Les propriétés physicochimiques du polonium ont été essentiellement établies par les méthodes de la radiochimie sur des quantités impondérables de l’élément, par manque de quantités significatives séparées mais aussi à cause de l’activité spécifique élevée de 210Po (4,5 kCi/g ou 0,16 EBq/g, 140 W/g) qui conduit à de très forts effets de radiolyse. Le Polonium est l’homologue du tellure Te, mais son comportement chimique est beaucoup moins bien connu que celui du tellure et il reste limité à une chimie élémentaire qualitative.

 

Le métal gris-argent (jaune à rouge en couche mince) est mou. On l’obtient par décomposition de PoS à 275 °C ou par d’autres voies de dépôts sur une surface métallique. Il a deux formes allotropiques (cubique jusqu’à 36 °C puis rhomboédrique jusqu’à la fusion à 254°C en couche mince). La température d'ébullition est évaluée à 962 0C. Il se vaporise à des températures dépendant du support sur lequel il est déposé (100 à 500 °C) et peut être ainsi transporté sous vide en phase vapeur. Le métal est soluble dans l’acide chlorhydrique et l’acide nitrique concentrés.

Il forme avec O2 deux oxydes, PoO (noir) et PoO2 (jaune) et avec Cl2 et Br2 les halogénures PoX4. PoCl2 est un solide rouge foncé. Un hydrure PoH2 est connu. Tous ces composés sont plus ou moins solubles dans l’eau, les acides et les bases. Le sulfure PoS est obtenu en traitant une solution chlorhydrique de Po(IV) par H2S. Divers poloniures solides ont été préparés (degré d’oxydation du Po : 2-)

 

En solution aqueuse les degrés d’oxydation courants sont 4+ (polonites dans l’ancienne nomenclature) et 2+ (hypo-polonites). Le plus stable est le 4+. Po(VI) (polonates) peut être obtenu transitoirement. Pour des raisons de préparation de sources de 210Po c’est la chimie en solution qui a été la plus étudiée.

 

L’hydroxyde de Po(IV) précipite en milieu non complexant par simple dilution d’une solution acide et il est amphotère. Avec H+ il donne des ions hydroxo Po(OH)x(4-x)+ et avec OH- des anions polonites. PoO32- serait présent dès les pH supérieurs à 7 et prédominant en milieu basique. Cette forme existerait ou coexisterait avec PoO(OH)2 dans les milieux aquatiques naturels. Po(IV) donne des complexes hexa-coordonnés en milieux complexants (par exemple PoCl62- ) et des sels alcalins correspondants sont connus (M2PoX6). Dans les solutions de Po(IV) très diluées en élément et peu acides la formation de colloïdes (ou de pseudo-colloïdes) est inéluctable et rapide (le premier colloïde jamais décrit est un colloïde de Po visualisé par autoradiographie en 1929). Le comportement du Po peut être alors aléatoire et dicté par les autres éléments présents dans les solutions (sorptions et coprécipitations). Po(IV) est réduit en Po(II) par N2H2, C2O4H 2 ou SO2 et les réducteurs plus forts comme SnCl2 donnent Po métallique. Durant une électrolyse le Po(IV) se dépose à la cathode et/ou à l’anode mais alors probablement sous forme d’oxoperoxyde : PoO3 . Le comportement électrochimique de Po a été très étudié pour obtenir des sources sans matière par électrodéposition. Il se dépose spontanément sur l’argent métal (et d’autres métaux Ni, Pd, Pt, Bi) en milieu faiblement acide et en très faible concentration ce qui est moyen très commode pour le récupérer des solutions extrêmement diluées (E[Po/Po(IV)] = 0,77 V en milieu acide nitrique) et de préparer des sources. Po(IV) est oxydé par Ce(IV) ou Cr2O7K2 en Po(VI) sauf en quantité pondérable car il s’auto-réduit alors par radiolyse (E[Po(IV)/Po(VI)] = 1,55 V en milieu acide chlorhydrique 6M).

 

Toxicité

210Po est un poison d’une extrême radiotoxicité : moins de 10 microgrammes suffisent largement à tuer un humain adulte. Il passe rapidement dans le sang et se concentre dans certains organes (foie, rate, rein et os). Sa période biologique est de 50 jours. Les facteurs de dose par ingestion et inhalation sont de 1,2 et 4,3 microSievert/Bq. Il faut donc ingérer ou inhalé très peu de 210Po pour atteindre une dose annuelle de 1 milliSievert/an (ingestion de 5 10-12 g) ou subir une irradiation générale de quelques Grays (2 à 3 microgrammes), qui est léthale. Plusieurs accidents sont connus ainsi que le célèbre meurtre de Litvinenko en 2006. En raison de l’utilisation d’engrais à base de phosphate qui contient des traces infimes de 210Po le tabac en contient également. La toxicité du Po dans la fumée inhalée provient du tabac mais aussi des aérosols de l’air sur lesquels l’oxyde de 218Po (et ses descendants) provenant de la décroissance du Rn s’est fixé. Avec la chaleur il est rapidement volatilisé et va dans les poumons.

En raison de cette radiotoxicité la distribution du Po dans tous les compartiments de l’environnement a été mesurée ainsi que les transferts entre végétaux, animaux et homme. C’est un élément peu mobile dans la géosphère en raison de la forte hydrolyse de Po(IV). La voie d’entrée dans les plantes se fait par les feuilles où il reste (pas de translocation). Il passe ensuite dans les animaux. Les animaux marins le concentrent dans certains organes.

 

Utilisations

210Po a été utilisé comme source de rayonnement alpha entre 1898 et 1940 (sources jusqu’à quelques GBq, la limite de dépôt adhérent au support du 210Po est de quelques microgrammes/cm2). Il a ainsi contribué à d’importantes découvertes (noyau de l’atome, existence du neutron, radioactivité artificielle, fission nucléaire). Il est utilisé pour éliminer les charges statiques dans divers dispositifs (pouvoir ionisant de dizaines de MBq de 210Po) et pour fabriquer d’intenses sources de neutrons Po/Be initiatrice de réaction de fission (premières armes atomiques comme Trinity et réacteurs nucléaires). Son usage comme source d’énergie thermo électrique à basse tension dans le spatial est restée très modérée (robot russe Lunokhod sur la lune, 1970) .

Pour en savoir plus

Film utilisable en classe de première S :

Marie Curie "La chimie de l'impondérable",La découverte du polonium par Marie Curie1911

 Dans ce film, Marie Curie reçoit le Prix Nobel de chimie pour la découverte du polonium et du radium .Puis, en suivant la démarche de Pierre et Marie Curie et en utilisant l'électromètre mis au point par Pierre Curie, deux étudiants vont purifier et tenter d'isoler une « nouvelle substance » dont seules les propriétés radioactives permettent de l'identifier. Pour cela, ils vont tenter d'extraire le polonium d'un prélèvement d'1 gramme de pechblende qui contient 60% d'oxyde d'uranium 

http://www.youtube.com/watch?v=o3BoFSncRHM&context=C4cfee67ADvjVQa1PpcFN6hjNb7oRpgNPH5mUTmuot93_tZV07SKc

 Table des matières

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