Le copernicium – l’un des éléments superlourds à la durée de vie la plus longue – devrait se comporter davantage comme un gaz noble que l’élément du groupe des gaz nobles de la même période, l’oganesson, selon de nouvelles simulations informatiques1. Cette découverte apporte une preuve supplémentaire que la relativité fait des règles de périodicité de type Mendeleïev un guide de moins en moins fiable des propriétés physiques et chimiques de ces énormes éléments.
La théorie de la structure électronique des atomes ne tient généralement pas compte de la relativité. Cependant, à mesure que les noyaux atomiques deviennent plus lourds, attirant les électrons plus près, les vitesses électroniques se rapprochent de la vitesse de la lumière et les effets relativistes deviennent perceptibles dans les propriétés des éléments. Dans les années 1960, par exemple, Pekka Pykkö – aujourd’hui à l’université d’Helsinki en Finlande – a montré que la couleur distinctive de l’or est due au fait que l’énergie de son orbitale 6s est réduite par la contraction relativiste, ce qui entraîne le déplacement de la transition 5d→6s des fréquences ultraviolettes vers les fréquences bleues. L’or absorbe donc la lumière bleue et reflète les autres longueurs d’onde. En outre, en 2017, Peter Schwerdtfeger et ses collègues de l’université Massey en Nouvelle-Zélande ont montré comment la relativité abaisse le point de fusion du mercure, voisin de l’or dans le tableau périodique, de près de 200 ºC, en rapprochant les électrons de liaison du noyau et en rendant la liaison métallique moins efficace. Cela explique pourquoi le mercure – unique parmi les métaux – est liquide à température ambiante.
Les effets relativistes devraient logiquement être plus prononcés dans les éléments les plus lourds. Malheureusement, ces atomes sont généralement extrêmement instables : la demi-vie de l’isotope le plus lourd encore confirmé – l’oganesson-294 – est inférieure à une milliseconde, de sorte que les expériences chimiques directes sont généralement impossibles. La théorie, cependant, a fait des prédictions bizarres : la place de l’oganesson dans le tableau périodique suggère qu’il devrait être un gaz noble, mais le groupe de Schwerdtfeger a récemment prédit qu’il s’agissait d’un semi-conducteur métallique.
A l’inverse, dans leur nouveau travail, ils concluent que le copernicium, qui se trouve directement sous le mercure dans le tableau périodique, devrait être un « liquide noble » très volatil avec un point de fusion d’environ 10ºC et un point d’ébullition autour de 67ºC. Cela correspond à une prédiction faite en 1975 par Kenneth Pitzer, de l’université de Californie à Berkeley.3 Cependant, en 2008, Robert Eichler, de l’Institut Paul Scherrer en Suisse, et ses collègues ont mesuré une interaction en phase gazeuse entre des atomes de copernicium et une surface d’or, ce qui a été considéré comme une preuve de métallicité.4 L’équipe de Schwedtfeger propose que – contrairement aux éléments plus légers du groupe 12, qui se comportent comme des métaux alcalino-terreux – le copernicium soit considéré comme un élément du bloc d. « L’orbitale 6d est en fait une orbitale de l’atome d’or. L’orbitale 6d se trouve en fait au-dessus de l’orbitale 7s dans le copernicium, de sorte que les électrons de liaison ont un caractère d », explique l’auteur principal Jan-Michael Mewes, actuellement à l’université de Bonn en Allemagne. Les isotopes de copernicium peuvent durer jusqu’à 29 secondes, ce qui signifie qu’il sera peut-être possible de tester cette hypothèse un jour.
Eichler est impressionné. Il ne voit aucune contradiction entre les résultats expérimentaux de son propre groupe et la modélisation théorique de Schwerdtfeger et de ses collègues. Si vous regardez notre prédiction de 2008, vous obtenez essentiellement la même prédiction pour l’énergie d’interaction du copernicium avec lui-même », dit Eichler. Un autre métal, comme l’or, peut pousser le copernicium à interagir de manière métallique ». Pykkö trouve également le modèle « convaincant ». Il prévient toutefois qu’il est « quelque peu éloigné de l’expérience », mais affirme que « c’est l’un des meilleurs experts pour répondre à ces questions ».