Samarium : caractéristiques, structure, production, utilisations

I.​ Introduction

Le samarium est un élément chimique rare, appartenant à la famille des terres rares, également connue sous le nom de lanthanides, occupant une place unique dans le tableau périodique.​

A. Définition et histoire du samarium

Le samarium est un élément chimique de symbole Sm et de numéro atomique 62.​ Il appartient à la série des lanthanides, une famille de métaux rarement trouvés dans la nature.​ Le samarium a été découvert en 1879 par le chimiste suisse Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, qui l’a isolé à partir de la samarskite, un minerai trouvé en Russie.​ Le nom de l’élément provient de ce minerai, qui doit lui-même son nom au colonel russe Vasili Samarski, qui a aidé à la découverte du minerai.​

Historiquement, le samarium a été utilisé pour produire des alliages métalliques spéciaux, mais son utilisation s’est considérablement élargie avec le développement de nouvelles technologies.​ Aujourd’hui, le samarium est utilisé dans de nombreux domaines, notamment dans la production de magnets permanents, de catalyseurs, de verres spéciaux et de céramiques.

II.​ Caractéristiques du samarium

Les caractéristiques du samarium comprennent ses propriétés physiques, chimiques et nucléaires, qui définissent ses comportements et ses utilisations dans divers domaines technologiques et industriels.

A.​ Propriétés physiques

Les propriétés physiques du samarium incluent sa masse volumique de 7,52 g/cm³, sa température de fusion de 1072°C et sa température d’ébullition de 1794°C.​ Le samarium est un métal argenté blanc, tendre et ductile, qui peut être facilement travaillé et façonné.​ Il est également un bon conducteur de chaleur et d’électricité.​ Les propriétés physique du samarium sont étroitement liées à sa structure cristalline et à sa configuration électronique.​ En particulier, la présence de niveaux d’énergie inhabituels dans la structure électronique du samarium influe sur ses propriétés magnétiques et électriques.​ Ces propriétés physiques font du samarium un élément essentiel dans de nombreuses applications industrielles et technologiques.​

B.​ Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du samarium sont caractérisées par sa forte réactivité avec les éléments non-métalliques tels que l’oxygène, l’azote et le chlore. Le samarium réagit facilement avec l’eau pour former un hydroxyde et libérer de l’hydrogène.​ Il forme également des composés avec les halogènes, tels que le fluor, le chlore et l’iode.​ Les réactions chimiques du samarium sont influencées par sa configuration électronique et son état d’oxydation.​ Le samarium peut exister sous plusieurs états d’oxydation, notamment +2, +3 et +4, ce qui explique sa grande variété de composés chimiques.​ Les propriétés chimiques du samarium sont essentielles pour comprendre ses applications dans de nombreux domaines, tels que la catalyse et la production de matériaux spéciaux.​

C.​ Électron configuration et numéro atomique

L’électron configuration du samarium est caractérisée par un remplissage incomplet de sa sous-couche 4f٫ ce qui explique ses propriétés magnétiques et chimiques spécifiques.​ Le samarium a un numéro atomique de 62 et une masse atomique de 150٫36 u.​ Sa configuration électronique est représentée par [Xe] 4f6 6s2 6p6٫ où [Xe] représente la configuration électronique du xénon.​ Cette configuration électronique explique pourquoi le samarium est un métal de transition interne٫ avec des propriétés similaires à celles des autres lanthanides.​ Le numéro atomique du samarium est défini par le nombre de protons présents dans le noyau de l’atome٫ tandis que la masse atomique est définie par la somme des masses des protons et des neutrons.

III. Structure du samarium

La structure du samarium est caractérisée par sa place dans le tableau périodique, où il occupe la case 62٫ ainsi que par ses propriétés magnétiques et cristallines spécifiques.​

A.​ Place dans le tableau périodique

Le samarium occupe la case 62 dans le tableau périodique, ce qui signifie qu’il possède 62 protons dans son noyau atomique.​ Cette position particulière confère au samarium des propriétés chimiques et physiques spécifiques, telles que sa appartenance à la famille des lanthanides ou terres rares.​ Dans le tableau périodique, le samarium est placé dans la troisième colonne du groupe des lanthanides, entre le prométhium et l’europium.​ Cette position reflète sasimilarité avec les autres éléments de cette famille, qui partagent des propriétés électroniques et magnétiques communes.​ La place du samarium dans le tableau périodique est essentielle pour comprendre ses propriétés et ses applications.​

B.​ Propriétés magnétiques

Le samarium est un élément ferromagnétique, ce qui signifie qu’il est capable de produire un champ magnétique permanent.​ Cette propriété est due à l’alignement des spins électroniques dans son noyau atomique.​ Les propriétés magnétiques du samarium sont particulières, car il présente un comportement ferrimagnétique à basse température et un comportement paramagnétique à haute température.​ Cette dualité lui permet de trouver des applications dans la fabrication de matériaux magnétiques spéciaux, tels que les aimants permanents et les matériaux magnétorésistifs.​ Les propriétés magnétiques du samarium sont étroitement liées à sa structure électronique et à sa configuration électronique, qui déterminent son comportement en présence d’un champ magnétique.

IV.​ Production du samarium

La production du samarium implique l’extraction de minerais de terres rares, suivie de processus de séparation et de purification pour obtenir des produits de haute pureté.​

A.​ Méthodes d’extraction

Les méthodes d’extraction du samarium varient en fonction des types de minerais et des concentrations de samarium.​ Les méthodes les plus courantes incluent la flotation, la séparation magnétique et la séparation électromagnétique.​

Ces méthodes permettent de séparer les minerais de terres rares contenant du samarium des impuretés et des autres éléments.​ La flotation est utilisée pour séparer les particules de minerais en fonction de leur densité et de leur hydrophobie.​

La séparation magnétique et électromagnétique sont utilisées pour séparer les particules de minerais en fonction de leurs propriétés magnétiques et électriques.​ Ces méthodes sont souvent combinées pour obtenir des produits de haute pureté.​

B.​ Rôle des réactions de capture neutron dans la production

Les réactions de capture neutron jouent un rôle crucial dans la production de samarium.​ Lorsqu’un neutron est absorbé par un noyau de samarium, il forme un isotope radioactif instable qui se désintègre en émettant des rayons gamma.​

Cette réaction de capture neutron est utilisée dans les réacteurs nucléaires pour produire du samarium à partir d’autres éléments.​ Les neutrons émis par la fission nucléaire sont absorbés par les noyaux de samarium, ce qui entraîne la formation d’isotopes radioactifs.​

Ces isotopes sont ensuite extraits et purifiés pour obtenir du samarium de haute pureté.​ Les réactions de capture neutron sont ainsi essentielles pour la production de samarium, élément clé dans de nombreuses applications industrielles.​

V.​ Utilisations du samarium

Le samarium est utilisé dans divers domaines, notamment la fabrication de magnets permanents, la catalyse, l’industrie du verre et des céramiques, ainsi que dans les applications de luminescence et les phosphores.​

A.​ Applications dans l’industrie des magnets

Les propriétés magnétiques exceptionnelles du samarium en font un élément essentiel dans la fabrication de magnets permanents de haute performance.​

Ces magnets sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment ⁚

• les moteurs électriques pour les véhicules hybrides et électriques
• les générateurs de courant pour les éoliennes et les centrales hydroélectriques
• les systèmes de levage et de manipulation pour les industries aérospatiale et nucléaire
• les équipements médicaux tels que les IRM et les appareils de thérapie par champ magnétique

Les magnets à base de samarium offrent une combinaison unique de force magnétique élevée, de stabilité thermique et de résistance à la corrosion, ce qui en fait des composants clés pour de nombreuses technologies de pointe.​

B. Utilisations comme catalyseur

Le samarium est également utilisé comme catalyseur dans divers processus chimiques, en raison de ses propriétés de réactivité et de stabilité.

Dans l’industrie pétrochimique, le samarium est employé comme catalyseur pour améliorer l’efficacité des réactions de cracking et de reformage.

Dans l’industrie des matériaux, le samarium est utilisé pour catalyser les réactions de polymérisation et de déshydrogénation.

En outre, le samarium est étudié comme catalyseur pour les réactions d’oxydoréduction, telles que la réduction du dioxyde de carbone et l’oxydation du méthane.​

Ces applications catalytiques tirent parti des propriétés chimiques uniques du samarium, qui permettent d’améliorer l’efficacité et la sélectivité des réactions chimiques.​

C.​ Rôle dans l’industrie du verre et des céramiques

Le samarium est utilisé dans l’industrie du verre et des céramiques en raison de ses propriétés optiques et thermiques.​

Dans la production de verre, le samarium est ajouté comme agent de coloration pour obtenir des tons jaunes ou bruns.​

Dans la fabrication de céramiques, le samarium est utilisé comme agent de dopage pour améliorer les propriétés électriques et thermiques des matériaux.​

Les oxydes de samarium sont également employés comme matières premières pour la production de verres spéciaux, tels que les verres à bas point de fusion ou les verres résistants aux chocs.​

Enfin, le samarium est utilisé dans la fabrication de composants électroniques, tels que les résistances et les condensateurs, en raison de ses propriétés diélectriques.​

D.​ Applications dans les phosphores et les applications de luminescence

Le samarium est largement utilisé dans les applications de luminescence en raison de ses propriétés de phosphorescence.​

Dans les phosphores, le samarium est combiné avec d’autres éléments pour produire des matériaux émettant une luminescence durable.​

Ces matériaux sont utilisés dans diverses applications, telles que les écrans de télévision, les tubes à rayons X, les détecteurs de radiation et les affichages.​

Le samarium est également employé dans les diodes électroluminescentes (DEL) pour produire une luminescence rouge-orange.​

Enfin, le samarium est utilisé dans les applications de sécurité, telles que les peintures luminescentes et les marquages de sécurité, en raison de sa capacité à émettre une luminescence durable.​