Le radium est l'élément chimique de numéro atomique 88, de symbole Ra. Il fait partie de la série des métaux alcalino-terreux.
Son corps simple est un métal d'un aspect parfaitement blanc mais il noircit lors de son exposition à l'air libre. Il est extrêmement radioactif, la demi-vie de son isotope le plus stable le radium 226 étant de . Il fournit du radon comme produit de désintégration.
Marie Curie et son mari Pierre le découvrent en 1898 par extraction de la pechblende, un minerai d'uranium. Le mot radium est forgé à partir du latin , en même temps que le mot radioactivité.
Historique vignette|gauche|Marie Curie et son mari Pierre étudiant le radium, dessin d'André Castaigne. Le radium a été découvert par Marie Skłodowska-Curie et son mari Pierre Curie le , dans un minerai d'uraniniteHammond, C. R. "Radium" in Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. .. Lors de l'étude de ce minéral, les Curie en avaient extrait tout l'uranium, pour constater que le reliquat était nettement plus radioactif que l'uranium seul. En , ils extraient de la pechblende un élément comparable au bismuth, qui s'avère être du polonium. Ils séparent ensuite un mélange radioactif formé principalement de deux composants : des composés de baryum, qui produit une flamme d'un vert brillant, et un composé radioactif inconnu qui donne des lignes spectrales de couleur carmin, qui n'avait jamais été précédemment décrit. Les Curie constatent que ce composé radioactif est très similaire aux composés de baryum, mais moins soluble. Cela permit aux Curie d'isoler ce composé radioactif et de découvrir un nouvel élément, le radium.
Les Curie annoncèrent leur découverte à l'Académie des sciences le . La communication a été lue par Becquerel lui-même...
L'élément fut baptisé « radium » vers 1899. Le mot est formé sur le latin radius, le rayonnement, pour rappeler le fort rayonnement radioactif de cet élément....
Le radium a été isolé sous forme métallique en 1910 par Marie Curie et André-Louis Debierne dans leur laboratoire de l'École municipale de physique et de chimie industrielles (aujourd'hui ESPCI Paris). Ils procédèrent à une électrolyse d'une solution de chlorure de radium (RaCl2) sur une cathode de mercure, produisant ainsi un amalgame. Cet amalgame fut ensuite chauffé dans une atmosphère d'hydrogène pour éliminer le mercure, laissant le radium pur sous forme métallique.. La même année, E. Eoler isola également le radium par décomposition thermique de l'azoture de radium, Ra(N3)2..
La première production industrielle du radium sous forme métallique a été réalisée par Biraco, filiale de l'Union minière du Haut Katanga (UMHK), dans son usine d'Olen en Belgique..
L'unité historique de radioactivité, le curie (en l'honneur de Pierre Curie décédé en 1906) correspond à la radioactivité d'un gramme de radium Ra., soit 37 gigabecquerels (). En 1911, Marie Curie obtient le prix Nobel de chimie « en reconnaissance de sa contribution aux progrès de la chimie pour avoir découvert le radium et le polonium, avoir isolé le radium, et avoir étudié la nature et les composés de cet élément remarquable »..
Caractéristiques physiques et chimiques C'est le plus dense des métaux alcalino-terreux avec lesquels il partage des caractéristiques (comportement assez proche de ceux du béryllium, magnésium, calcium, strontium et baryum) expliquant sa cinétique environnementale ou son métabolisme. L'élément qui lui est le plus proche est le baryum (autre cation divalent), mais le radium est moins bien étudié à cause des contraintes de radioprotection qu'impose sa radioactivité.
Propriétés physiques Fraichement préparé, le radium pur est blanc et brillant, mais il noircit lorsqu'il est exposé à l'air (probablement par formation de nitrure Ra3N2). Sa densité est de , plus élevée que celle du baryum.. Son point de fusion est mal déterminé, entre 700 et , et sa température d'évaporation est de . Ces deux valeurs sont légèrement inférieures à celles du baryum, ce qui correspond à la tendance générale des éléments du groupe 2 ..
De même que le baryum, le radium forme dans les conditions normales de température et de pression un réseau cristallin cubique centré, de maille 514,8 picomètres F. Weigel et A. Trinkl, Radiochim. Acta, 1968, 19, 78.Crystal Structures for the solid chemical elements at 1 bar..
Le radium est luminescent (il émet une faible couleur bleue), et il est un peu plus volatil que le baryum.
Propriétés chimiques De même que le baryum, le radium est un métal très réactif, et se retrouve généralement dans un degré d'oxydation de +2. Il s'hydrolyse dans l'eau par formation d'hydroxyde de radium. Il se présente en solution aqueuse sous forme de cation incolore Ra2+, très fortement basique.
Il ne forme pas facilement de complexe. La plupart des composés chimiques du radium sont donc formés de liaison ionique. Cependant, les électrons 6s et 6p (outre l'électron de valence 7s) pourraient participer à un effet chimique quantique relativiste renforçant le caractère covalent de la liaison avec des composés comme RaF2 ou encore RaAt2 ..
Comme le baryum, il forme des sels solubles sous forme de chlorure, bromures et nitrates, alors qu'il est très faiblement soluble sous forme de sulfate, de carbonates, phosphates et phosphates acidesJerry M. Neff Ph.D. , Chapter 11 - Radium Isotopes in the Ocean ; Bioaccumulation in Marine Organisms ; Effect of Contaminants from Oil Well Produced Water ; 2002, Pages 191-201 ; doi:10.1016/B978-008043716-3/50012-9. résumé.. Ceci explique qu'en mer et dans les eaux saumâtres, la teneur de l'eau en ions libres de radium sera contrôlée par l'activité sulfate de l'eau. En pleine mer, il est à 70 % complexé sous forme de RaSO4 et pour le reste en grande partie complexé à la matière organique dissoute (en complexes organométalliques dont la stabilité diminue avec l'augmentation de la salinité). En présence de baryum et dans une eau riche en sulfate, il précipite en Ba RaSO4 .
Propriétés radiologiques Radioactivité du radium 226
Le radium ne possède aucun isotope stable. L'isotope majoritaire, qui est celui historiquement découvert par les Curie, est le radium 226 (demi-vie : ).
Présence dans les chaînes de désintégration
Le radium fait partie des chaînes de désintégration de l'uranium et du thorium, avec lesquels il peut se trouver en équilibre séculaire. Quatre de ses 25 isotopes possibles existent dans la nature à l'état de traces : Ra, Ra, Ra et Ra, tous les quatre radioactifs et tous issus de la dégradation radioactive d'autres radioisotopes d'origine naturelle. On le rencontre donc en très petites quantités associé aux dépôts d'uranium, et à l'état de traces associé au thorium : Une tonne de thorium 232 est en équilibre séculaire avec de radium 228 (demi-vie de 5,75 ans) et 0,7 μg de radium 224 (demi-vie de 3,63 j) Une tonne d'uranium naturel, formée majoritairement d'uranium 238, est en équilibre avec de radium 226 (demi-vie de 1590 ans) ; et les d'uranium 235 présents sont de leur côté en équilibre avec 550 ng de radium 223 (de demi-vie 11,4 jours). Bien que ces quantités soient extrêmement faibles, la radioactivité induite (qui est inversement proportionnelle à la demi-vie) est très importante : le radium contribue autant que l'uranium à la radioactivité d'un minerai d'uranium, de même pour le thorium. Ainsi, l’activité moyenne du Ra dans la roche est de quelques dizaines de Bq/kg (becquerels par kilogramme), mais elle peut être mille fois supérieure dans les sols ou les zones riches en minerai d’uranium..
Aux premiers temps de l'étude de la radioactivité, les isotopes des chaînes de désintégration ne pouvaient pas être caractérisés par leurs propriétés chimiques, quand leur durée de vie était trop brève (inférieure à l'année), mais uniquement par leur radioactivité. Ils recevaient par conséquent un nom spécifique reflétant leur formation : Ra (le premier découvert et le plus facile à isoler chimiquement) était le radium (Ra) ; Ra (descendant de l'actinium 227 via le thorium 227) était nommé actinium X (AcX) ; Ra (produit par le thorium 232) était le mesothorium 1 (MsTh) ; Ra (descendant du thorium 228, et du thorium 232 à la quatrième génération) était nommé thorium X (ThX). De même, les produits de désintégration successifs du Ra reçurent des noms formés sur radium, de « radium A » jusqu'à « radium G ».
Abondance relative Les deux isotopes du radium que l'on peut isoler chimiquement sont Ra, descendant de l'uranium 238 et de de demi-vie., et Ra, descendant du thorium 232 et de demi-vie de .. Les autres sont plus difficilement isolables (Ra dont la demi-vie est de 11,1 jours et Ra dont la demi-vie est de 3,64 jours sont présents à des teneurs de l'ordre du nanogramme par tonne) et ne sont en pratique observés que par la radioactivité qu'ils engendrent.
Ses isotopes naturels sont utilisés pour dater certains matériaux radioactifs (baryte) rencontrés dans les forages gaziers ou pétroliersA. Zielinski, J.K. Otton, J.R. Budahn, Use of radium isotopes to determine the age and origin of radioactive barite at oil-field production sites ; Environmental Pollution, Volume 113, Issue 3, août 2001, pages 299-309R. (Résumé)..
L'isotope à la durée de vie la plus longue, le radium 226 (Ra), représente en pratique la quasi-totalité du radium naturellement présent sur Terre.
Mesure de la radioactivité Dans un échantillon de sol ou de produits végétaux ou animaux, ou encore dans les eaux minérales fortement chargées, le radium est mesuré directement par spectrométrie gamma en association avec ses descendants à vie courte, (Pb et Bi). Ceci après mise à l’équilibre de l’échantillon pendant un mois; de manière que l'équilibre se fasse avec le reste de ses descendants jusqu'au plomb 210.
Dans les eaux naturelles faiblement chargées, la mesure est effectuée par émanométrie du radon (Rn) : le radon dissous dans l’eau est dégazé par bullage et récupéré dans des fioles scintillantes pour effectuer la mesure.
Minéralogie du radium Gisements vignette|Section polie de pechblende.
Le radium est surtout présent à l'état de traces dans certains sous-sols anciens. Dans le sol, il est présent sous forme combinée et plus concentrée dans la pechblende, un minerai d'uranium, ainsi que dans d'autres minéraux d'uranium. Il faut environ trois tonnes de pechblende pure pour extraire un gramme de radium.
Le charbon contient des traces parfois significatives d'uranium et donc de radium, qu'on retrouve parfois dans les crassiers de cendres charbonneuses (issus des centrales thermiques ou de la sidérurgie) et parfois les fumées, quand elles ne sont pas filtrées. La combustion du charbon est une voie de dissémination du radium ; la teneur en 226Ra des cendres de charbon est de l’ordre de 120 Bq/kg.
Les schistes exploités (depuis 2004 principalement) pour le gaz de schiste en contiennent également, en quantité parfois importantes. De manière générale, plus un schiste est noir ; c'est-à-dire à haute teneur en COT (carbone organique total), plus il en contient. C'est le cas par exemple des schistes noirs du DévonienSchmoker, James W (1981), Determination of Organic-Matter Content of Appalachian Devonian Shales from Gamma-Ray Logs, AAPG Bulletin, 65(7):1285- 1298. de la région des AppalachesLeventhal JS (1981) "Pyrolysis gas chromatography ‐ mass spectrometry to characterize organic matter and its relationship to uranium content of Appalachian Devonian black shales Geochim Cosmochim Acta 45 p relationship to uranium content of Appalachian Devonian black shales", GCA 45 .Cathles, L.M. Why radium in shales and how to process ; Cornell University. et en particulier de ceux du bassin de MarcellusResnikoff M (2010) Radioactivity in Marcellus Shale, Report prepared for Residents for the Preservation of Lowman and Chemung (RFPLC), http://www.rwma.com/Marcellus%20Shale%20Report%205‐18‐2010.pdf..
Production minière