Samarium (Sm, Z = 62): Un Aimant Terrestre aux Origines Stellaires

Modèle de l'atome de samarium — Modèle atomique simplifié de l'atome de samarium. L'isotope le plus abondant est le \(\,^{152}\mathrm{Sm}\,\) avec ses 62 protons, ses 62 électrons et ses 90 neutrons.
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Rôle en astrophysique et cosmologie du samarium

Le samarium est un élément produit principalement par le processus de capture neutronique lent (processus s) dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes (AGB). Une fraction est également synthétisée par le processus de capture neutronique rapide (processus r) lors d'événements cataclysmiques comme les fusions d'étoiles à neutrons ou les supernovae.

L'abondance du samarium dans les étoiles est un indicateur précieux pour les astronomes. Le rapport d'abondance entre le samarium et d'autres éléments produits par des processus similaires (comme le néodyme ou l'europium) permet de retracer l'histoire de la nucléosynthèse dans notre galaxie. La mesure des abondances de samarium dans les vieilles étoiles pauvres en métaux aide à comprendre l'efficacité relative des processus s et r dans l'univers primordial. De plus, l'isotope radioactif ¹⁴⁶Sm (demi-vie de 68 millions d'années) a existé au début du système solaire. Sa présence passée, détectée par ses produits de désintégration dans des météorites, est utilisée comme chronomètre pour dater la différenciation planétaire et la formation des noyaux des planètes telluriques comme la Terre et Mars.

Histoire de la découverte du samarium

L'histoire du samarium commence par l'analyse d'un minéral rare, la samarskite, identifié en Oural vers 1847 et nommé en l'honneur du colonel russe Vassili Samarski (1803-1870). Le chimiste suisse Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894) fut le premier à observer des raies spectrales inconnues dans ce minéral en 1853, suggérant la présence d'un nouvel élément. Mais c'est le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) qui, en 1879, réussit à isoler un oxyde d'un nouvel élément à partir de la samarskite. Il confirma sa découverte par spectroscopie et nomma cet élément samarium en référence au minéral d'origine. Ce fut la première identification d'un élément du groupe des terres rares à partir de ce minéral, ouvrant la voie à la découverte d'autres lanthanides.

N.B. :

Le samarium n'existe pas à l'état natif. Il est principalement extrait de minerais tels que la monazite et la bastnäsite, qui contiennent un mélange de terres rares. Son abondance dans la croûte terrestre est d'environ 7 ppm, ce qui est supérieur à celle d'éléments comme l'étain. La séparation du samarium des autres lanthanides, un processus complexe en raison de leurs propriétés chimiques très similaires, est réalisée par des techniques modernes comme l'échange d'ions ou l'extraction par solvant.

Structure et propriétés fondamentales

Le samarium (symbole Sm, numéro atomique 62) est un élément de la série des lanthanides, appartenant au groupe des terres rares. Son atome possède 62 protons, généralement 90 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{152}\mathrm{Sm}\)) et 62 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f⁶ 6s².
À température ambiante, le samarium est un métal solide argenté, relativement dur et cassant. C'est un élément modérément dense (densité ≈ 7.52 g/cm³) et il présente un léger magnétisme à température ambiante.
Le point de fusion (état liquide) du samarium: 1 345 K (1 072 °C).
Le point d'ébullition (état gazeux) du samarium: 2 067 K (1 794 °C).

Tableau des isotopes notables du samarium

Isotopes du samarium (propriétés physiques clés)
Isotope / Notation	Protons (Z)	Neutrons (N)	Masse atomique (u)	Abondance naturelle	Demi-vie / Stabilité	Décroissance / Remarques
Samarium-152 — \(\,^{152}\mathrm{Sm}\,\)	62	90	151.919732 u	≈ 26.75 %	Stable	Isotope stable le plus abondant.
Samarium-154 — \(\,^{154}\mathrm{Sm}\,\)	62	92	153.922209 u	≈ 22.75 %	Stable	Second isotope stable.
Samarium-147 — \(\,^{147}\mathrm{Sm}\,\)	62	85	146.914898 u	≈ 14.99 %	1.06 × 10¹¹ années	Radioactif, α-émetteur. Fondamental pour la datation géologique (Sm-Nd).
Samarium-149 — \(\,^{149}\mathrm{Sm}\,\)	62	87	148.917185 u	≈ 13.82 %	Stable	Isotope stable. C'est un poison neutronique puissant.
Samarium-150 — \(\,^{150}\mathrm{Sm}\,\)	62	88	149.917276 u	≈ 7.38 %	Stable	Isotope stable.
Samarium-144 — \(\,^{144}\mathrm{Sm}\,\)	62	82	143.912006 u	≈ 3.07 %	Stable	Isotope stable le plus léger.
Samarium-153 — \(\,^{153}\mathrm{Sm}\,\)	62	91	152.922097 u	Synthétique	46.3 heures	β⁻-émetteur. Utilisé en médecine nucléaire pour le traitement des douleurs osseuses.

Configuration électronique et couches électroniques du samarium

N.B. :

Les couches électroniques: Comment les électrons s'organisent autour du noyau (nouvelle fenêtre).

Le samarium possède 62 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique complète est: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f⁶ 6s², ou de manière simplifiée: [Xe] 4f⁶ 6s². Cette configuration peut aussi s'écrire: K(2) L(8) M(18) N(24) O(8) P(2).

Structure détaillée des couches

Couche K (n=1): 2 électrons (1s²).
Couche L (n=2): 8 électrons (2s² 2p⁶).
Couche M (n=3): 18 électrons (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
Couche N (n=4): 24 électrons (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁶). La sous-couche 4f, partiellement remplie avec 6 électrons, est responsable des propriétés magnétiques et optiques uniques du samarium.
Couche O (n=5): 8 électrons (5s² 5p⁶).
Couche P (n=6): 2 électrons (6s²).

Électrons de valence et états d'oxydation

Les électrons de valence du samarium sont principalement les 2 électrons 6s², mais les 6 électrons 4f participent aussi activement à la liaison chimique. Cette configuration conduit à plusieurs états d'oxydation possibles.
L'état d'oxydation le plus courant et le plus stable est +3 (Sm³⁺), où l'atome perd ses deux électrons 6s² et un électron 4f, atteignant une configuration [Xe] 4f⁵ particulièrement stable (demi-couche f).
L'état d'oxydation +2 (Sm²⁺) est également connu et relativement stable pour un lanthanide, où l'atome perd seulement ses deux électrons 6s² pour donner [Xe] 4f⁶. Le Sm²⁺ est un réducteur puissant.
Cette dualité (+2/+3) confère au samarium une chimie riche, utilisée dans des applications de réduction en synthèse organique.

Réactivité chimique

Le samarium est un métal relativement réactif. Il ternit lentement à l'air, formant un oxyde (Sm₂O₃) à sa surface. Sous forme divisée, il peut s'enflammer spontanément. Il réagit avec l'eau pour dégager de l'hydrogène, bien que plus lentement que les métaux alcalino-terreux. Il se dissout facilement dans les acides dilués. Le samarium réagit avec la plupart des non-métaux (halogènes, hydrogène, azote, soufre) à des températures modérées. Sa chimie en solution aqueuse est dominée par l'ion Sm³⁺, qui forme des complexes stables et présente une couleur jaune pâle caractéristique.

Applications industrielles et technologiques où le samarium est utilisé

dans les aimants permanents Samarium-Cobalt (SmCo₅, Sm₂Co₁₇) pour les moteurs d'aéronefs, les générateurs, les capteurs et les systèmes critiques (haute température, stabilité) ;
comme absorbeur de neutrons (¹⁴⁹Sm) dans les barres de contrôle de certains réacteurs nucléaires ;
en catalyse, notamment l'iodure de samarium(II) (SmI₂), un réducteur puissant et sélectif en synthèse organique ;
dans les cristaux dopés au samarium pour les lasers à semi-conducteurs et les amplificateurs optiques ;
comme agent de dopage dans les verres et céramiques pour modifier leurs propriétés optiques ;
en médecine nucléaire, l'isotope ¹⁵³Sm est utilisé sous forme de lexidronam pour soulager les douleurs liées aux métastases osseuses ;
dans les capteurs et actionneurs de systèmes micro-électromécaniques (MEMS) ;
pour le dopage de phosphores dans les écrans et certains dispositifs d'affichage ;
comme traceur isotopique (¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd) en géochimie et pétrologie pour la datation des roches ;
dans les applications d'étalonnage de détecteurs de rayonnement gamma.