Le sélénium (Z = 34)

Le sélénium fait partie du 16^ème groupe (16ème colonne) de la classification périodique, appelé parfois groupe des chalcogènes (du grec "chalcos" signifiant "minerai"), auquel appartiennent également l'oxygène, le soufre, le tellure et le polonium. Il possède 30 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus, parmi lesquels six sont stables : le sélénium 74 (⁷⁴Se), le sélénium 76 (⁷⁶Se), le sélénium 77 (⁷⁷Se), le sélénium 78 (⁷⁸Se), le sélénium 80 (⁸⁰Se) et le sélénium 82 (⁸²Se). L'isotope le plus abondant est le sélénium 80 (pratiquement 50%), suivi du sélénium 78 (environ 24%). On en trouve relativement peu sur Terre : souvent présent à l'état de traces dans les sulfures naturels, il est moins abondant que l'argent dans la croûte terrestre, et il n'occupe que la 34ème place dans l'eau de mer.

Origine du sélénium

Le sélénium est produit, à l'instar du brome et du krypton, par capture de neutrons lors d'explosions de supernovae à effondrement de cœur (supernovae de type II) ou de fusions d'étoiles à neutrons (kilonovae). Le mécanisme qui intervient ici est appelé processus r, la lettre r signifiant qu'il s'agit d'un processus de capture rapide, nécessitant un flux de neutrons très élevé.

Un peu d'histoire

le sélénium est découvert en 1817 par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius et son assistant Johan Gottlieb Gahn, dans un résidu boueux provenant de la préparation de l'acide sulfurique. Pensant d'abord qu'il a affaire à du tellure (isolé en 1798 par Martin Heinrich Klaproth), Berzelius se ravise lorsqu'il comprend qu'il s'agit en fait d'un nouvel élement. Comme le tellure tire son nom de la déesse romaine Tellus, l'équivalent de Gaïa (la Terre) chez les grecs, il fut décidé de nommer ce nouvel élément sélémium, en référence à Séléné, déesse de la Lune dans la mythologie grecque.

Propriétés du sélénium

Le sélénium existe sous plusieurs formes allotropiques, c'est-à-dire cristallines, les plus courantes étant les formes noire, grise et rouge, où les atomes de sélénium s'organisent de différentes façons. Dans la forme grise, majoritaire car plus stable, ils peuvent former de longues chaînes pouvant en contenir plus de mille. Photosensible, le sélénium gris devient légèrement conducteur de l'électricité lorsqu'il est exposé à la lumière (nous y reviendrons).

D'une densité proche de 4,8 g/cm³ à 20°C, le sélénium gris fond à 221°C, se transformant alors en un liquide noir et visqueux. Assez réactif, il s'associe facilement aux halogènes, à l'oxygène ou encore aux métaux, donnant naissance à des composés aux propriétés proches de celles des composés soufrés (n'oublions pas que le soufre et le sélénium appartiennent à la même famille, celle des chalcogènes).

Le sélénium est un oligoélément présent à l'état de traces dans le corps humain. Il se retrouve dans la chaîne alimentaire car il est capté dans le sol par certains végétaux (noix du Brésil, poix chiches, lentilles, poivrons rouges...). On en trouve également dans les oeufs, les rognons, l'ail, le thon, le homard...
Impliqué dans le métabolisme des hormones thyroïdiennes, il contribuerait au bon fonctionnement du système immunitaire et aurait des propriétés antioxydantes. Une carence en sélénium est responsable de la maladie de Keshan, caractérisée par des lésions du myocarde. A contrario, il s'avère toxique à fortes doses, pouvant entraîner nausées, diarrhées, fragilisation des ongles et perte des cheveux.

Production industrielle du sélénium

Comme il n’existe pas à proprement parler de gisement de sélénium celui-ci est, à l'instar du tellure, récupéré principalement lors du traitement de minerais riches en sulfure de cuivre. Lors de l'étape consistant à purifier le cuivre par électrolyse, il se forme des boues résiduelles contenant (entre autres) du sélénium et du tellure, mélangées à du cuivre. Pour récupérer le sélénium, il faut traiter ces boues par grillage (vers 500-600°C), le plus souvent en présence d'acide sulfurique.
Il se forme dans un premier temps du dioxyde de sélénium à l'état gazeux :

Cu₂Se + 6 H₂SO₄ ---> SeO₂(g) + 2 CuSO₄(s) + 6 H₂O(g) + 4 SO₂(g)

Le dioxyde de sélénium est ensuite réduit par le dioxyde de soufre :

SeO₂(g) + 2 SO₂(g) + 2 H₂O(liq) ---> Se(s) + 2 H₂SO₄(liq)

Les principaux producteurs de sélénium sont la Chine (largement en tête, avec 1300 tonnes en 2022), le Japon, la Russie, l'Allemagne et la Belgique (200 t en 2022).

Quelques exemples d'utilisation du sélénium

- Une fine couche de sélénium (du trisélénure d'arsenic pour être exact) recouvre le tambour (cyclindre) des photocopieurs, tambour sur lequel est diffusée une charge électrostatique positive. Dans le noir, le sélénium est isolant, mais il devient conducteur en présence de lumière, ce qui permet d'éliminer la charge électrique. La poudre noire contenue dans le toner, chargée négativement, est attirée uniquement par les régions du tambour où la charge électrique est restée (donc dans les zones d'ombre), avant d'aller se déposer sur les feuilles de papier que l'on souhaite imprimer. Dans les appareils récents, le sélénium a toutefois tendance à être remplacé par le silicium.

- Certaines cellules photovoltaïques dites "couches minces" sont constituées de couches très fines de diséléniure de cuivre et d'indium. Leur rendement est assez médiocre, mais elles présente l'avantage d'être peu coûteuses.

- En photographie, des posemètresUn posemètre est un appareil qui permet de mesurer la luminosité afin de déterminer le meilleur temps de pose. au sélénium ont été utilisés dans les années 1950-60.

- En verrerie, le sélénium permet de masquer la couleur verte du verre (due à la présence de fer).

- Le pigment appelé rouge de cadmium est un sélénio-sulfure de cadmium.

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