Table périodique des éléments : les lanthanides

Les terres rares : Introduction

Contrairement à leur dénomination, ces 15 éléments métalliques composant les lanthanides sont assez répandus (autant que le zinc (Zn), 10 fois plus que le plomb (Pb), 1000 fois plus que l’argent (Ar)). L’élément le plus présent du groupe (environ 1/3) est le cérium (Ce) dont la présence se situe entre celle du cuivre (Cu) et de l’étain (Sn). Les deux plus rares, le thulium (Tm) et le lutétium (Lu) se situent pour leur part entre le mercure (Hg) et le cadmium (Cd). Les lanthanides sont séparés en deux sous-groupes :

  •  le groupe du cérium, qui rassemble le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme, le prométhéum et le samarium (éléments de numéros atomiques Z = 57 à 63, ou terres cériques)
  • le sous-groupe de l’yttrium, qui comprend l’europium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l’holmium, l’erbium, le thulium, l’ytterbium et le lutécium (éléments de numéros atomiques allant de Z = 64 à 71, ou terres yttriques).

Tout en formant un autre sous-ensemble de terres rares, le scandium et l’yttrium, de formules électroniques comparables, présentent peu de différences avec les lanthanides et sont le plus souvent étudiés ensemble.

Table périodique des éléments : les lanthanides

C’est leur grande dispersion à la surface du globe et leur découverte progressive qui leur a valu cet adjectif de « rare ». Leur utilisation est grandissante dans les TIC (Technologies de l’Information et de la Communication), les technologies vertes et les applications militaires.

Le début de l’utilisation des terres rares dans l’industrie se situe vers la fin des années soixante, début des années soixante-dix. La production mondiale est minuscule : environ 125 000 tonnes par an (110 000 pour la Chine). Les prévisions tablent sur une augmentation de leur consommation de 50% chaque année d’ici à 2015 (source :IMCOA – Industrial Mineral Company of Australia).

Propriétés

  • L’intérêt pour les terres rares réside dans l’exploitation de leurs diverses propriétés :
  • Optiques : coloration du verre et de la céramique, TV couleur, éclairage fluorescent, radiographie médicale
  • Chimiques et structurales : cracking du pétrole (50% des oxydes de lanthanides produits aux USA sont utilisés à cet usage), pots catalytiques (réduction des NOX)
  • Mécaniques : leur dureté associée à une réaction chimique facilite le polissage du verre dans l’optique de pointe
  • Magnétiques : exceptionnelles, elles permettent, en alliage avec d’autres métaux, la miniaturisation d’aimants très performants (éoliennes, téléphonie, électroménager)

Applications

  • TICs : Écrans plats, téléphones portables, batteries rechargeables, CD, DVD, consoles de jeux, GPS, disques durs
  • Technologies vertes : pots catalytiques, éoliennes, lampes basse consommation, additifs pour le diésel et bientôt production de froid grâce à des aimants remplaçant le fréon
  • Applications Militaires : missiles, appareils de vision nocturne, télémètres
Zoom : ne pas confondre métaux rares et terres rares
Parmi les métaux rares les plus connus, on trouve une partie des lanthanides (sauf le cérium, le lanthane et le néodyme), les actinides et les transactinides, l’uranium et les transuraniens, le platine et les platinoïdes, l’argent, l’or, le cadmium, le mercure, le molybdène ainsi que le tungstène, le niobium, le tantale, le scandium, l’yttrium, le francium, le radium, le bismuth et l’antimoine (source Larousse).

Les minerais contenant des terres rares

Les principaux minerais à partir desquels sont extraites les terres rares sont la monazite et la bastnaésite, viennent ensuite d’autres minerais comme la xénotime, la loparite, les minerais phosphatés et certaines argiles.

MineraiCompositionLocalisation
Monaziteorthophosphate de terres rares et de thoriumAustralie, Inde, Brésil, Malaisie…
BastnaésitefluorocarbonateBayan Obo, Mongolie Intérieure, Mountain Pass, en Californie
Xénotimeyttrium et métaux lourds des lanthanidesNorvège, Brésil, Madagascar
Lopariteniobiotitanate de terres raresRussie
Apatiteminerais phosphatésRussie, Norvège, Canada
Argiles latéritiques d’ion-adsorptionteneurs élevées en europium, teneurs très variables en yttrium et très peu de cériumSud-Est de la Chine (Xunwu, Longnam)

Les autres minerais contenant des terres rares : aeschynite, allanite, britholite, brockite, cérite, fluocérite, fluorite, gadolinite, parisite, stillwellite, synchisite, titanite, zircon et zirconolite.

La Monazite est un des minéraux connus pour être les plus stables chimiquement et physiquement ce qui la rend résistante à la dissolution excepté dans des conditions acides ou alcalines importantes. Il en va de même pour la Bastnaésite qui est un minéral relativement stable [The global rare-earth cycle James B. Hedrick, Journal of Alloys and Compounds 225 (1995) 609-618].

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La classification des terres rares

NomSymboleN° périodiqueUtilisation dans les l’industrie électronique ou autres utilisations
1er sous-groupe : les terres cériques :
LanthaneLa57Comme d’autres terres rares il est utilisé pour des alliages magnétiques, dans des composés supraconducteurs, comme composant des phosphores des tubes cathodiques, comme « dopant » dans les cristaux pour lasers, comme composé fluorescent (phosphate de lanthane LaPO4) étudié pour les marquages anti-fraude
CériumCe58Utilisé comme colorant du verre, dans les phosphores pour tubes cathodiques et également pour améliorer l’absorption des rayons X par la dalle des mêmes tubes
Praséodyme  Pr59Pierre à briquet, colorant, aimants, amplificateur optique
Néodyme Nd60Tubes cathodiques : entre dans la composition des photophores rouge. Électronique : composition isolante pour les condensateurs « céramique »
Prométhium  Pm61Composés luminescents
Samarium Sm62Des condensateurs céramiques utilisent un diélectrique à base d’oxydes de lanthane, de néodyme ou de samarium
EuropiumEu63Laser, réacteur nucléaire, éclairage, géochimie
2nd sous-groupe : les terres yttriques :
Gadolinium Gd64Substance phosphorescente dans des tubes cathodiques
Terbium Tb65Émission lumineuse verte : Substance phosphorescente pour tubes cathodiques. Activateur des phosphores verts pour tubes cathodiques sous forme d’oxyde Tb2O3
Dysprosium Dy66Dans les mini-disques on utilise comme matériau d’enregistrement un alliage d’un métal ferromagnétique (fer, cobalt, nickel) avec des terres rares (terbium, gadolinium et dysprosium)
HolmiumHo67Laser, teinture du verre, magnétisme, composé supraconducteur
Erbium Er68Les amplificateurs optiques à base de fibres dopées erbium sont devenus un élément standard des réseaux de télécommunications optiques longue distance
Thulium Tm69Source de rayonnement, composant pour micro-onde, source de chaleur
Ytterbium Yb70Acier inoxydable, ion actif pour cristaux laser
LutétiumLu71Émetteur de rayonnement ?

On leur associe souvent deux autres éléments dont les formules électroniques sont proches :

NomSymboleN° périodiqueUtilisation dans les l’industrie électronique ou autres utilisations
Scandium Sc21Éclairage, marqueur, alliage d’aluminium
YttriumY39Phosphores rouges des tubes cathodiques, laser YAG, alliages supraconducteurs, briques réfractaires, piles à combustible, aimants

Suite de l’article : où les trouve-t-on ?