Ce groupe d’éléments, également appelé lanthanides, tient une place de choix dans l’industrie électronique (écrans, disques durs) et dans les technologies vertes (éoliennes, voitures hybrides). Avec une production mondiale dominée à 97% par la Chine, les terres rares sont devenues un enjeu majeur pour les industries high-tech comme pour les états. Si les terres rares servent à réaliser des produits sensés diminuer notre empreinte environnementale (dématérialisation grâce à l’informatique, production d’électricité verte avec les éoliennes, réduction des émissions de CO2 grâce aux voitures hybrides), nous verrons que leur extraction et leur production sont très loin de l’image de propreté véhiculée par les campagnes publicitaires. |
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.
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 |
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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.
Minerai | Composition | Localisation |
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Monazite | orthophosphate de terres rares et de thorium | Australie, Inde, Brésil, Malaisie… |
Bastnaésite | fluorocarbonate | Bayan Obo, Mongolie Intérieure, Mountain Pass, en Californie |
Xénotime | yttrium et métaux lourds des lanthanides | Norvège, Brésil, Madagascar |
Loparite | niobiotitanate de terres rares | Russie |
Apatite | minerais phosphatés | Russie, Norvège, Canada |
Argiles latéritiques d’ion-adsorption | teneurs élevées en europium, teneurs très variables en yttrium et très peu de cérium | Sud-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].
La classification des terres rares
Nom | Symbole | N° périodique | Utilisation dans les l’industrie électronique ou autres utilisations |
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1er sous-groupe : les terres cériques : | |||
Lanthane | La | 57 | Comme 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 |
Cérium | Ce | 58 | Utilisé 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 | Pr | 59 | Pierre à briquet, colorant, aimants, amplificateur optique |
Néodyme | Nd | 60 | Tubes cathodiques : entre dans la composition des photophores rouge. Électronique : composition isolante pour les condensateurs « céramique » |
Prométhium | Pm | 61 | Composés luminescents |
Samarium | Sm | 62 | Des condensateurs céramiques utilisent un diélectrique à base d’oxydes de lanthane, de néodyme ou de samarium |
Europium | Eu | 63 | Laser, réacteur nucléaire, éclairage, géochimie |
2nd sous-groupe : les terres yttriques : | |||
Gadolinium | Gd | 64 | Substance phosphorescente dans des tubes cathodiques |
Terbium | Tb | 65 | Émission lumineuse verte : Substance phosphorescente pour tubes cathodiques. Activateur des phosphores verts pour tubes cathodiques sous forme d’oxyde Tb2O3 |
Dysprosium | Dy | 66 | Dans 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) |
Holmium | Ho | 67 | Laser, teinture du verre, magnétisme, composé supraconducteur |
Erbium | Er | 68 | Les amplificateurs optiques à base de fibres dopées erbium sont devenus un élément standard des réseaux de télécommunications optiques longue distance |
Thulium | Tm | 69 | Source de rayonnement, composant pour micro-onde, source de chaleur |
Ytterbium | Yb | 70 | Acier inoxydable, ion actif pour cristaux laser |
Lutétium | Lu | 71 | Émetteur de rayonnement ? |
On leur associe souvent deux autres éléments dont les formules électroniques sont proches :
Nom | Symbole | N° périodique | Utilisation dans les l’industrie électronique ou autres utilisations |
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Scandium | Sc | 21 | Éclairage, marqueur, alliage d’aluminium |
Yttrium | Y | 39 | Phosphores rouges des tubes cathodiques, laser YAG, alliages supraconducteurs, briques réfractaires, piles à combustible, aimants |
Suite de l’article : où les trouve-t-on ?