Terre rare

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  * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
  * Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No  

Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y, et les quinze lanthanides. Ces métaux sont, contrairement à ce que suggère leur appellation, assez répandus dans l'écorce terrestre, à l'égal de certains métaux usuels. L'abondance du cérium (60 ppm) est ainsi du même ordre que celle du cuivre, par contre celle du thulium et du lutécium n'est que de 0,5 ppm. Sous forme élémentaire, les terres rares ont un aspect métallique et sont assez tendres, malléables et ductiles. Ces éléments sont chimiquement assez réactifs, surtout à des températures élevées ou lorsqu'ils sont finement divisés.

Leurs propriétés électromagnétiques proviennent de leur configuration électronique avec remplissage progressif de la sous-couche 4f, à l'origine du phénomène appelé contraction lanthanidique.

Il faut attendre le projet Manhattan dans les années 1940 pour que les terres rares soient purifiées à un niveau industriel et les années 1970 pour que l’une d'elles, l'yttrium, trouve une application de masse dans la fabrication de luminophores des tubes cathodiques utilisés dans la télévision couleur. Du point de vue de l'économie mondiale, les terres rares font désormais partie des métaux stratégiques.

Liste, étymologie et utilisations des terres rares[modifier | modifier le code]

Le tableau suivant donne le numéro atomique, le symbole, l'étymologie et des utilisations des dix sept terres rares.

Le nom d'une terre rare dérive selon le cas:

  • du nom de lieu de la découverte (Ytterby, Scandinavie)
  • du nom d'un découvreur (Gadolin, Samarski)
  • de la mythologie (Cérès, Prométhée, Thulé)
  • des circonstances de la découverte (voir La, Pr, Nd, Dy).
Z Symbole Nom Étymologie Utilisations [1], [2], [3], [4]
21 Sc Scandium du Latin Scandia (Scandinavie). Alliages légers aluminium-scandium : aéronautique militaire ; additif (ScI2) dans les lampes aux halogénures métalliques ; 46Sc : traceur radioactif dans les raffineries.
39 Y Yttrium du village d'Ytterby, Suède, où le premier minéral de terre rare a été découvert. Lasers : Grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG) dopé aux lanthanides[5] (Nd, Ho, Er, Tm, Yb) ; vanadate YVO4 dopé avec Eu : luminophores rouges (TV), dopé avec Nd : lasers, dopé avec Ce3+ : LED GaN  ; ampoules fluocompactes  ; oxyde mixte de baryum de cuivre et d'yttrium (YBCO) : supraconducteurs haute température ; zircone cubique stabilisée par l'yttrium (en) (YSZ) : céramiques conductrices réfractaires ; grenat de fer et d'yttrium (YIG) : filtres microonde  ; bougies d'allumage ; 90Y : traitement du cancer.
57 La Lanthane du Grec "lanthanein", caché. Batteries nickel-métal hydrure  ; verres d'indice de réfraction élevé et de faible dispersion ; laser (YLaF) ; verres fluorés  ; stockage de l'hydrogène.
58 Ce Cérium de la planète naine Cérès, nommée d'après la déesse romaine de l'agriculture. Agent chimique oxydant  ; poudre de polissage du verre (CeO2) ; colorant jaune des verres et des céramiques ; décoloration du verre ; catalyseurs : revêtements de four auto-nettoyants, craquage des hydrocarbures, pots d'échappement ; YAG dopé au Ce : luminophore jaune vert pour lampes LED ; Manchons à incandescence.
59 Pr Praséodyme du Grec "prasios", vert pâle, et "didymos", jumeau. Aimants permanents (allié à Nd) ; Amplificateurs à fibre ; colorants des verres (vert) et des céramiques (jaune) ; lunettes de soudeur (allié à Nd).
60 Nd Néodyme du Grec "neos", nouveau, et "didymos", jumeau. Aimants permanents (éoliennes ; voitures hybrides) ; lasers YAG ; colorant violet des verres et des céramiques ; condensateurs céramique ; lunettes de soudeur (allié à Pr).
61 Pm Prométhium du Titan Prométhée, qui apporta le feu aux mortels. Applications potentielles de 147Pm : peintures lumineuses, batteries nucléaires , source d'énergie pour sonde spatiale.
62 Sm Samarium de l'ingénieur russe des mines Vassili Samarsky-Bykhovets. Aimants permanents (SmCo5) ; lasers à rayons X[6] ; catalyseurs ; capture neutronique ; masers ; 153Sm : radiothérapie.
63 Eu Europium du continent Europe. Luminophores rouges (Eu3+) et bleus (Eu2+) : lampes fluocompactes, écrans renforçateurs pour rayons X, TV ; lasers ; cryptates : sondes biologiques par transfert d'énergie entre molécules fluorescentes.
64 Gd Gadolinium de Johan Gadolin, découvreur de l'yttrium en 1794. Lasers ; capture neutronique : réacteurs nucléaires ; agent de contraste en IRM[7] ; Luminophores verts ; écrans renforçateurs pour rayons X ; additif des aciers.
65 Tb Terbium du village d'Ytterby, Suède. Luminophores verts : lampes fluocompactes, écrans renforçateurs pour rayons X, TV ; lasers ; cryptates (voir Eu) ; Terfenol-D (Tb0,3Dy0,7Fe1,9) : magnétostriction, transducteurs.
66 Dy Dysprosium du Grec "dysprositos", difficile à obtenir. Aimants permanents ; lampes aux halogénures métalliques ; disques durs ; lasers ; Terfenol-D (voir Tb).
67 Ho Holmium de Stockholm (en Latin, "Holmia"). Lasers chirurgicaux infrarouges ; colorant rose des verres ; standard de calibration en spectrophotométrie ; Aimants permanents.
68 Er Erbium du village d'Ytterby, Suède. Lasers infrarouges (dentisterie) ; Amplificateurs à fibre ; colorant rose des verres et des céramiques.
69 Tm Thulium de la terre mythologique du Nord, Thulé. Luminophores bleus pour écrans renforçateurs de rayons X ; supraconducteurs haute température ; lasers YAG infrarouges ; 170Tm : curiethérapie, radiographie portable.
70 Yb Ytterbium du village d'Ytterby, Suède. Lasers proche infrarouge ; horloge atomique ; acier inoxydable ; 169Yb : radiographie portable.
71 Lu Lutécium de Lutèce, ancien nom de Paris. Détecteurs en tomographie par émission de positons ; tantalate LuTaO4 hôte de luminophores pour électrons et rayons X.

Les métaux non séparés des terres rares, ou mischmétal, ont des utilisations supplémentaires :

  • additifs des aciers (désoxydation, désulfuration)
  • catalyseurs de craquage des hydrocarbures.

Premières découvertes et appellation[modifier | modifier le code]

L'aventure débute en 1787, lorsqu'un minéralogiste amateur suédois, lieutenant d'artillerie de son état, Carl Axel Arrhenius, visite les carrières de feldspath d'Ytterby et y découvre un minéral noir qu'il nomme « ytterbite » : un nouvel oxyde est alors identifié qui prendra le nom d'yttria et yttrium pour l'élément qui lui correspond[8]. En 1803, le cérium est identifié indépendamment en Allemagne par Martin Heinrich Klaproth et en Suède par Jöns Jacob Berzelius et Wilhelm Hisinger[9].

Leur nom de terres rares vient du fait qu'on les a découverts à la fin du XVIIIe siècle et au début du XIXe siècle dans des minerais (d'où le nom de « terres », utilisé à l'époque en français, langue des échanges internationaux, pour les oxydes réfractaires au feu) peu courants à cette époque et à l'exploitation commerciale rendue compliquée par le fait que ces minerais étaient éparpillés et les terres difficiles à séparer les unes des autres : terres rares signifiait donc « minerais rares »[10]. Cependant, en raison de leurs propriétés géochimiques, ils sont répartis très inégalement à la surface de la Terre, le plus souvent en deçà des concentrations rendant leur exploitation minière économiquement viable.

Comme les terres rares ont des propriétés chimiques très voisines,on les trouve en mélange dans un même minerai et il est difficile de les séparer. Les techniques de séparation par cristallisation fractionnée sont développées par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran ou Georges Urbain au début du XIXe siècle[11]. La chimie des terres rares est depuis une tradition française : au niveau recherche, un laboratoire des terres rares est fondé par Urbain dans les années 1930 à l'ENSCP et repris par deux de ses anciens élèves Paul Job et Félix Trombe puis un deuxième laboratoire à l'ESPCI, repris et dirigé par un de ses élèves Georges Champetier ; au niveau industriel, l'usine de La Rochelle du groupe Rhodia fut la plus grande usine de séparation des terres rares[12].

Occurrence naturelle[modifier | modifier le code]

Minerais[modifier | modifier le code]

Deux minéraux représentent l'essentiel des réserves mondiales de terres rares :

Les autres ressources de terres rares exploitables sont :

  • l'apatite Ca5(PO4)3(F,Cl,OH),
  • la chéralite (Ca,Ce)(Th,Ce)(PO4)2,
  • l'eudialyte Na15Ca6(Fe,Mn)3Zr3SiO(O,OH,H2O)3(Si3O9)2(Si9O27)2(OH,Cl)2,
  • la loparite (Ce,Na,Ca)(Ti,Nb)O3,
  • les phosphorites 3Ca3(PO4)2·Ca(OH,F,Cl)2,
  • les argiles à terres rares (adsorption ionique),
  • la monazite secondaire,
  • les rejets de solutions d'uranium,
  • le xénotime.

Gisements et production[modifier | modifier le code]

Utilisées depuis longtemps dans les pierres à briquet (travaux de Carl Auer von Welsbach sur un alliage de terres rares, le mischmétal), les terres rares sont difficiles à extraire et doivent attendre le projet Manhattan pour être produites en grande quantité, le chimiste canadien Frank Spedding (en) mettant au point des techniques de séparation par échange d'ions sur résines qui permettent d’obtenir des terres rares à l’état pur[13].

En raison de leurs usages multiples, souvent dans des domaines de haute technologie revêtant une dimension stratégique, les terres rares font l'objet d'une communication restreinte de la part des États, de sorte que les statistiques macroéconomiques à leur sujet demeurent très lacunaires. Les réserves mondiales en oxydes de terres rares étaient estimées par l'USGS (USA) à 110 millions de tonnes fin 2010[14] détenues à 50 % par la Chine, devant la Communauté des États indépendants (17 %), les États-Unis (12 %) et l'Inde (2,8 %). La Chine estime quant à elle détenir seulement 30 % des réserves mondiales de terres rares, bien qu'elle fournisse 90 % des besoins de l'industrie et se penche sur les techniques de recyclage de ces terres rares dans les déchets électroniques[15]. La production mondiale d'oxydes de terres rares de la Chine s'est élevée à environ 130 000 tonnes en 2010, constituant un quasi-monopole mondial (l'Inde, deuxième producteur « déclaré », n'en aurait extrait que 2 700 tonnes), mais la production de la CEI, des États-Unis et de la plupart des autres producteurs mineurs (qui cumuleraient tout de même un cinquième des réserves mondiales) n'est pas communiquée[14].

Potentiel de réserve[modifier | modifier le code]

En juillet 2011, une équipe de scientifiques japonais indique avoir trouvé une nouvelle réserve de terres rares dans les eaux internationales du Pacifique[16]. Ce même groupe indique que cela peut porter le niveau réserve connue actuelle à environ 100 milliards de tonnes.

Cette même source indique que les réserves sont réparties sur 78 sites à des profondeurs de 3 500 à 6 000 mètres[17]. Même si cette découverte est intéressante étant donné la demande grandissante de ces matériaux, son extraction pose des problèmes environnementaux importants[18]. Une première expédition pour étudier les fonds marins de l'île Minamitori a été menée par la JAMSTEC (en) en juin 2012, et une seconde en janvier 2013[19]. Les chercheurs révèlent en mars que des échantillons de boues prélevés à 5 800 mètres de profondeur présentent une concentration de terres rares vingt à trente fois plus forte que dans les mines chinoises[20].

Hégémonie de la production chinoise[modifier | modifier le code]

Répartition de la production mondiale de terres rares de 1950 à 2000.

Jusqu'en 1948, la plupart des sources de terres rares provenait de dépôts de sable en Inde et au Brésil. Durant les années 1950, l'Afrique du Sud est devenu le principal producteur après la découverte d'immenses veines de terres rares (sous forme de monazite) à Steenkampskraal.

Du fait des conséquences environnementales secondaires à l'extraction et au raffinage des terres rares la plupart des exploitations ont été fermées en particulier dans les pays développés.

Depuis le début des années 2000, ces mines indiennes et brésiliennes produisent toujours quelques concentrés de terres rares, mais sont surpassées par la production chinoise qui assure, en 2010, 95 % de l'offre de terres rares[21]. Les États-Unis et l'Australie disposent de réserves importantes (15 et 5 % respectivement), mais ont cessé de les exploiter en raison des prix très concurrentiels de la Chine et des inquiétudes environnementales[22].

Cette prépondérance inquiète les pays occidentaux, qui cherchent à diversifier leur approvisionnement, d'autant plus que la Chine a annoncé le 1er septembre 2009 vouloir réduire ses quotas d'exportation à 35 000 tonnes par an (sur une production de 110 000 tonnes) dès 2010. L'argumentation justifiant cette décision porte sur la volonté de préserver des ressources rares et l'environnement. En effet, le ministère chinois du Commerce a récemment affirmé que les réserves de terres rares du pays avaient chuté de 37 % entre 1996 et 2003[23]. Mais ces mesures visent surtout à satisfaire sa demande interne, en forte croissance. De 2006 à 2010, la Chine a réduit ses quotas d'exportation de 5 % à 10 % par an, et la production a été limitée de peur que ses réserves ne s'épuisent d'ici quinze ans[22].

Toute la gamme des terres rares est extraite par la Chine principalement en Mongolie Intérieure comme par exemple le dépôt de Bayan Obo, dans le district minier de Baiyun. On trouve aussi des terres rares sur le plateau tibétain[24]. Les mines illégales sont répandues dans la campagne chinoise et souvent liées à des pollutions des eaux environnantes. La Chine annonce qu'elle réduira ses exportations et sa production de Terres rares de 10 % pour 2011 pour des « questions environnementales »[25]. Après une plainte déposée par l'Union Européenne, les États-Unis et le Mexique en fin 2009, l'OMC condamne le 7 juillet 2011 la Chine à mettre un terme aux quotas imposés pour les terres rares[26],[27].

Économies et diversification de l'approvisionnement depuis 2011[modifier | modifier le code]

La flambée des prix des terres rares en 2011 (par exemple le cours du dysprosium a été multiplié par 6, celui du terbium par 9)[28] et le quasi-monopole chinois a conduit plusieurs pays a relancer l'exploration. En 2011, c'est ainsi plus de 312 projets d'exploration de gisements de terres rares qui étaient recensés sur la planète, impliquant plus de 202 sociétés de tailles très diverses dans pas moins de 34 pays[29]. La réouverture de la mine sud-africaine est à l'étude[30]. Certains gisements canadiens (Hoidas Lake), vietnamiens, australiens et russes sont aussi en cours d'évaluation. En 2013, la société australienne Lynas ouvrira une mine en Malaisie, la plus importante de terres rares hors de Chine[28]. La mine californienne de Montaiss Pass a été rouverte après 10 ans de fermeture[28] et après des investissements de 1,25 milliard de dollars. À terme, ces deux sites devraient représenter 25 % de la production mondiale[28]. Cette flambée des prix a aussi conduit les pays consommateurs à mettre en place à un meilleur recyclage des produits manufacturés[28]. Le Japon mise ainsi fortement sur la récupération des terres rares[28] pour alimenter son industrie nationale. En France, Solvay a ouvert en 2012 près de Lyon une unité de récupération de 6 terres rares contenues dans les ampoules basse consommation usagées[28]. Les industriels ont également cherché à réduire la quantité de terres rares nécessaires à leur production. Dans les batteries de ses véhicules électriques par exemple, Nissan a réduit de 40 % la quantité nécessaire de dysprosium[28].

En 2012, la Chine n'a donc exporté que 12 000 tonnes de terres rares contre 70 000 tonnes en 2003[28].

Conséquences environnementales[modifier | modifier le code]

L'extraction et le raffinage des terres rares entraînent le rejet de nombreux éléments toxiques : métaux lourds, acide sulfurique ainsi que des éléments radioactifs (uranium et thorium). « Il faut injecter sept ou huit tonnes de sulfate d'ammonium dans le sol pour extraire une tonne d'oxyde, ces liquides toxiques vont résider longtemps et les conséquences seraient épouvantables si l'eau souterraine était polluée », a indiqué le vice-ministre de l'Industrie et des Technologies de l'information chinois Su Bo [31].

La radioactivité mesurée dans les villages de Mongolie-intérieure proches de l'exploitation de terres rares de Baotou est de 32 fois la normale (à Tchernobyl, elle est de 14 fois la normale). D'après la carte des villages du cancer en Chine, la mortalité par cancer est de 70 %[32]. Il s'agit de cancer du pancréas du poumon et de leucémies [33]. Des travaux menés en 2006 par les autorités locales ont montré que les niveaux de thorium dans le sol à Dalahai étaient 36 fois plus élevés que dans d'autres endroits à Baotou . Soixante-six villageois y ont succombé à un cancer entre 1993 et 2005 tandis que les rendements des récoltes chutaient, a indiqué le National Business Daily[34].

Les effluents toxiques sont stockés à Baotou dans un lac artificiel de 10 km³ dont les trop-pleins sont rejetés dans le fleuve Jaune[33].

Ces pollutions ont été dénoncées dans un rapport de Jamie Choi, alors responsable de Greenpeace Chine[34]. Ce rapport n'est plus accessible au grand public[35].

Santé environnementale[modifier | modifier le code]

Les effets écotoxicologiques et toxicologiques des formes solubles des terres rares ont été assez peu étudiées, mais selon les données disponibles[36] :

  • Quelques études ont néanmoins porté sur certaines terres rares proposées comme additifs d'alliages d'implants dégradables (chirurgie dentaire ou reconstructrice).
  • Il semble exister des organes-cibles[37]. Par exemple plus de 78 % des terres rares administrés par injection à des rats de laboratoire sont retrouvés dans leur foie (organe de détoxication), leurs os (parfois utilisés pour stocker des toxiques, tels que le plomb) et leur rate[37]. A dose élevées, Y, Eu, Dy administrés au rat sous forme de chlorure en injection ciblent surtout la rate et les poumons et affectent le taux de Ca dans le foie, la rate et les poumons. La cinétique de quelques terres rares et les variations temporelles de concentrations conjointes de Ca ont été étudiées par exemple pour Pr, Eu, Dy, Yb (à faible dose), et Y (dose élevée). Elles sont extraites du sang en 24 h, par le foie essentiellement (où après injection dans le sang les taux augmentent rapidement et fortement dans les 8 à 48 h suivantes pour ensuite décliner), mais sont retenues par divers organes durant une « longue période »[37].
    Le foie semble le mieux capter Y, Eu, Dy et Yb qui ensuite y diminuent sauf le Pr hépatique qui reste élevé[37].
    Les variations de concentrations de Ca dans le foie, la rate et les poumons sont « en accord » avec les variations des terres rares[37]. Une hépatotoxicité sévère a été observée après l'administration de Ce et Pr (avec jaunisse et un taux sérique élevé de GOT (ou ASAT) et GPT (ou ALAT) sont les plus élevés au "du Jour 3")[37].
    Du point de vue de leur hépatotoxicité et perturbation du Ca, les chlorures de terres rares semblent pouvoir être classés en trois groupes (léger, moyen, lourd) avec une toxicité variant selon leur rayon ionique et selon leur comportement et cinétique dans l'organisme[37].

Géographie économique[modifier | modifier le code]

Les terres rares sont un groupement de 17 éléments utilisés principalement dans les produits de haute technologie ainsi que dans les produits des nouvelles technologies vertes. Les principales concentrations de minerai de terres rares se trouvent en Chine (Mongolie-intérieure), aux États-Unis, en ex URSS.

Du fait de l'impact environnemental désastreux les exploitations de terres rares ont fermé partout hormis en Chine où les autorités se sont montrées un tant soit peu regardantes sur la pollution générée.

Depuis 2010, la Chine assure un quasi-monopole de la production de terres rares dans le monde. De plus, la Chine consomme plus de 50 % de sa propre production. Les autres pays consommateurs de terres rares sont le Japon, les États-Unis, l'Europe. Le 13 mars 2012, les États-Unis, l’Union européenne et le Japon ont déposé une plainte devant l’Organisation mondiale du commerce (OMC) du fait des limitations imposées par la Chine à l’exportation de 17 « terres rares »[38].

Pour faire face au monopole de la Chine, certains États reprennent leurs activités d'extraction, malgré les conséquences environnementales et les coûts élevés de leur production.

Pour asseoir son contrôle sur ces minéraux stratégiques, Pékin met en œuvre une politique industrielle de long terme[39], et s’emploie à bousculer le grand jeu géopolitique mondial[40]. En quelques décennies seulement, la Chine a pris le contrôle de l’industrie des terres rares.

L'impact de l'exploitation des terres rares sur l'environnement a maintenant des conséquences sociales majeures en Chine et le gouvernement essaye de mieux rentabiliser son monopole pour en équilibrer les effets néfastes et pour mettre en place les processus coûteux permettant de réduire l'impact environnemental. Pékin instaure des quotas sévères depuis 2005, et réduit ses exportations de 5 à 10 % par an. Officiellement, en Chine les bénéfices financiers liés à l'exploitation des terres rares ne couvrent pas le coût du désastre écologique: "Ce qui est frappant, c'est que ce chiffre a largement dépassé les bénéfices de l'extraction de terres rares. À la fin de 2011, les 51 entreprises du secteur de la province du Jiangxi ont réalisé un bénéfice de 6,4 milliards de yuans, occupant le premier rang du secteur national. Le bénéfice résulte pourtant de la multiplication par quatre du prix de vente de leurs produits au cours de ces dernières années. Et selon les rapports annuels du secteur des terres rares, les 13 entreprises cotées du secteur, dont l'Aciérie de Baotou, ont affiché en tout un bénéfice de 6,075 milliards de yuans en 2011, soit une multiplication par plus de deux du bénéfice de 2010 (2,438 milliards de yuans). Mais cela reste incomparable avec le coût nécessaire pour couvrir le traitement de la pollution sectorielle"[31].

En limitant les exportations de métaux rares, la Chine incite les plus gros consommateurs à prendre les devants. Toutefois, la stratégie générale reste le jeu d’alliances entre producteurs chinois et transformateurs occidentaux.

Enfin,la mise en service du parc éolien chinois planifié nécessite plus de néodyme que les réserves chinoises n'en disposent [41]. Dès lors, les plans de transition énergétiques dans le monde faisant une bonne part à l'éolien doivent être repensés.

Aujourd’hui, la problématique de restriction des terres rares inquiète au niveau des industries de la défense. La montée en puissance militaire de la Chine a mis en lumière l’erreur stratégique commise par les occidentaux[42].

Utilisation, recyclage[modifier | modifier le code]

Nombre de ces éléments possèdent des propriétés uniques qui les rendent utiles dans de nombreuses applications (voir ci-après) ; ainsi l'utilisation des terres rares s'est accrue depuis la fin du XXe siècle. En outre, les terres rares sont utilisées pour la croissance verte[43].

En 2012, des quotas chinois à l'exportation de terres rares menacent la fourniture d'industries de haute technologie en Europe ou Amérique (quotas dénoncés devant l'OMC qui doit se prononcer à ce sujet). Des entreprises se présentant comme issues du domaine des (éco-)technologies ayant besoin de scandium, d'yttrium et des lanthanides ont incité des industriels à ouvrir des unités de recyclage, dont en France avec Recylum afin de récupérer dans les lampes fluo compactes en fin de vie notamment du Lanthane, Cérium, et surtout de l'Yttrium, de l'Europium, du Terbium et du Gadolinium aujourd'hui précieux[44]. Pour cela Rhodia a ouvert une unité de récupération de poudre blanche de lampes à Saint Fons (69), ainsi qu'une unité de récupération/retraitement à La Rochelle (17)[44].

Aimants à forte puissance[modifier | modifier le code]

L'utilisation de néodyme accroit considérablement les capacités électromagnétiques des aimants. Les alternateurs des éoliennes à forte puissance contiennent jusqu'à 600 kg de néodyme.

Composants pour véhicules électriques et hybrides[modifier | modifier le code]

La probable croissance des véhicules électriques renforce l'intérêt pour certaines terres rares : composant d'accumulateurs de type NiMH (lanthane) et la fabrication d'aimants compacts pour les moteurs électriques synchrones dit « sans balais » (néodyme, dysprosium, samarium).

Alliages métalliques[modifier | modifier le code]

L'oxyde d'yttrium Y2O3 est utilisé dans les alliages métalliques pour renforcer leur résistance à la corrosion à haute température.

Colorants[modifier | modifier le code]

Les oxydes et sulfures de terres rares sont également utilisés comme pigments, en particulier pour le rouge (pour remplacer le sulfure de cadmium) et pour leurs propriétés fluorescentes, notamment dans les lampes à décharge (néons, ampoules fluocompactes), les « filets » des lampes à gaz de camping, comme photophores des écrans cathodiques ainsi que, récemment, comme dopant dans différents types de lasers.

Toutefois, une part importante de la production de terres rares est utilisée en mélange.

Le mélange des métaux de terres rares appelé mischmétal est généralement riche en terres cériques. Du fait de cette importante proportion de cérium, il est incorporé dans les alliages pour pierre à briquet. On l'utilise également comme catalyseur, pour le piégeage de l'hydrogène (réservoir).

Précautions[modifier | modifier le code]

Les utilisateurs professionnels encourent des risques. Voir la brochure de l'INRS sur ce sujet : INRS ND 1881.

Configuration électronique des atomes et des ions[modifier | modifier le code]

Étant donné un élément des terres rares la configuration électronique des couches internes de l'atome sera symbolisée par celles du gaz rare isoélectronique :

Configuration électronique des terres rares
Élément chimique Configuration Élément chimique Configuration Élément chimique Configuration
21Sc Scandium Ar 4s2 3d1 61Pm Prométhium Xe 6s2 4f5 67Ho Holmium Xe 6s2 4f11
39Y Yttrium Kr 5s2 4d1 62Sm Samarium Xe 6s2 4f6 68Er Erbium Xe 6s2 4f12
57La Lanthane Xe 6s2 5d1 63Eu Europium Xe 6s2 4f7 69Tm Thulium Xe 6s2 4f13
58Ce Cérium Xe 6s2 4f1 5d1 64Gd Gadolinium Xe 6s2 4f7 5d1 70Yb Ytterbium Xe 6s2 4f14
59Pr Praséodyme Xe 6s2 4f3 65Tb Terbium Xe 6s2 4f9 71Lu Lutécium Xe 6s2 4f14 5d1
60Nd Néodyme Xe 6s2 4f4 66Dy Dysprosium Xe 6s2 4f10

Si la règle de Klechkowski était respectée toutes les lanthanides auraient pour configuration électronique Xe 6s2 4fn avec 1 ≤ n ≤ 14 puisque la sous couche 4f est pleine avec 14 électrons, d'où 14 éléments.

  • En fait il y a 15 lanthanides car le lutécium = Xe 6s2 4f14 5d1 leur est rattaché à cause de propriétés chimiques similaires ; il est en même temps le troisième métal de transition de la colonne 3 du tableau périodique, sous le scandium et l'yttrium.
  • En début de série le lanthane = Xe 6s2 5d1 et le cérium = Xe 6s2 4f1 5d1 font exception à la règle de Klechkowski, ce qui indique que les électrons 5d et 4f ont alors des énergies très voisines. La troisième exception est le gadolinium Gd = Xe 6s2 4f7 5d1 et non Xe 6s2 4f8. Ceci est dû à la stabilité particulière des sous couches demi pleines, ici 4f7. Chez les métaux de transition le chrome Cr = Ar 4s1 3d5, et non Ar 4s2 3d4, présente un cas analogue avec sa sous couche 3d demi pleine. Ces exceptions n'ont pas de conséquence directe sur les propriétés chimiques car elles concernent les atomes et non les solides métalliques.

Pour donner des ions les métaux de transition perdent en priorité les électrons s de valence, et le cas échéant des électrons d. Ainsi le scandium et l'yttrium perdent leurs trois électrons externes pour former les ions Sc3+ = Ar et Y3+ = Kr. De même l'ion le plus stable de la lanthanide Ln est Ln3+ = Xe 6s2 4fn-1, où n est le nombre d'électrons 4f de l'atome (+ 1 électron 5d pour La, Ce et Gd). Quelques lanthanides donnent en plus des ions de charge +4 ou +2, moins stables dans l'eau que Ln3+ :

  • Le cérium donne l'ion Ce4+ isoélectronique de La3+ et de Xe.
  • L'europium et l'ytterbium donnent les ions respectifs Eu2+ = Xe 4f7 et Y2+ = Xe 4f14. Leur relative stabilité est due à la présence de sous couches 4f respectivement demi pleine (cf Gd) et pleine .

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Filmographie[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

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  23. Pékin joue de l'arme des terres rares, Le Figaro, 25 octobre 2010
  24. Pékin « rééduque » le Tibet, « Maîtresse du haut-plateau tibétain, l’armée chinoise y entretient d’immenses exploitations agricoles et de grands élevages, commercialise le bois, construit les routes à son gré, prospecte et exploite des gisements miniers : or, uranium, métaux non ferreux, terres rares. »
  25. « Le Monde, La Chine réduit ses exportations de terres rares pour début 2011 »
  26. Matières premières : défaite chinoise devant l'OMC, sur La Tribune
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  28. a, b, c, d, e, f, g, h et i "La bulle des terres rares n'en finit plus de se dégonfler", article de Pierrick Fay, Les Échos, 27 décembre 2012, page 20
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  30. Site web du "Great Western Minerals Group"
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  36. Charles E. Lambert, Lanthanide Series of Metals Encyclopedia of Toxicology (Second Edition), 2005, Pages 691-694 (extrait / 1ère page)
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1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés