LANTHANE ET LANTHANIDES

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Le groupe des lanthanides est constitué par quinze éléments dans la classification périodique des éléments chimiques de Mendeleïev. Ils occupent dans ce tableau une position particulière, puisque tous sont paradoxalement réunis dans une même case, ce qui conduit à l'écriture d'une ligne supplémentaire, en dehors du tableau, tout comme pour le groupe des actinides. La famille commence par le lanthane, de numéro atomique 57, et se termine par le lutécium de numéro 71. Le tableau 1 présente quelques-unes de leurs caractéristiques physico-chimiques élémentaires. Deux autres éléments s'ajoutent à la famille : le scandium (Sc, no 21) et l'yttrium (Y, no 39), en raison des grandes analogies de leurs comportements chimiques. C'est pour cela que l'on préfère souvent utiliser le nom générique de terres rares, donné par les anciens chimistes, qui regroupe les lanthanides et ces deux éléments supplémentaires. Ce nom est historiquement associé à la difficulté que les chimistes avaient à les isoler sous une autre forme chimique que l'oxyde, très réfractaire (terre en ancienne chimie), l'épithète rare rappelant leur faible concentration dans les minerais, bien que l'abondance naturelle soit globalement plus importante que celle de l'argent ou l'or.

Terres rares : caractéristiques physico-chimiques

Tableau : Terres rares : caractéristiques physico-chimiques

Caractéristiques physico-chimiques des éléments des terres rares (d'après J. Flahaut, « Les Éléments des terres rares », Masson, 1969). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dans la suite de ce texte, nous utiliserons l'expression « terre rare » plutôt que « lanthanide » et le symbole Ln pour l'ensemble de ces éléments. Si leurs propriétés chimiques sont plutôt voisines, leurs propriétés physiques sont bien différentes, ce qui explique en grande partie la spécificité de leurs applications. Ils sont utilisés aussi bien pour des applications ne demandant que des puretés chimiques relatives que dans le domaine des technologies avancées, où la pureté et la conformation physique du composé constituent une part prépondérante de la performance.

La découverte des terres rares

La découverte de la famille des terres rares (tabl. 2) et plus encore la séparation des différents éléments représentèrent une grande aventure scientifique dans laquelle la patience, l'obstination et le savoir-faire du chimiste ont précédé la vision théorique des choses. L'épopée a duré cent soixante ans, avec de nombreux chercheurs célèbres ou moins connus, des bonheurs inégaux, et parfois des découvertes qui se sont révélées erronées ou incomplètes. On y retrouve également des querelles d'école, des batailles portant sur la paternité et le baptême des nouveaux éléments et dans lesquelles le nationalisme chauvin n'était pas absent.

Terres rares : découverte

Tableau : Terres rares : découverte

Étapes de la découverte des terres rares (d'après « Handbook of Chemistry and Physics », C.R.C. Press). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Pour suivre la généalogie de la famille, il convient de rappeler que les composés des terres rares trivalentes ont des coefficients de solubilité très voisins et que la technique de séparation reposait alors sur les cristallisations répétées de sels solubles alternant avec leur contraire, les précipitations fractionnées de composés peu solubles. Pour se forger une idée de ce travail de précision, on peut citer l'exemple de la découverte du lutécium en 1907 par Georges Urbain, après 15 000 cycles de cristallisations fractionnées. Chaque cycle représenta des dizaines de manipulations chimiques de dissolution, chauffage, précipitation, filtration, refroidissement, séchage, sans parler des flacons à étiqueter et à classer. Toutes proportions gardées, on peut penser que seul le décryptage en 2001 du génome humain s'en rapproche en matière de complexité.

L'aventure débuta en 1787, lorsqu'un minéralogiste amateur suédois, lieutenant d'artillerie de son état, Karl Arrhenius (homonyme du célèbre chimiste du milieu du xixe siècle), découvrit un nouveau minéral à Ytterby, petit village près de Stockholm (Suède). Du nom de ce village dériveront ceux d'une grande partie des éléments à venir. En 1792, Johan Gadolin, professeur à l'université de Turku (Finlande), sépara du minéral un dépôt noirâtre correspondant à un oxyde réfractaire. Ce composé reçut le nom d'yttria. Pendant la première partie du xixe siècle, Berzelius et ses élèves Klaproth et Vauquelin, chacun dans son pays, ne purent que confirmer cette découverte avec un changement de nom en gadolinite. Toutefois, d'un autre minéral, la cérite, fut extrait un mélange d'oxydes à partir duquel on isola et purifia rapidement le cérium, en raison de l'existence de composés stables de cet élément sous forme tétravalente. Sans le savoir, on notait déjà une différence – toute relative – entre les terres cériques du début de la série, plus légères, et les terres yttriques réunissant les éléments de la fin de la série, plus lourdes.

La seconde vague de découvertes fut lancée par Carl Mosander, élève et successeur de Berzelius. Dans un premier temps, en 1839, il sépara le résidu de la céria en deux composantes : le lanthane et le didyme, la racine grecque du nom de ce dernier laissant percevoir les soupçons de Mosander quant à une complexité non encore résolue. Puis, s'attaquant aux terres yttriques, il isola en 1843 l'yttrium et deux autres « terres » l'erbia et le terbia. Apparut alors une période confuse dans laquelle on ne sut pas bien qui était qui dans les nouveaux éléments. Ce fut également l'époque des premières caractérisations physico-chimiques. La nouvelle méthode spectroscopique de Kirchoff et Bunsen fut appliquée inconsidérément au début des années 1860, ce qui contribua à la floraison d'artéfacts ou d'erreurs d'interprétation, ainsi qu'à l'apparition de noms aujourd'hui oubliés. Plus tard, la méthode, dominée, permit de franchir une étape supplémentaire dans la précision de l'analyse et devint un guide indispensable au chimiste lors des processus de séparation. Les autres terres rares furent progressivement isolées et caractérisées, jusqu'au lutécium en 1907 (tabl. 2 et 3).

Terres rares : éléments

Tableau : Terres rares : éléments

Éléments des terres rares. 

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Avec le recul du temps, il faut avoir beaucoup de respect pour ces chercheurs qui travaillèrent dans l'inconnu. De plusieurs dizaines de kilogrammes de minerai initial, ils n'obtenaient en fin de course que quelques milligrammes d'un nouvel oxyde, pas vraiment pur selon les critères de l'analyse chimique moderne. Le dernier élément découvert fut le prométium, radioactif, pratiquement inexistant à l'état naturel. Longtemps soupçonné par les chimistes en raison d'un « trou » dans la régularité de l'évolution des masses atomiques de la série, il ne fut isolé qu'en 1947, comme sous-produit de fission de l'uranium.

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Terres rares : caractéristiques physico-chimiques

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Pour citer l’article

Concepcion CASCALES, Patrick MAESTRO, Pierre-Charles PORCHER, Regino SAEZ PUCHE, « LANTHANE ET LANTHANIDES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 29 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lanthane-et-lanthanides/