Les terres rares

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PROPRIÉTES PHYSIQUES[3] :

La structure microscopique des terres rares confère à ce groupe de métaux des propriétés physiques particulièrement intéressantes lesquelles :

Les terres rares sont des solides métalliques, la plupart gris-acier à l’état pur, sauf l’europium et l’ytterbium dont la couleur a une tendance jaune pâle.Les terres rares à l’état métallique non oxydé sont de densité croissante avec le numéro atomique, à l'exception de l'europium et de l'ytterbium. Les densités des lanthanides sous forme métallique sont comprises entre 5,24 (europium) et 9,84 (lutétium). Pour un ordre d’idée, les lanthanides sont tous plus denses que le titane (4,54), par exemple, mais moins denses que l’argent (10,5) ou le plomb (11,35). La densité moyenne des lanthanides est proche de celle du fer (7,87). L'yttrium est nettement moins dense, avec une densité de (4,47) très voisine de celle du titane. Les rayons atomiques sont assez proches pour tous les lanthanides, sauf pour l’europium et l’ytterbium qui ont un rayon atomique beaucoup plus grand, ce qui explique leur plus faible densité.Les lanthanides sont moyennement fusibles : leur température de fusion s'échelonne de 799 °C (cérium) à 1 663 °C (lutétium). Comme les densités, elles ont tendance à être croissantes avec le numéro atomique, à l'exception de l'europium et de l'ytterbium.at aussi les températures d'ébullition sont assez élevées (1 596 °C à 3 520 °C, à l'exception de l'ytterbium qui bout à 1 196 °C).

PROPRIÉTES CHIMIQUES [3] :

Les éléments des Terres Rares sont des métaux réducteurs, dans la nature et dans leurs minéraux primaires, les Terres Rares sont sous forme de cation trivalent (« trication »). Les rayons des trications des lanthanides décroissent progressivement au fur et à mesure que le numéro atomique s'accroit. Leur structure électronique permet préférentiellement la formation d’ions trivalents (notés de façon générique Ln3+) de configuration électronique [Xe] 4fn, n allant de 0 à 14.

Certains lanthanides s'oxydent aussi au degré +II (Eu, Sm, etc.) ou +IV (Ce, Pr, Tb).Ils ont une configuration électronique caractérisée par le remplissage progressif de la sous-couche 4f, passant de 0 électron 4f pour le lanthane à 14 électrons 4f pour le lutétium. Leurs configurations électroniques externes sont proches, et en particulier la configuration électronique externe de leur cation trivalent, ce qui leur confère des propriétés chimiques très voisines. Dans leurs minéraux et leurs gisements naturels, ils sont presque toujours associés, en proportions diverses, à l'exception du prométhium, dont il n'existe pas d'isotopes stables et qui n'existe qu'en quantité infime et de manière fugace dans la nature. Les Terres Rares s'oxydent plus ou moins rapidement à l'air à température ambiante, l’europium qui est s'oxyde rapidement ensuite le lanthane, le cérium, le praséodyme et le néodyme puis le samarium et enfin les Terres Rares lourdes (le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l’erbium, l’yttrium, l’holmium, le thulium, l’ytterbium et le lutécium) qui résistent mieux et peuvent garder leur éclat métallique plusieurs années.

PROPRIÉTES MAGNETIQUES :

Les propriétés magnétiques dépendent de caractéristiques quantiques, sont exceptionnelles : les électrons f, n’étant pas engagés dans des liaisons chimiques, sont libres pour participer au magnétisme. Elles permettent de fabriquer des alliages magnétiques qui sont ferromagnétiques. C’est notamment le cas du gadolinium, Cela a permis d’arriver à des alliages très efficaces qui jouent un rôle très important dans les technologies avancées, utilisées notamment pour les éoliennes, où l’on retrouve les alliages faits au néodyme dopés au dysprosium qui a une grande valeur.

PROPRIÉTES OPTIQUES :

En matière optique, les électrons 4f, que seules les terres rares possèdent, sont les seuls qui permettent d’ajuster finement les longueurs d’onde d’émission, et donc la couleur souhaitée, notamment pour les lasers et les télévisions. L’europium donne le rouge de la télévision couleur. Le néodyme, l’infrarouge pour les lasers de puissance. L’erbium donne le vert utilisé dans les télécommunications. L’yttrium dopé à l’europium sert pour les écrans de télévision. Les luminophores posent toutefois le problème de fabriquer les matériaux nécessaires à leur production.

SEPARATION DES TEES RARES :

Les quatorze terres rares ayant ces électrons (f) sont difficiles à séparer, car leur nombre d’électrons (f) a également un impact sur leurs propriétés physiques et leur intérêt industriel c’est pour cela la séparation des terres rares repose sur différentes techniques qui peuvent parfois être utilisées conjointement.

L’hydrométallurgie est l’une des techniques les plus intéressantes. La pyrométallurgie en est une autre, tandis que des procédés de chimie fine, extractive, séparative, peuvent être utilisés.

L’hydrométallurgie consiste à dissoudre les matériaux à traiter dans un milieu aqueux acide, puis à en extraire les éléments recherchés en utilisant des solvants. Il faut trouver un élément peu présent parmi beaucoup d’autres très largement majoritaires. L’hydrométallurgie est donc intéressante, sous réserve de faire attention, car l’extraction, comme le recyclage, peut être très polluante. Il faut donc des procédés dès le début responsables et permettant de minimiser l’impact sur l’environnement.

De manière plus précise, on utilise de l’eau chargée. Le minerai ou le broyat de matériaux à recycler est dissous dans l’acide ; on fait alors des opérations de chimie séparative. On utilise des solvants organiques chargés d’extraire ce que l’on cherche ou d’autres opérations de séparation, comme la précipitation ou l’extraction par les résines échangeuses d’ions. Ces techniques sont très sélectives.

On pourrait ainsi broyer un million de téléphones portables, puis faire de la chimie séparative. Ces opérations peuvent être faites en laboratoire, mais aussi en usine. La Chine dispose ainsi d’unités hydro-métallurgiques. Les volumes d’eau nécessaires peuvent être très importants et atteindre des millions de litres par heure dans le domaine minier (contre seulement des milliers de litres