Qu’est-ce que les terres rares, ces éléments essentiels dans la technologie moderne ‘

Stanley Mertzman, un géologue spécialisé dans l’analyse aux rayons X des roches et des minéraux pour déterminer leur composition chimique et qui enseigne la minéralogie au Franklin and Marshall College, explique davantage les terres rares, des éléments peu connus et fascinants ainsi que leur importance dans l’électronique moderne.

1. Qu’est-ce que les éléments de terres rares ?

Strictement parlant, ce sont des éléments comme les autres sur le tableau périodique tels que le carbone, l’hydrogène et l’oxygène, avec des numéros atomiques allant de 57 à 71. On les regroupe parfois avec deux autres propriétés similaires, mais il y a 15 principaux éléments de terres rares.¹ Pour fabriquer le premier, le lanthane, commencez par un atome de baryum et ajoutez un proton et un électron. Chaque élément de terres rares successif ajoute un proton de plus et un électron de plus.

Un diagramme électronique d’un élément de baryum, le dernier élément avant le lanthane, le premier élément de terres rares – Crédit : Greg Robson et Pumbaa, CC BY-SA

Il est important de noter qu’il existe 15 éléments de terres rares : les étudiants en chimie se souviennent que lorsque des électrons sont ajoutés à un atome, ils se rassemblent en groupes ou en couches, appelées orbitales, qui sont des cercles concentriques autour du centre du noyau.²

Un diagramme électronique d’un atome de lanthane, avec un électron de plus dans sa cinquième orbitale que le baryum – Crédit : Greg Robson et Pumbaa, CC BY-SA

Le cercle le plus interne de tout atome peut contenir deux électrons et le fait ajouter un troisième électron signifie en ajouter un dans le deuxième cercle cible. C’est là que vont les 7 électrons suivants, ensuite les électrons doivent aller au troisième cercle cible, qui peut contenir 18. Les 18 électrons suivants entrent dans le quatrième cercle cible.

Ensuite, les choses commencent à devenir un peu bizarres. Bien qu’il y ait encore de la place pour les électrons dans le quatrième cercle cible, les huit électrons suivants entrent dans le cinquième cercle cible. Et malgré plus d’espace au cinquième, les deux électrons suivants entrent ensuite dans le sixième cercle cible.

Le cérium a un électron de plus dans sa cinquième orbitale et un de plus dans son quatrième que le baryum – Crédit : Greg Robson et Pumbaa, CC BY-SA

C’est à ce moment-là que l’atome devient baryum, avec le numéro atomique 56 et que les espaces vides des cercles cibles antérieurs commencent à se remplir. Ajouter un électron supplémentaire, pour faire le lanthane, le premier de la série des éléments des terres rares, place cet électron dans le cinquième cercle.^3 4 Ajouter un autre, pour faire du cérium, avec le numéro atomique 58, ajoute un électron au quatrième cercle. Faire le prochain élément, le praséodyme, déplace en réalité le nouvel électron du cinquième cercle vers le quatrième et en ajoute un de plus. De là, des électrons supplémentaires remplissent le quatrième cercle.⁵

Dans tous les éléments, les électrons dans le cercle le plus externe influencent largement les propriétés chimiques de l’élément. Étant donné que les terres rares ont des configurations électroniques ultrapériphériques identiques, leurs propriétés sont assez similaires.⁶

2. Les terres rares sont-elles vraiment rares ?

Non, ils sont beaucoup plus abondants dans la croûte terrestre que de nombreux autres éléments précieux. Même la terre rare la plus rare, le thulium, avec le numéro atomique 69, est 125 fois plus commun que l’or.⁷ Et la terre rare la moins rare, le cérium, avec le numéro atomique 58, est 15 000 fois plus abondante que l’or.

Mais ils sont rares dans un sens. Les minéralogistes utiliseraient le terme de “dispersés”, ce qui signifie qu’ils sont généralement dispersés à travers la planète à des concentrations relativement faibles. On trouve souvent des terres rares dans des roches ignées rares appelées carbonatites, rien de plus commun que le basalte d’Hawaï ou d’Islande, ou l’andésite du mont St. Helens ou du volcan Fuego du Guatemala.⁸

Le thulium, le plus rare des éléments des terres rares – Crédit : CC BY Jurii

Il y a quelques régions qui ont beaucoup de terres rares et elles sont principalement en Chine, qui produit plus de 80 % du total mondial annuel de 130 000 tonnes.⁹ L’Australie compte également quelques régions tout comme d’autres pays. Les États-Unis ont quelques zones avec beaucoup de terres rares, mais la dernière source américaine, la Mountain Pass Quarry de Californie, a été fermée en 2015.¹⁰

3. S’ils ne sont pas rares, sont-ils très chers ?

Oui, ils sont très chers. En 2018, le coût d’un oxyde de néodyme, le numéro atomique 60, est de 107 000 dollars par tonne métrique.¹¹ Le prix devrait atteindre 150 000 dollars d’ici 2025. L’Europium coûte encore plus cher, environ 712 000 dollars par tonne.¹² L’une des raisons est que les éléments des terres rares peuvent être chimiquement difficiles à séparer les uns des autres pour obtenir une substance pure.¹³

4. À quoi servent les éléments de terres rares ?

Au cours de la dernière moitié du 20e siècle, l’europium, avec le numéro atomique 63, a été largement sollicité pour son rôle de phosphore producteur de couleur sur les écrans vidéo incluant les écrans d’ordinateur et les télévisions à plasma.^14 15 Il est également utile pour absorber les neutrons dans les barres de contrôle des réacteurs nucléaires.

Un cube de petits aimants au néodyme – Crédit : XRDoDRX, CC BY-SA

D’autres terres rares sont également couramment utilisées dans les appareils électroniques modernes.¹⁶ Le néodyme, avec le numéro atomique 60, par exemple, est un puissant aimant, utile dans les smartphones, les téléviseurs, les lasers, les piles rechargeables et les disques durs.¹⁷ Une prochaine version du moteur de voiture électrique de Tesla devrait également utiliser du néodyme.¹⁸

La demande de terres rares a augmenté régulièrement depuis le milieu du 20e siècle et il n’y a pas d’alternatives pour les remplacer.⁹ Les éléments de terres rares sont essentiels dans une société moderne basée sur la technologie et ils sont difficiles à miner et à utiliser. Donc, on peut dire que la bataille des taxes douanières risque de mettre les États-Unis dans une position très difficile, transformant le pays et les terres rares en pions dans ce jeu d’échecs économique.

Traduction d’un article de The Conversation.

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