1.Que sont les terres rares ?

Ce sont un groupement de 17 éléments qu'on utilise principalement dans des produits de haute technologie.

1.1. La centaine d'éléments chimiques que l'on trouve dans le tableau de Mendeleïev sont classés par numéro atomique croissant, c'est-à-dire en fonction du nombre d'électrons ou de protons qu'ils renferment.

Les éléments du numéro 57 au numéro 71, y compris les numéros 21 et 39, sont regroupés sous l'appellation "terres rares" et possèdent des propriétés physiques et chimiques similaires. On les appelle aussi les "lanthanides".

1.2. Ce sont le cérium (Ce), le néodyme (Nd), le lanthane (La), l'yttrium (Y), le scandium (Sc), le praséodyme (Pr), le samarium (Sm), le gadolinium (Gd), le dysprosium (Dy), l'erbium (Er), l'ytterbium (Yb), l'europium (Eu), l'holmium (Ho), le terbium (Tb), le lutétium (Lu), le thulium (Tm), le prométhium (Pm) qui est quant à lui un isotope radioactif produit lors de la désintégration de l'uranium.

Ces éléments sont classés ici par ordre de leur teneur dans l'écorce terrestre.

2. Où trouve-t-on les terres rares ?

Signalons de suite que les terres rares ne sont pas réellement "rares". Ainsi le cérium est plus abondant dans l'écorce terrestre que le cuivre, que le thulium, le plus rare cependant, est plus abondant que l'argent.

Tout d'abord on ne trouve pas ces éléments à l'état natif comme par exemple l'or ou le cuivre. Ils n'existent pas non plus combinés simplement avec un autre élément tels la pyrite, la galène, … .

On les trouve dispersées dans divers minerais sous forme d'oxydes, d'hydroxydes, de carbonates, de fluorures ou de nitrates.

2.1. Les principaux minerais dans lesquels on trouve un mélange de terres rares sont la monazite et la bastnaésite.

2.1.1. La monazite est un orthophosphate de terres rares et de thorium [(terres rares Th)PO₄]. Il en existe 4 variétés selon la teneur en terres rares : ce sont le cérium, le lanthane, le néodyme et le praséodyme.

On la trouve  dans les sables alluvionnaires du Brésil, au Sud de l'Inde, en Australie, Chine, Malaisie, Afrique du Sud, Sri Lanka, Thaïlande, Etats-Unis.

2.1.2 La bastnaésite est un fluorocarbonate de terres rares [(CeLaY)CO₃F]. Elle tire son nom de la localité type, la Bastnäs mine, Riddarhyttan, Västmanland, Suède.

On la trouve essentiellement en Chine et aux Etats-Unis.

En Chine à Bayan Obo en Mongolie intérieure : il s'agit du gisement le plus important au monde. Ses réserves sont estimées à 600 millions de tonnes de minerais contenant 34% de fer, 6% d'oxydes de terres rares, … ce qui produit environ 50.000 tonnes par an d'oxydes de terres rares.

Aux Etats-Unis, il s'agit de la mine de Mountain Pass, comté de San Bernardino, Californie.

2.2. D'autres minerais renferment des terres rares comme :

            la xénotime : orthophosphate d'yttrium, en Nouvelle-Zélande, Russie, Norvège

            la loparite : niobiotitanate de cérium, dans la péninsule de Kola en Russie

            la cérite : hydrosilicate d'oxydes de cérium, de lanthane et de dysprosium, en Suède

            la gadolinite : silicate hydraté d'yttrium, d'erbium, de cérium et de lanthane, en Suède,           Norvège

            l'orthite : silicate d'alumine contenant des oxydes de cérium et de lanthane, au Groenland

            la samarskite : mélange d'oxydes de fer, manganèse, yttrium, erbium, cérium, niobium et      tantale, en Oural, Caroline du Nord

            la thorvéitite : silicate d'yttrium et de scandium, en Norvège, Madagascar

            certaines argiles exploitées dans le SE de la Chine.

3. Utilisation des terres rares non séparées.

3.1. Traitement de la monazite.

Au début, exploitée dans les sables du Brésil, la monazite était transformée en mischmétal sous l'action d'acides, de la chaleur et d'électrolyses. Ce mischmétal était ensuite fondu et coulé en lingots.

Il est constitué d'environ 50% de cérium, de 25% de lanthane, de 17% de néodyme et de diverses quantités de praséodyme.

Mischmetall signifie en allemand métaux mélangés, nom proposé par Carl Auer von Welsbach, chimiste autrichien (1858 - 1929).

3.2. Utilisation du mischmétal ou de ses variantes.

- Un alliage de mischmétal et de 25 à 30% de fer sert à la fabrication de pierres à briquet. Les fines particules arrachées par abrasion s'enflamment à l'air.

- Ces terres rares servent à désoxyder et désulfurer l'acier.

- Elles entrent dans la composition des catalyseurs dans le craquage des produits pétroliers.

4. Utilisation des terres rares séparées en particulier du cérium.

4.1. Traitement de la bastnaésite.

La bastnaésite est traitée par calcination et l'action d'acides et de solvants. On parvient ainsi à isoler les oxydes de cérium et d'europium principalement.

4.2. Utilisation des oxydes de cérium.

- Polissage du verre optique (tubes de télévision, verres de lunettes, cristallerie) : à l'aide de poudre d'oxyde de cérium.

- Décoloration du verre : certaines impuretés colorantes du verre sont oxydées par l'oxyde de cérium combiné à l'oxyde de néodyme et d'erbium.

- Agent antibrunissement des verres : tubes de télévision, fenêtres, … ; le cérium peut piéger certains rayonnements colorant les verres.

- Pigment : le sulfure de cérium sert de pigment rouge pour les matières plastiques.

- Les manchons incandescents utilisés pour l'éclairage par le gaz de ville utilisent un mélange d'oxyde de cérium et d'oxyde de terbium.

- Pot catalytique des voitures : l'oxyde de cérium existe sous deux formes qui permettent une régulation de la combustion des hydrocarbures.

- Additif au diesel : un composé de cérium ajouté au diesel permet d'abaisser la température de combustion de 600° à 200° C et d'éliminer ainsi les fumées noires émises lors de la combustion.

5. Utilisation des terres rares séparées.

5.1. Traitement des minéraux.

La monazite, ou mieux la bastnaésite, est broyée, attaquée par la soude puis filtrée et lavée par l'acide nitrique. Cette solution est traitée dans des batteries d'extraction par divers solvants.

La pureté des éléments extraits dépasse largement les 99%.

5.2. Utilisation.

- Luminophore : la plupart des terres rares sont utilisées comme luminophore, c'est-à-dire qu'elles émettent de la lumière sous l'effet d'une excitation extérieure. L'europium est utilisé pour la protection des billets de banque.

- Catholuminescence : dans les téléviseurs LCD, la couleur rouge est obtenue à l'aide d'europium⁺⁺⁺, le bleu à l'aide d'europium⁺⁺, le vert à l'aide de terbium⁺⁺⁺.

- Radioluminescence : en radiographie, le rayonnement X est transformé en rayonnement bleu ou vert pour lesquels les émulsions photographiques sont plus sensibles et ce à l'aide de sels de terbium ou de thulium.

- Photostockage : une matrice contenant de l'europium peut émettre temporairement une lumière visible après irradiation.

- Fluorescence : les lampes fluocompactes renferment des oxydes d'yttrium, de cérium, de lanthane, d'europium et de terbium.

- Lasers : on utilise par exemple du néodyme.

- Magnétisme : la miniaturisation des aimants, le positionnement des têtes de lecture des disques durs a été rendu possible grâce aux alliages de samarium et de cobalt. Les moteurs des éoliennes renferment du néodyme et du praséodyme.

- Joaillerie : l'oxyde d'yttrium stabilise la zircone cubique qui est une imitation du diamant.

- Optique de précision : les oxydes de nombreuses terres rares peuvent colorer les verres d'optique de précision.

- Alliages métalliques : l'oxyde d'yttrium renforce la résistance des alliages métalliques à la corrosion à haute température.

6. Quelques chiffres.

Utilisation approximative des oxydes de terres rares dans le monde :

La Chine possède plus de 50% des réserves mondiales de terres rares, en utilise 90% pour son industrie et assure 95% de la production mondiale mais réduit de 5 à 10% depuis plusieurs années son exportation de terres rares.

7. Références.

- De très nombreux sites fournissent de précieuses informations sur les différents éléments constituant les terres rares, en particulier Wikipedia.

- Lithorama n° 3 de 2007.

Roger Jacquet