Terres rares et lanthanides

Les terres rares sont au cœur de la plupart des technologies modernes : moteurs de voitures électriques, éoliennes, smartphones, écrans, fibres optiques, lasers, catalyseurs. Leur nom est trompeur : la plupart ne sont pas rares dans la croûte terrestre, mais elles sont dispersées et très difficiles à séparer les unes des autres. Leur production, dominée par la Chine, est devenue un enjeu géopolitique.

La liste des terres rares

Les lanthanides, une famille à part

Dans le tableau périodique, les lanthanides sont placés sur une ligne séparée, sous le tableau principal, avec les actinides. En passant du lanthane au lutécium, les électrons supplémentaires remplissent une sous-couche interne, dite 4f, protégée par les couches externes. Les électrons externes restant presque identiques, les lanthanides ont des propriétés chimiques très proches : tous forment surtout des ions trivalents (charge +3).

Leur rayon diminue régulièrement le long de la série : c’est la contraction des lanthanides, qui influence aussi les propriétés des éléments suivants, comme l’or et le platine.

Leurs électrons 4f leur donnent en revanche des propriétés magnétiques et optiques exceptionnelles : raies d’émission très fines (couleurs pures des écrans, lasers), fort magnétisme (aimants). On distingue les terres rares légères (lanthane à europium environ), plus abondantes, et les terres rares lourdes (gadolinium à lutécium, avec l’yttrium), plus rares et plus chères.

Rares ou pas ?

Le cérium est à peu près aussi abondant dans la croûte terrestre que le cuivre ; même le thulium, l’un des moins abondants, est plus courant que l’argent ou l’iode. Mais les gisements où elles sont suffisamment concentrées pour être exploitées sont peu nombreux. Le seul élément vraiment rare est le prométhium, radioactif, dont il n’existe que des traces naturelles infimes.

Minerais et gisements

Les principaux minerais sont la bastnäsite (fluorocarbonate), la monazite (phosphate, souvent associée au thorium radioactif) et les argiles ioniques du sud de la Chine, riches en terres rares lourdes. Les grands gisements sont ceux de Bayan Obo en Mongolie-Intérieure, le plus grand du monde, de Mountain Pass en Californie, de Mount Weld en Australie, ainsi que des gisements en Birmanie, en Russie, au Brésil et au Groenland. En 2023, un gisement important a été annoncé à Kiruna, en Suède.

Production et enjeux

La Chine assure environ 70 % de l’extraction mondiale et près de 90 % de la séparation et du raffinage, ainsi que la majorité de la production d’aimants. Cette position s’est construite à partir des années 1980-1990, avec des coûts bas et des normes environnementales peu contraignantes. En 2010, des restrictions chinoises d’exportation ont fait flamber les prix et révélé la dépendance des autres pays, qui cherchent depuis à relancer mines et usines de séparation. L’usine de Solvay à La Rochelle est l’un des rares sites de séparation en Europe.

L’extraction et la séparation, qui nécessitent des centaines d’étapes d’extraction liquide-liquide, produisent de grandes quantités d’effluents acides et parfois de déchets radioactifs liés au thorium et à l’uranium associés. Le recyclage des aimants et des écrans reste marginal.

Usages principaux

• Aimants permanents (néodyme, praséodyme, dysprosium, terbium, samarium) : une part majeure du marché en volume et la plus grande en valeur. Ils équipent les moteurs de véhicules électriques, les éoliennes en mer à entraînement direct, les disques durs et les haut-parleurs (voir néodyme et énergies renouvelables).
• Catalyseurs (lanthane, cérium) : raffinage du pétrole, pots catalytiques.
• Polissage et verres (cérium, lanthane) : écrans, lentilles, verres optiques.
• Luminophores (europium, terbium, yttrium) : écrans, LED blanches, lampes fluocompactes.
• Lasers et optique (néodyme, erbium, ytterbium, holmium) : télécommunications, chirurgie, industrie.
• Médecine : gadolinium pour l’IRM, lutécium 177 en radiothérapie interne.

Toxicité

Les terres rares sont considérées comme peu toxiques. Les sels de gadolinium libres sont toxiques, d’où leur administration sous forme de complexes très stables, éliminés par les reins ; leur usage est encadré chez l’insuffisant rénal. Les risques principaux sont environnementaux et concernent les sites d’extraction.

Histoire

En 1787, le lieutenant suédois Carl Axel Arrhenius découvre un minéral noir inhabituel dans une carrière près du village d'Ytterby, près de Stockholm. En 1794, le chimiste finlandais Johan Gadolin en extrait une nouvelle « terre », l’yttria. Pendant plus d’un siècle, les chimistes découvrent que cette terre et la cérine contiennent en réalité une dizaine d’éléments mêlés, très difficiles à séparer. Quatre éléments doivent leur nom au village d’Ytterby : yttrium, terbium, erbium, ytterbium. Le gadolinium honore Gadolin, et le holmium (Stockholm), le thulium (Thulé, Scandinavie) et le lutécium (Lutèce, Paris) célèbrent des lieux. La série est complétée en 1945 par l’identification du prométhium dans les produits de fission de l’uranium.

Questions fréquentes

Pourquoi les appelle-t-on « terres rares » ?

Au XVIIIᵉ siècle, « terre » désignait un oxyde, et ces oxydes étaient extraits de minéraux alors jugés rares. Le nom est resté, bien qu’ils ne soient pas particulièrement rares.

Les voitures électriques ont-elles toutes besoin de terres rares ?

La plupart des moteurs à aimants permanents en contiennent. Certains constructeurs utilisent des moteurs à induction ou à rotor bobiné qui s’en passent. Les batteries lithium-ion, elles, n’en contiennent pas.

Les terres rares sont-elles des métaux ?

Oui : ce sont tous des métaux, argentés, assez mous et réactifs, qui se ternissent à l’air.