Les terres rares, désignées par l'acronyme REE (pour l'anglais ), sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium Sc, l'yttrium Y et les quinze lanthanides.
Ces métaux, contrairement à ce que suggère leur appellation, sont assez répandus dans la croûte terrestre, à l'égal de certains métaux usuels. L'abondance dans la croûte terrestre du cérium ( le plus abondant avec ) surpasse ainsi celle de plusieurs métaux communs comme le cuivre (), le cobalt () ou le plomb (), l'étain (), l'argent () et l'or () étant, eux, bien plus rares.. Le néodyme (, utilisé dans les aimants), le lanthane () et l'yttrium () sont également relativement abondants, alors que l'abondance du thulium et du lutécium n'est que de . La qualification de « rares » tient au fait que ces éléments sont rarement concentrés dans des gisements exploitables à faible coût, à l'inverse du plomb, par exemple, dont une large proportion est rassemblée dans des roches riches en minéraux du plomb comme la galène.
Sous forme élémentaire, les terres rares ont un aspect métallique et sont assez tendres, malléables et ductiles. Ces éléments sont chimiquement assez réactifs, surtout à des températures élevées ou lorsqu'ils sont finement divisés.
Leurs propriétés électromagnétiques proviennent de leur configuration électronique avec remplissage progressif de la sous-couche 4f, à l'origine du phénomène appelé contraction des lanthanides.
Il faut attendre le projet Manhattan, dans les , pour que les terres rares soient purifiées à un niveau industriel, et les pour que l’une d'elles, l'yttrium, trouve une application de masse dans la fabrication de luminophores des tubes cathodiques utilisés dans la télévision couleur. Du point de vue de l'économie mondiale, les terres rares font désormais partie des matières premières stratégiques. La Chine dispose de 37 % des réserves mondiales et assure 60 % de la production mondiale en 2021, suivie par les États-Unis (15 %).
Liste, étymologie et utilisations Le tableau suivant donne le numéro atomique, le symbole, le nom, l'étymologie et des utilisations des rares.
Le nom d'une terre rare dérive selon le cas : du nom de lieu de la découverte (Ytterby, Suède) ; du nom d'un découvreur (Johan Gadolin, Vassili Samarski-Bykhovets) ; de la mythologie (Cérès, Prométhée, Thulé) ; des circonstances de la découverte (voir La, Pr, Nd, Dy).
Les métaux non séparés des terres rares, ou mischmétal, ont des utilisations supplémentaires : pierres à briquet (ferrocérium) ; additifs des aciers (désoxydation, désulfuration) ; catalyseurs de craquage des hydrocarbures.
ZSymboleNomÉtymologieUtilisationsAlain Lévêque et Patrick Maestro, Techniques de l'ingénieur, Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique, Terres rares, réf. J6630, 1993..C. R. Hammond, Section 4; The Elements, dans CRC Handbook of Chemistry and Physics, (Internet Version 2009), David R. Lide, éd., CRC Press/Taylor & Francis, Boca Raton, FL..21ScScandiumDu latin Scandia (la Scandinavie).Alliages légers aluminium-scandium : aéronautique militaire ; additif (ScI) dans les lampes aux halogénures métalliques ; Sc : traceur radioactif dans les raffineries.39YYttriumDu village d'Ytterby, en Suède, où le premier minéral de terre rare a été découvert.Lasers : grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG) dopé aux lanthanides (Nd, Ho, Er, Tm, Yb) ; vanadate YVO dopé avec Eu : luminophores rouges (TV), dopé avec Nd : lasers, dopé avec Ce3+ : LED GaN ; ampoules fluocompactes ; oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium (YBCO) : supraconducteurs à haute température ; zircone cubique stabilisée par l'yttrium (YSZ) : céramiques conductrices réfractaires ; grenat de fer et d'yttrium (YIG) : filtres micro-onde ; bougies d'allumage ; Y : traitement du cancer.57LaLanthaneDu grec , « être caché ».Batteries nickel-métal hydrure ; verres d'indice de réfraction élevé et de faible dispersion ; laser (YLaF) ; verres fluorés ; stockage de l'hydrogène.58CeCériumDe la planète naine Cérès, nommée d'après la déesse romaine de l'agriculture.Agent chimique oxydant ; poudre de polissage du verre () ; colorant jaune des verres et des céramiques ; décoloration du verre ; catalyseurs : revêtements de four auto-nettoyants, craquage des hydrocarbures, pots d'échappement ; YAG dopé au Ce : luminophore jaune vert pour les diodes électroluminescentes ; manchons à incandescence.59PrPraséodymeDu grec , « vert pâle », et , « double, jumeau ».Aimants permanents (allié à Nd) ; amplificateurs à fibre ; colorants des verres (vert) et des céramiques (jaune) ; lunettes de soudeur (allié à Nd).60NdNéodymeDu grec , « nouveau » et , « double, jumeau ».Aimants permanents (éoliennes, petites centrales hydrauliques, voitures hybrides) ; lasers YAG ; colorant violet des verres et des céramiques ; condensateurs céramique ; lunettes de soudeur (allié à Pr).61PmProméthiumDu Titan Prométhée, qui apporta le feu aux mortels. Applications potentielles de Pm : peintures luminescentes, batteries nucléaires, source d'énergie pour sonde spatiale.62SmSamariumDe l'ingénieur russe des mines Vassili Samarsky-Bykhovets.Aimants permanents (SmCo) ; lasers à rayons XGreg Tallents, X-Ray lasers GL/L11809, University of York, Physics. ; catalyseurs ; capture neutronique ; masers ; Sm : radiothérapie.63EuEuropiumDu continent Europe.Luminophores rouges (Eu3+) et bleus (Eu2+) : lampes fluocompactes, écrans renforçateurs pour rayons X, TV ; lasers ; cryptates : sondes biologiques par transfert d'énergie entre molécules fluorescentes ; barres de contrôle (réacteurs nucléaires).64GdGadoliniumDe Johan Gadolin, découvreur de l'yttrium en 1794.Lasers ; capture neutronique : réacteurs nucléaires ; agent de contraste en IRM. ; luminophores verts ; écrans renforçateurs pour rayons X ; additif des aciers.65TbTerbiumDu village d'Ytterby, Suède.Luminophores verts : lampes fluocompactes, écrans renforçateurs pour rayons X, TV ; lasers ; cryptates (voir Eu) ; Terfenol-D (Tb0,3Dy0,7Fe1,9) : magnétostriction, transducteurs.66DyDysprosiumDu grec , « d'un abord difficile ».Aimants permanents ; lampes aux halogénures métalliques ; disques durs ; lasers ; Terfenol-D (voir Tb).67HoHolmium Du latin Holmia (forme latinisée de Stockholm).Lasers chirurgicaux infrarouges ; colorant rose des verres ; standard de calibration en spectrophotométrie ; aimants permanents.68ErErbiumDu village d'Ytterby (Suède).Lasers infrarouges (dentisterie) ; amplificateurs à fibre ; colorant rose des verres et des céramiques.69TmThuliumDe la terre mythologique du Nord, Thulé.Luminophores bleus pour écrans renforçateurs pour rayons X ; supraconducteurs haute température ; lasers YAG infrarouges ; Tm : curiethérapie, radiographie portable.70YbYtterbiumDu village d'Ytterby (Suède).Lasers proche infrarouge ; horloge atomique ; acier inoxydable ; Yb : radiographie portable.71LuLutéciumDe Lutèce (ancien nom de Paris).Détecteurs en tomographie par émission de positons ; tantalate LuTaO hôte de luminophores pour électrons et rayons X.
Premières découvertes et appellation
L'aventure débute en 1787, lorsqu'un minéralogiste amateur suédois, lieutenant d'artillerie de son état, Carl Axel Arrhenius, visite les carrières de feldspath d'Ytterby et y découvre un minéral noir qu'il nomme : un nouvel oxyde est alors identifié qui prendra le nom dyttria et yttrium pour l'élément qui lui correspond.. En 1803, le cérium est identifié indépendamment en Allemagne par Martin Heinrich Klaproth et en Suède par Jöns Jacob Berzelius et Wilhelm Hisinger..
Leur nom de terres rares vient du fait qu'on les a découverts à la fin du et au début du dans des minerais (d'où le nom de « terres », utilisé à l'époque en français, langue des échanges internationaux, pour les oxydes réfractaires au feu) peu courants à cette époque et à l'exploitation commerciale rendue compliquée par le fait que ces minerais étaient éparpillés et les terres difficiles à séparer les unes des autres : « terres rares » signifiait donc « minerais rares ».. Cependant, en raison de leurs propriétés géochimiques, ils sont répartis très inégalement à la surface de la Terre, le plus souvent en deçà des concentrations rendant leur exploitation minière économiquement viable.
Comme les terres rares ont des propriétés chimiques très voisines, on les trouve en mélange dans un même minerai et il est difficile de les séparer. Les techniques de séparation par cristallisation fractionnée sont développées par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran ou Georges Urbain au début du .. La chimie des terres rares est depuis une tradition française : au niveau de la recherche, un laboratoire des terres rares est fondé par Urbain dans les à l'École nationale supérieure de chimie de Paris et repris par deux de ses anciens élèves, Paul Job et Félix Trombe, puis un deuxième laboratoire à l'École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris, repris et dirigé par un de ses élèves Georges Champetier ; au niveau industriel, l'usine de La Rochelle du groupe Rhodia fut la plus grande usine de séparation des terres rares..
La Société des produits chimiques des terres rares est fondée en 1919 par Georges Urbain avec le soutien financier du groupe Worms ; elle installe une usine de traitement de monazite à Serquigny (France)Archives, Worms & Cie.. Cette usine est détruite par les bombardements lors de la Seconde Guerre mondialeJean-Marie Michel, Contribution à l'histoire industrielle des polymères en France , Société chimique de France.. En 1948, la Société des terres rares installe un établissement à La Rochelle qui devient ensuite l'usine Rhodia-Terres raresJean Roquecave, Rhodia à La Rochelle : numéro 1 mondial , L'Actualité Poitou-Charentes, , avril 1999.. La société des terres rares fabrique du nitrate de thorium dans les Site de Serquigny , Inventaire national des matières et déchets radioactifs (voir archive).. Dans le cadre de l'opération Alsos, les équipes de Samuel Goudsmit perquisitionnent les locaux de la Société des Terres Rares à Paris où ils trouvent des documents attestant du transfert de thorium vers l'Allemagne David Irving, « „So groß wie eine Ananas …“ », Der Spiegel, 26 juin 1967.. Depuis les , les terres rares sont d'usage courant dans l'industrie.. Jusqu'aux , Rhône-Poulenc purifiait (extraction liquide-liquide) la moitié des terres rares produites dans le monde, mais il a délocalisé en Chine les processus de purification les plus polluants, alors réalisés près de La RochelleTerres rares : la Chine encourage la consolidation du secteur pour asseoir sa domination mondiale, Les Échos, 22 décembre 2021..
Occurrence naturelle Minéraux Deux minéraux représentent l'essentiel des réserves mondiales de terres rares : la bastnäsite , essentiellement en Chine et aux États-Unis ; la monazite, essentiellement en Australie, au Brésil, en Chine, en Inde, en Malaisie, en Afrique du Sud, au Sri Lanka, en Thaïlande et aux États-Unis, déclinée en quatre variétés selon leur composition chimique (les éléments indiqués entre parenthèses sont les plus abondants par concentration décroissante) : « monazite-Ce » ; « monazite-La » ; « monazite-Nd » ; « monazite-Pr » .
Les minéraux suivants en contiennent parfois assez comme éléments mineurs ou dans des minerais associés : l'apatite ; la ; l'eudialyte ; la loparite ; les phosphorites ; le xénotime ; la thorite ; les argiles à terres rares (adsorption ionique) ; la monazite secondaire ; les rejets de solutions d'uranium.
Gisements et production