Terbium

Le terbium, élément atomique n°65 de symbole Tb : ses propriétés, ses isotopes, usages et historiques.

Première découverte

Le lieutenant Carl Axel Arrhenius a découvert une roche appelée « ytterbite » en 1787. Par la suite, celle-ci a été baptisée « gadolinite » en l’honneur du chimiste finlandais Johan Gadolin. Ce dernier a mené des travaux plus poussés en 1789 qui ont abouti à l’identification d’un oxyde. Anders Gustaf Ekeberg confirme la véracité de ces résultats en 1797. La nouvelle terre est alors baptisée « yttria ».

Au fil des années, les chercheurs et les chimistes ont développé des techniques de cristallisation fractionnée plus performantes. Le suédois Carl Gustav Mosander les a utilisées au cours de ses nombreuses recherches dans les années 1840. Il a découvert diverses terres rares telles que le didyme, le lanthane et le cérium. Il pensait que l’yttria résulte du mélange de plusieurs éléments. En se penchant sur la question, il met à jour l’yttrium, un minerai blanc à l’origine des sels incolores.

Durant les différents procédés en laboratoire, Mosander découvrit aussi l’odinium, une terre jaune donnant des sels roses. Le nom choisi rend hommage au dieu Odin de la mythologie nordique. Le chimiste suédois a effectué des recherches supplémentaires en 1843 avant de rendre publiques ses découvertes. Celles-ci consistaient à fractionner les oxalates, permettant de mettre au jour un troisième oxyde. De couleur rose, il reçoit le nom de terbine.

Controverses et confusions

En 1860, des scientifiques ont remis en question les études effectuées par Mosander. Nils Johan Berlin, un chimiste et minéralogiste suédois, en faisait partie. Ses travaux ont permis d’identifier deux oxydes : l’yttrium et l’erbine. En revanche, il n’est pas parvenu à isoler la terbine. Friedrich Otto Popp a refait les mêmes expériences en 1864 à Göttingen. Marc Delafontaine a aussi procédé à de minutieuses recherches sur le sujet à Genève. Les conclusions des deux chimistes ont été contradictoires.

Popp confirme la présence de l’yttrium. En revanche, il prétend que le cérium et le didyme sont des oxydes déjà connus. De son côté, Delafontaine valide les résultats trouvés par Mosander.

Face à cette situation, Robert Bunsen et son assistant Johan Bahr reprirent le procédé de fractionnement en 1866. Ils ont mené leurs recherches à l’Université d’Heidelberg en isolant les sels d’yttrium et d’erbium. Le spectre d’absorption de ceux-ci était différent de celui du didyme.

Tous ces travaux ont donné lieu à une grande confusion. Les noms donnés par Mosander ont même été intervertis. Malgré les preuves détenues par Delafontaine, le terbium est supprimé de la première version du tableau périodique des éléments. Celui-ci a été mis au point en 1869 par Dimitri Mendeleïev.

En 1872, les Suédois Otto Magnus Höglund et Per Teodor Cleve ont tenté de vérifier les affirmations de Delafontaine. Cependant, ils ne sont pas arrivés à isoler d’autres oxydes à part l’erbium. Il a fallu attendre les recherches faites par l’astronome américain Charles Augustus Young pour démontrer la présence du terbium dans le spectre solaire.

Confirmations

Delafontaine poursuivit ses recherches jusqu’à retrouver la trace du minerai dans la samarskite. Il a envisagé de le baptiser « mosandrium » pour rendre hommage à Mosander. Finalement, il a conservé le nom « terbine » après qu’il s’est concerté avec son compatriote Jean Charles Galissard de Marignac.

Ce dernier a réalisé des travaux de fractionnement sur la gadolinite en 1878 et il est parvenu à isoler l’erbine jaune. L’Américain John Lawrence Smith a également découvert la terre jaune dans la samarskite. Il lui a attribué le nom de « mosandrum ». Ces différentes recherches ont provoqué une dispute entre les trois scientifiques. La publication du chimiste britannique Henry Enfield Roscoe en 1882 a permis de ratifier ces découvertes de manière définitive.

Caractéristiques du terbium

Comme toutes les lanthanides, le terbium est un métal ductile et malléable qui peut être coupé avec un couteau. Il existe sous deux formes allotropiques et change de phase à une température de 1 289 °C.

Isotopes

Le terbium est un élément mononucléidique et monoisotopique dans la nature, avec un seul isotope stable, le ¹⁵⁹Tb. Cependant, il existe 36 radioisotopes synthétiques de ce minerai qui ont été caractérisés, allant du terbium 135 au terbium 171. Parmi eux, les plus stables sont le terbium 158, qui a une demi-vie de 180 ans, et le terbium 157 avec une demi-vie de 71 ans. Deux principaux modes de fragmentation sont utilisés sur ces radioisotopes : la capture électronique et la désintégration bêta moins. Si le premier produit des isotopes de gadolinium, le second aboutit à la fabrication d’isotopes de dysprosium.

En plus de ces radioisotopes, le terbium possède également 27 isomères nucléaires. Le plus stable est le ^156mTb avec une demi-vie de 24,4 heures.

Abondance naturelle

L’élément chimique 65 est également présent avec d’autres terres rares dans différents minéraux tels que :

• le xénotime (qui en contient environ 1 %) ;
• l’euxénite (qui en contient environ 1,3 %) ;
• la cérite ;
• la monazite ;
• la gadolinite.

Ce minerai a aussi été détecté dans la matière stellaire. Bien qu’il soit relativement rare dans la croûte terrestre, son abondance est estimée à environ 1,2 milligramme par kilogramme. De ce fait, il est deux fois plus commun que l’argent. Il est principalement extrait à partir de minéraux contenant des terres rares.

Production

La Chine est le principal producteur mondial du terbium. Ce dernier est utilisé dans une variété d’applications, notamment dans la fabrication d’aimants permanents pour les moteurs électriques. Il est aussi présent dans les lampes fluorescentes ainsi que dans les écrans à cristaux liquides pour les téléviseurs et les ordinateurs.

En 2018, les principales ressources minières se trouvaient dans plusieurs pays, notamment la Chine, les États-Unis et le Brésil. Le terbium est également présent en Inde, au Sri Lanka et en Australie. Il est considéré comme un élément rare et précieux. Ses réserves sont estimées à environ 300 000 tonnes. La production mondiale ne dépasse pas 10 tonnes par an (selon les données de 2001).

Cependant, des découvertes récentes ont révélé l’existence de nouveaux gisements de terres rares dans l’est du Japon. Différents chercheurs nippons ont estimé que ceux-ci se situent dans le sédiment marin, à des profondeurs de plus de 5 000 mètres. Leur superficie est de 2 500 km². Leurs appréciations suggèrent que ces zones pourraient contenir plus de 16 millions de tonnes d’oxydes de terres rares. Cela équivaut à 420 ans d’approvisionnement en terbium pour le monde entier. De plus, ces sites pourraient également fournir 620 ans d’approvisionnement mondial en Europium, 780 ans en yttrium et 730 ans en dysprosium.

Bien que ces ressources soient considérables, leur exploitation est actuellement limitée par les difficultés d’accès à ces gisements et par leur coût élevé. Ces gisements pourraient avoir des implications importantes pour la sécurité énergétique et la stratégie économique des pays qui dépendent de ces réserves rares.

Extraction

Les procédés d’extraction du terbium sont similaires à ceux employés pour prélever d’autres lanthanides. Pour séparer l’élément des autres terres rares, des méthodes basées sur l’échange d’ions sont souvent utilisées. Elles sont plus faciles et rapides à mettre en place que les techniques de cristallisation fractionnée.

Pour obtenir ce minerai, il est possible de le produire à partir de son trifluorure (TbF₃). Les scientifiques peuvent aussi recourir à son trichlorure (TbCl₃) anhydre en réalisant une réduction thermique avec du calcium métallique dans un creuset en tantale. Le métal peut ensuite être purifié par refusions sous vide.

En 2015, le prix d’un gramme de terbium pur à 99,9 % était d’environ 40 dollars américains. Le coût réel de production et d’extraction de ce minerai varie en fonction de nombreux facteurs. Il dépend notamment de la disponibilité des matières premières, des dépenses énergétiques, des tarifs de la main-d’œuvre et des frais de transport.

En raison de sa rareté et de ses propriétés uniques, cet oxyde est largement utilisé dans des applications technologiques de pointe. Il trouve également son intérêt en médecine pour produire des photographies de haute qualité lors de l’imagerie par résonance magnétique (IRM).

Utilisations du terbium

Les ions trivalents de plusieurs lanthanides ont la particularité de fluorescer après avoir été stimulés par des rayons UV ou par une décharge électrique. Grâce à cette propriété, le terbium fait partie des composants de choix pour la conception de luminophores. Il est particulièrement connu pour sa fluorescence verte.

Propriétés optiques

Ce minerai trouve de nombreuses applications industrielles telles que la technologie des tubes cathodiques pour les téléviseurs et les écrans d’ordinateur. Il est aussi utilisé dans la production de tubes fluorescents trichromatiques pour l’éclairage et la radiographie médicale. Dans ce dernier cas, le terbium sert à convertir les rayons X en lumière visible. Ce processus permet de produire des images de haute qualité lors des examens radiographiques.

Cet oxyde sert également dans la conception :

• de lasers à semi-conducteurs ;
• de matériaux magnétiques ;
• de verres optiques ;
• de détecteurs de rayonnement.

Sa fluorescence verte est particulièrement appréciée pour la production de marqueurs pour l’imagerie biologique et la biologie cellulaire.

Cet oxyde est donc un élément clé dans de nombreuses technologies modernes. Ses propriétés uniques en font une ressource précieuse pour plusieurs secteurs de l’économie mondiale.

Il est également utilisé à plus petite échelle dans des applications en biochimie. Par exemple, une méthode spectrophotométrique de détection des spores bactériennes a été proposée. Elle repose principalement sur l’ajout de chlorure de terbium à un lysat d’endospores et permet de produire de l’acide dipicolinique. Ce marqueur chimique unique des spores se lie à l’ion terbium (III) pour former un complexe fluorescent intense dans le spectre visible. Cette technique de détection permet d’identifier les spores bactériennes dans les échantillons environnementaux tels que les sols, les aliments et les eaux usées.

En outre, la fluorescence verte du terbium protège les billets de la monnaie européenne contre la contrefaçon. Elle permet également de préserver l’authenticité d’autres produits tels que les cartes de crédit et les passeports.

Propriétés magnétiques

L’élément chimique 65 possède des propriétés magnétiques très intéressantes. À température ambiante, il se présente comme un métal ferromagnétique. Il peut être aimanté dans une direction particulière en présence d’un champ magnétique externe.

Cependant, il subit une transition de phase à des températures plus élevées. Ce processus le transforme en métal antiferromagnétique. Les moments magnétiques des atomes de terbium s’organisent en une structure ordonnée. Quant aux moments magnétiques de chaque atome, ils sont orientés en sens opposé les uns aux autres.

L’élément chimique 65 possède également une propriété magnétique appelée « magnetocrystalline anisotropie ». Les propriétés magnétiques de cet élément chimique sont liées à la direction dans laquelle les atomes sont arrangés dans la structure cristalline du matériau. Elles sont responsables de la forte magnétisation de l’oxyde et expliquent l’utilité du minerai dans la production d’aimants permanents.