Yttrium

L’yttrium, élément atomique n°39 de symbole Y : son histoire, ses caractéristiques, son occurrence et ses applications.

En 1878, Jean-Charles Galissard de Marignac parvient à isoler un autre oxyde, à savoir l’oxyde d’ytterbium. Il a ensuite séparé les quatre nouveaux éléments à partir de chacun de leurs oxydes. Ils ont été nommés ainsi en référence au nom du village « Ytterby » (yttrium, ytterbium, terbium et erbium). Au cours des décennies qui suivirent, sept métaux supplémentaires sont identifiés dans l’yttria de Gadolin. Après avoir découvert que cet « oxyde » était en réalité un minéral, Martin Heinrich Klaproth a changé le nom yttria en gadolinite. Cette appellation a été choisie en hommage à Gadolin. Friedrich Wöhler a fait une expérimentation en 1828 en chauffant le chlorure d’yttrium anhydre avec du potassium. Il s’est servi de la réaction suivante pour isoler l’yttrium métal : YCl₃ + 3 K → 3 KCl + Y.
Jusque dans les années 1920, l’yttrium était représenté par le symbole chimique Yt. Le symbole Y est devenu prédominant dans les usages courants par la suite.

Caractéristiques de l’yttrium

Les isotopes

On dénombre à ce jour 29 isomères nucléaires et 33 isotopes d’yttrium dont le nombre de masse varie entre 76 et 108. Seul un isotope est stable, il s’agit du ⁸⁹Y. Celui-ci représente l’intégralité de l’yttrium présent naturellement. Ainsi, ce métal est considéré comme un élément monoisotopique et mononucléidique. Sa masse atomique standard est égale à la masse isotopique de ⁸⁹Y, soit 88,905 85(2) u.

Les propriétés

L’yttrium est un métal mou, de couleur argentée. Sa configuration électronique est [Kr] 4d¹ 5s² . Les niveaux d’énergie de ses électrons sont : 2, 8, 18, 9, 2. Son corps simple se présente sous une forme solide, de masse volumique de 4,469 g·cm^-3 (25 °C). Il a un système cristallin de structure hexagonale compacte. Conformément à la périodicité des propriétés, il a une électronégativité inférieure à celle du scandium et du zirconium, mais supérieure à celle du lanthane. À l’échelle de Pauling, celle-ci est de l’ordre de 1,22. Les autres propriétés de l’yttrium sont les suivantes :

• Chaleur massique : 300 J·kg^-1·K^-1 ;
• Conductivité électrique : 1,66×10⁶ S·m^-1 ;
• Conductivité thermique : 17,2 W·m^-1·K^-1 ;
• Rayon de covalence : 190 ± 7 pm ;
• Vitesse du son : 3 300 m·s^-1 à 20 °C.

Son point de fusain est de 1 522 °C et son énergie de fusion est de 11,4 kJ·mol^-1. L’yttrium bout à 3 345 °C. Son énergie de vaporisation est de 363 kJ·mol^-1. Le volume occupé par sa mole s’élève à 19,88×10^-6 m³·mol^-1. Il a une pression de vapeur de 5,31 Pa à 1 525,85 °C. Ses numéros CAS, ECHA et CE sont respectivement 7440-65-5, 100.028.340 et 231-174-8. Le tableau suivant représente les énergies d’ionisation de cet élément :

L’yttrium est plutôt stable en contact avec l’air. I prend une forme massive en raison de la formation d’une couche d’oxyde d’yttrium à sa surface. Cette couche peut atteindre jusqu’à 10 micromètres d’épaisseur lorsqu’elle est chauffée avec de la vapeur d’eau atteignant 750 °C. Toutefois, sous forme de copeaux ou de poudre, il est instable au contact de l’air. Il prendra feu spontanément si la température dépasse 400 °C. En présence d’azote et chauffé à une température de 1 000 °C, il forme du nitrure d’yttrium YN.

Occurrence

Abondance de l’yttrium

L’yttrium se mélange souvent aux minéraux contenant des terres rares que l’on retrouve dans certains minerais d’uranium. Il apparaît dans les sables de bastnäsite ((Ce, La, Th, Nd, Y)(CO₃)F) et de monazite ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO₄). Cet élément est difficile à séparer des autres métaux de la même famille, avec lesquels il est toujours associé. Les minerais dans lesquels il est présent sont plus ou moins radioactifs. Ils incluent la bastnäsite, l’allanite (sorosilicate), l’orthite, la bétafite, la samarskite, l’euxénite, la gadolinite, la fergusonite et le xénotime. L’yttrium a été observé dans des échantillons lunaires collectés lors du programme Apollo.

La croûte terrestre contient de l’yttrium, à hauteur de 31 ppm. Ainsi, il se situe au 28^e rang des éléments les plus nombreux sur Terre. Son abondance est de 400 fois supérieure à celle de l’argent. L’eau de mer contient de l’yttrium à hauteur de 9 ppt (parties par million). Dans le sol, sa concentration est de 10 à 150 ppm. La quantité moyenne de cet élément dans des échantillons secs est de 23 ppm.

L’yttrium n’a pas de fonction biologique connue, mais il est rencontré dans la plupart des organismes. Dans le corps humain, sa quantité normale ne dépasse pas 0,5 mg. Il se concentre principalement dans le foie, la rate, les reins, les os et les poumons. Il est présent dans le lait maternel à un taux de 4 ppm.

Les plantes comestibles contiennent généralement 20 à 100 ppm d’yttrium. Ces teneurs sont plus élevées dans certains légumes, notamment le chou. On a mesuré des concentrations allant jusqu’à 700 ppm dans les plantes ligneuses.

Gisements

En avril 2018, une étude a été publiée par des chercheurs japonais dans la revue Nature une étude. Elle mettait en avant la découverte de nouveaux gisements de terres rares, à l’Est du Japon. Ces minerais, situés à plus de 5 000 mètres de profondeur dans le sédiment marin, couvrent une superficie d’environ 2 500 km². Les scientifiques ont estimé qu’ils renferment approximativement 16 millions de tonnes de terres rares. Selon une publication parue dans Scientific Reports en avril 2018, une telle quantité d’oxydes de terres rares équivaut à l’approvisionnement mondial en yttrium pendant 780 ans. L’exploitation de ces minerais pourrait produire l’équivalent d’un ravitaillement en dysprosium durant 730 ans, en europium pour une durée de 620 ans et en terbium pendant 420 ans. Même si la Chine et l’Australie sont les principaux producteurs de terres rares, cette découverte pourrait avoir un impact important sur le marché mondial.

Formation

L’yttrium résulte d’une nucléosynthèse stellaire au niveau du système solaire. Les principaux processus astrophysiques ayant conduit à sa formation sont le processus s (72 %) et le processus (28 %). Étant donné que tous les éléments du groupe 3 ont un nombre impair de protons, ils ont peu d’isotopes stables. L’abondance de l’yttrium 89 est supérieure à ce à quoi on pourrait s’attendre. Cela s’explique par le fait que le processus sa formation est lent et favorise les isotopes voisins de 90, 138 ou 208. Ces derniers ont des noyaux atomiques particulièrement stables, contenant respectivement 50, 82 et 126 neutrons. Le nombre de masse du noyau de ⁸⁹Y est de 89 et il possède 50 neutrons.

Production

La ressemblance entre les propriétés chimiques des lanthanides et de l’yttrium fait qu’on le rencontre souvent dans les minerais contenant des terres rares. Bien qu’il y ait une légère séparation entre les terres rares légères (début de la famille) et lourdes (fin de la famille), celle-ci n’a jamais été complète. L’yttrium se retrouve principalement du côté des terres rares lourdes, malgré sa masse atomique faible. On dénombre quatre principales sources d’yttrium.

La première provient des minerais renfermant des carbonates ou des fluorures de terres rares légères. La bastnäsite ([(Ce, La, etc.)(CO₃)F]) en est un exemple. En effet, ce type de minerai contient des terres rares lourdes et de l’yttrium (environ 0,1 %). Mountain Pass, situé en Californie, a été la principale source de bastnäsite entre les années 1960 et 1990. Grâce à cette mine de terres rares, les États-Unis sont devenus le plus important fournisseur de terres rares lourdes durant cette période.

La monazite ([(Ce, La, etc.)PO₄]), un phosphate, constitue un gisement alluvionnaire résultant de l’érosion du granit. Ce minerai de terres rares légères contient 2 %, voire ou 3 %, d’yttrium. D’importants gisements ont été exploités au Brésil et en Inde au début du XIX^e siècle. Par conséquent, ces deux pays ont émergé en tant que principaux producteurs d’yttrium au cours de la première moitié de ce siècle.

La troisième source d’yttrium est le xénotime. Ce phosphate de terres rares lourdes renferme jusqu’à 60 % de phosphate d’yttrium (YPO4). Ce qui en fait le plus grand minerai de xénotime. Ce minéral est extrait à Bayan Obo, en Chine. Le pays devient alors le plus gros exportateur de terres rares lourdes depuis la fin de l’exploitation de la mine de Mountain Pass.

Les argiles de Lognan, également connues sous le nom d’argiles absorbantes d’ions, constituent la quatrième source d’yttrium. Ces argiles sont obtenues par la météorisation du granit. Elles renferment 1 % de terres rares lourdes, dont certaines contiennent jusqu’à 8 % d’yttrium. L’exploitation de ces argiles se fait principalement dans le sud de la Chine. Par ailleurs, l’yttrium peut être extrait d’autres minéraux, tels que la fergusonite et la samarskite.

La séparation de l’yttrium des autres terres rares est un processus difficile. Cependant, l’extraction de l’yttrium pur à partir d’un mélange d’oxyde contenu dans le minerai est possible. Elle implique la dissolution de l’oxyde dans de l’acide sulfurique, suivie de l’isolation de celui-ci à l’aide de la chromatographie à échange d’ions. En ajoutant de l’acide oxalique, on provoque la précipitation de l’oxalate d’yttrium. Ce dernier est ensuite changé en oxyde par chauffage, en présence d’oxygène. Pour produire du fluorure d’yttrium, on fait entrer en réaction l’oxyde avec le fluorure d’hydrogène.

En 2001, la production mondiale d’oxyde d’yttrium a atteint 600 tonnes par an. La quantité des réserves est estimée à 9 millions de tonnes. La production annuelle d’yttrium métal se limite à quelques tonnes seulement. Ce dernier est obtenu par la transformation du fluorure d’yttrium en une éponge métallique après une réaction avec un alliage de magnésium et de calcium. Pour fondre l’yttrium, on a besoin d’un four à arc chauffé à 1 600 °C.

Grenats

L’yttrium est un élément clé dans la production d’une variété de grenats synthétiques. L’oxyde d’yttrium est utilisé dans la création de filtres microondes très efficaces appelés YIG (grenat de fer et d’yttrium). Les grenats contenant de l’yttrium, du fer, de l’aluminium et du gadolinium, tels que Y₃(Fe, Al)₅O₁₂ et Y₃(Fe, Ga)₅O₁₂, présentent des propriétés magnétiques significatives. Les YIG possèdent des capacités remarquables en tant que transmetteurs d’énergie acoustique et des transducteurs hautement performants.

Les grenats d’aluminium et d’yttrium (Y₃Al₅O₁₂ ou YAG) affichent un niveau de dureté de 8,5, sur l’échelle de Mohs. L’industrie de la joaillerie en fait l’usage fréquemment pour imiter l’apparence du diamant. En outre, les cristaux de YAG:Ce, qui sont dopés avec du cérium, sont exploités en tant que luminophores dans la production de LEDs blanches.

Les cristaux de YAG, d’oxyde d’yttrium, de fluorure d’yttrium et de lithium, ainsi que d’ortho vanadate d’yttrium, sont couramment dopés avec des éléments, tels que le néodyme, l’erbium et l’ytterbium. Ils sont utilisés dans les lasers à infrarouge proche. Les lasers YAG à haute puissance peuvent servir à la découpe de métaux. Le procédé utilisé pour la fabrication des monocristaux dopés aux YAG est souvent la méthode Czochralski.

Additif

Des quantités minimes d’yttrium (0,1 à 0,2 %) permettent de réduire la taille des grains présents dans le chrome, le molybdène, le titane et le zirconium. L’yttrium sert à améliorer les caractéristiques mécaniques des alliages de magnésium et d’aluminium. En effet, l’ajout de cet élément facilite la mise en forme des alliages. Il réduit la recristallisation à haute température et accentue considérablement la résistance à l’oxydation à haute température. Par ailleurs, il entre en jeu dans le processus de désoxydation du vanadium et d’autres métaux non ferreux. L’oxyde d’yttrium est un stabilisant de la zircone cubique utilisée dans la bijouterie. L’incorporation d’yttrium dans la composition de céramiques et de verres aide à diminuer leur coefficient de dilatation thermique et à accroître leur résistance aux chocs. Pour cette raison, l’yttrium est couramment utilisé dans la fabrication d’objectifs photographiques.

Médecine

On utilise le ⁹⁰Y, un isotope radioactif de l’yttrium, dans divers médicaments, tels que l’ibritumomab tiuxétan et l’yttrium Y 90-DOTA-tyr3-octreotide. Ils traitent différents types de cancer, comme les lymphomes, les leucémies, les cancers des ovaires, du pancréas, des os et le cancer colorectal. Cet isotope se lie à des anticorps monoclonaux qui se fixent à leur tour aux cellules cancéreuses. La destruction de ces dernières est possible grâce aux émissions β provenant de la désintégration de l’yttrium 90.

Les aiguilles en yttrium-90 sont plus précises que les scalpels. Elles agissent sur les nerfs qui responsables de la transmission de la douleur au niveau de la moelle épinière. Les synoviorthèses isotopiques ont également recours à l’yttrium 90. Il intervient dans le traitement des inflammations articulaires, en particulier celles affectant les genoux, chez les patients souffrant de polyarthrite rhumatoïde.

Supraconducteurs

En 1987, on a découvert de la supraconductivité à haute température critique dans un composé contenant de l’yttrium. En effet, le YBa₂Cu₃O₇ est le deuxième matériau à présenter cette propriété. C’est le premier oxyde mixte de baryum, de cuivre et d’yttrium à présenter une température critique (Tc = 93K) supérieure à celle d’ébullition de l’azote liquide (77K).

Sécurité

Les composés d’yttrium solubles dans l’eau ont une toxicité modérée. En revanche, ceux qui ne sont pas solubles dans l’eau sont considérés comme non toxiques. D’autres expériences ont été effectuées avec les animaux. Celles-ci ont montré que l’yttrium et ses dérivés peuvent causer des dommages au foie et aux poumons. Toutefois, la toxicité varie selon le composé en question.

Chez le rat, l’inhalation de citrate d’yttrium provoque des œdèmes pulmonaires et des difficultés respiratoires. Mettre ces animaux en présence de chlorure d’yttrium entraîne des œdèmes du foie, des épanchements pleuraux et des hyperhémies pulmonaires.

Le contact avec des composés de l’yttrium peut provoquer des maladies pulmonaires chez l’homme. Des poussières en suspension contenant de vanadate d’europium et d’yttrium ont entraîné de légères irritations des yeux, de la peau et des voies respiratoires. Cependant, il est possible que ces troubles proviennent du vanadium plutôt que de l’yttrium. Une exposition prolongée à des composés d’yttrium peut causer des affections, telles que des difficultés respiratoires, une toux, des douleurs thoraciques et une cyanose. Le NIOSH recommande de limiter l’exposition à ces produits à 1 mg/m³ contre 500 mg/m³ pour DIVS. Il convient de noter que les poussières d’yttrium sont inflammables.