Introduction
Le thulium, noté Tm, est un élément chimique de numéro atomique 69, appartenant à la série des lanthanides, famille des terres rares.
Le thulium, un élément rare
Le thulium est considéré comme un élément rare car il représente environ 0,5 ppm (partie par million) de la croûte terrestre. Il est souvent trouvé associé à d’autres lanthanides dans des minéraux tels que la monazite et la bastnasite. Les gisements de thulium sont principalement situés en Chine, aux États-Unis, en Inde, en Australie et au Brésil. L’extraction du thulium est complexe et coûteuse en raison de sa faible concentration dans les minéraux et de la similarité de ses propriétés chimiques avec celles des autres lanthanides. Cependant, son importance croissante dans les applications technologiques justifie les efforts déployés pour améliorer son extraction et sa purification.
Propriétés du thulium
Les propriétés du thulium comprennent ses caractéristiques chimiques, physiques et magnétiques, qui en font un élément versatile et utile dans divers domaines.
Propriétés chimiques
Les propriétés chimiques du thulium sont principalement déterminées par sa configuration électronique, qui lui confère une grande réactivité. Le thulium est un métal tendre, ductile et malléable, qui réagit facilement avec l’oxygène et l’humidité. Il forme des composés chimiques tels que des oxydes, des halogénures et des carbures, qui ont des propriétés intéressantes pour certaines applications. Le thulium est également capable de former des complexes avec d’autres éléments, ce qui lui permet d’avoir des propriétés catalytiques.
Propriétés physiques
Les propriétés physiques du thulium sont caractérisées par une masse volumique de 9,32 g/cm³ et une température de fusion de 1545°C. Le thulium est un bon conducteur de l’électricité et de la chaleur, avec une résistivité électrique de 67 nΩ·m et une conductivité thermique de 16,8 W/m·K. Il possède également une densité de 9,32 g/cm³ et une dureté de 5,5 sur l’échelle de Mohs. Ces propriétés physiques en font un matériau intéressant pour certaines applications technologiques.
Propriétés magnétiques
Les propriétés magnétiques du thulium sont fascinantes, car il présente une ferromagnétisme à basse température et un antiferromagnétisme à haute température. Le thulium est paramagnétique au-dessus de 32 K et ferromagnétique en dessous de cette température. Sa susceptibilité magnétique est de 24,3 × 10⁻⁹ m³/kg. Ces propriétés magnétiques sont dues à la configuration électronique de l’atome de thulium, qui possède sept électrons non appariés dans sa sous-couche 4f. Ces propriétés rendent le thulium utile pour certaines applications telles que les matériaux magnétiques et les dispositifs de stockage de données.
Structure du thulium
Le thulium est un élément métallique de structure cristalline hexagonale compacte, avec une maille spatiale P6₃/mmc et des paramètres de réseau a = 353,75 pm et c = 554,45 pm.
Structure cristalline
La structure cristalline du thulium est hexagonale compacte, avec une maille spatiale P6₃/mmc. Cette structure est caractérisée par une empilement compact des atomes de thulium, formant une maille hexagonale dans le plan et une empilement compact dans la direction perpendiculaire au plan. Les paramètres de réseau de la maille sont a = 353,75 pm et c = 554,45 pm. Cette structure cristalline confère au thulium des propriétés mécaniques particulières, telles que une résistance mécanique élevée et une ductilité faible. La structure cristalline du thulium est également influencée par les interactions entre les électrons de valence et les électrons de cœur, ce qui affecte ses propriétés magnétiques et électriques.
Position dans le tableau périodique
Le thulium occupe la 69e position dans le tableau périodique des éléments, dans le groupe 3 et la sous-famille des lanthanides. Il se trouve dans la partie inférieure gauche du tableau, dans la zone des métaux de transition. Sa position dans le tableau périodique reflète ses propriétés chimiques et physiques particulières, telles que sa réactivité élevée et sa tendance à former des ions trivalents. Le thulium est également placé dans la famille des terres rares, un groupe d’éléments caractérisés par leurs propriétés magnétiques et optiques exceptionnelles.
Production du thulium
La production du thulium implique l’extraction de minerais tels que la monazite et la bastnasite, suivie d’une séparation et d’une purification chimique.
Méthodes d’extraction
Les méthodes d’extraction du thulium varient en fonction des types de minerais traités. Pour la monazite, la méthode d’extraction par fusion alcaline est souvent utilisée, suivie d’une précipitation de l’oxyde de thulium.
Pour la bastnasite, l’extraction se fait par traitement à l’acide chlorhydrique, suivi d’une séparation par échange d’ions et une précipitation du carbonate de thulium.
Ces méthodes permettent d’obtenir un concentré de thulium qui est ensuite purifié par électrolyse ou par cristallisation fractionnée.
Les résidus issus de ces processus sont traités pour récupérer d’autres terres rares associées au thulium.
Utilisations du thulium
Le thulium est utilisé dans divers domaines, notamment la catalyse, les réacteurs nucléaires, les matériaux luminescents et les applications spéciales nécessitant ses propriétés uniques.
Applications en catalyse
Le thulium est utilisé comme catalyseur dans certaines réactions chimiques, notamment la polymérisation et la cracking. Ses propriétés chimiques uniques, telles que sa capacité à former des complexes stables avec d’autres éléments, en font un catalyseur efficace. Les applications en catalyse du thulium sont nombreuses, allant de la production de plastiques à la purification de gaz. Le thulium est également utilisé comme additif dans les catalyseurs pour améliorer leur efficacité et leur durée de vie. Les recherches actuelles explorent de nouvelles possibilités d’utilisation du thulium comme catalyseur pour des réactions plus complexes et plus efficaces.
Applications dans les réacteurs nucléaires
Le thulium est utilisé dans les réacteurs nucléaires comme matériau de contrôle pour réguler la réaction nucléaire. Ses propriétés neutroniques particulières en font un élément idéal pour absorber les neutrons et ainsi contrôler la puissance du réacteur. Les barres de contrôle en thulium sont utilisées pour ajuster la réaction nucléaire et maintenir une température stable. Cette application est cruciale pour la sécurité et l’efficacité des centrales nucléaires. Le thulium est également utilisé pour la détection des neutrons et la surveillance de la réaction nucléaire.
Applications dans les matériaux luminescents
Le thulium est utilisé dans la fabrication de matériaux luminescents, tels que des phosphores et des verres fluorescents. Ses propriétés optiques particulières en font un élément essentiel pour la création de sources lumineuses efficaces. Les matériaux luminescents contenant du thulium émettent une lumière bleue ou verte lorsqu’ils sont excités par un rayonnement électromagnétique. Ces matériaux sont utilisés dans diverses applications, telles que les écrans de télévision, les lampes fluorescentes, les lasers et les détecteurs de radiation. Le thulium améliore la luminosité et la durée de vie des matériaux luminescents, ce qui en fait un élément précieux pour ces applications.