Itrium – structure, propriétés, utilisations, production

Introduction

L’yttrium est un élément chimique rare‚ noté Y‚ découvert en 1787 par le chimiste finlandais Johan Gadolin.

Le nom de l’élément provient de la localité d’Ytterby‚ en Suède‚ où il fut découvert dans un minerai de gadolinite.​

L’yttrium joue un rôle crucial dans la fabrication de matériaux à haute technologie‚ tels que les supraconducteurs‚ les aimants et les convertisseurs catalytiques.​

1.​1 Définition et historique

L’yttrium est un élément chimique métallique‚ noté Y‚ appartenant à la famille des terres rares. Il est découvert en 1787 par le chimiste finlandais Johan Gadolin‚ qui l’isole à partir d’un échantillon de gadolinite‚ un minerai trouvé à Ytterby‚ en Suède.

Cette découverte marque le début de l’étude systématique des terres rares‚ qui vont révéler leurs propriétés exceptionnelles.​ Au XIXe siècle‚ les chercheurs établissent les caractéristiques chimiques et physiques de l’yttrium‚ ouvrant la voie à ses applications industrielles.

Ces dernières années‚ l’yttrium a connu un regain d’intérêt en raison de ses propriétés uniques‚ notamment sa stabilité thermique et sa résistance aux chocs mécaniques‚ qui en font un matériau idéal pour les applications à haute technologie.​

1.2 Importance du yttrium

L’yttrium occupe une place stratégique dans de nombreux domaines techniques‚ en raison de ses propriétés uniques et de ses applications variées.​

Cet élément est essentiel dans la fabrication de matériaux à haute performance‚ tels que les supraconducteurs‚ les aimants‚ les convertisseurs catalytiques et les matériaux céramiques.​

Il est également utilisé dans les réacteurs nucléaires‚ où ses propriétés permettent de détecter les radiations et de contrôler les réactions nucléaires.​

Enfin‚ l’yttrium est employé dans les industries de pointe‚ telles que l’aéronautique‚ l’électronique et la médecine‚ où ses propriétés spécifiques répondent à des besoins précis.​

Structure

L’yttrium est un élément métallique appartenant à la famille des terres rares‚ caractérisé par son numéro atomique 39 et sa configuration électronique [Kr] 4d¹ 5s².​

2.​1 Numéro atomique et configuration électronique

L’yttrium possède un numéro atomique de 39‚ ce qui signifie qu’un atome d’yttrium a 39 protons dans son noyau.​ Sa configuration électronique est [Kr] 4d¹ 5s²‚ caractéristique des éléments de transition.​

Cette configuration électronique implique que l’yttrium a une sous-couche d complète et une sous-couche f incomplète‚ ce qui explique ses propriétés chimiques et physiques particulières.

La présence d’un seul électron dans la sous-couche d explique la forte réactivité de l’yttrium‚ tandis que la présence de deux électrons dans la sous-couche s explique sa tendance à former des ions Y³⁺.​

2.2 Place dans le tableau périodique

L’yttrium occupe la troisième position du groupe des lanthanides‚ également appelé groupe des terres rares‚ dans le tableau périodique des éléments;

Il est placé dans la période 5‚ entre les éléments scandium (Sc) et zirconium (Zr)‚ et appartient à la famille des métaux de transition.​

Sa position dans le tableau périodique reflète ses propriétés chimiques et physiques‚ qui sont intermédiaires entre celles des métaux alcalino-terreux et celles des métaux de transition.​

L’yttrium est souvent considéré comme un élément de transition perché‚ car il partage certaines propriétés avec les éléments de transition‚ mais également avec les lanthanides.​

2.​3 Appartenance au groupe des terres rares

L’yttrium est membre du groupe des terres rares‚ également appelé lanthanides‚ qui comprend 15 éléments chimiques‚ allant de l’lanthane (La) au lutécium (Lu).​

Ces éléments partagent des propriétés chimiques et physiques similaires‚ telles que des électrons de valence supplémentaires et des rayons ioniques voisins.​

Les terres rares sont caractérisées par des propriétés magnétiques‚ électriques et optiques spécifiques‚ qui les rendent utiles pour une variété d’applications technologiques avancées.​

L’appartenance de l’yttrium au groupe des terres rares explique ses propriétés chimiques et physiques particulières‚ ainsi que ses utilisations dans des domaines tels que la fabrication de matériaux céramiques et de supraconducteurs.​

Propriétés

Les propriétés de l’yttrium comprennent ses caractéristiques chimiques et physiques‚ qui influencent ses utilisations dans divers domaines technologiques.​

3.​1 Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques de l’yttrium sont caractérisées par son numéro atomique 39 et sa configuration électronique [Kr] 4d¹ 5s².​

Cet élément est membre de la série des lanthanides et du groupe des terres rares‚ partageant des propriétés chimiques similaires avec les autres éléments de cette famille.​

L’yttrium est peu réactif‚ mais il peut former des composés métalliques avec d’autres éléments‚ tels que l’oxygène‚ pour former l’oxyde d’yttrium (Y₂O₃)‚ également connu sous le nom de yttria.​

Ces propriétés chimiques font de l’yttrium un élément utile pour la fabrication de matériaux à haute technologie‚ tels que les supraconducteurs et les aimants.​

3.​2 Propriétés physiques

Les propriétés physiques de l’yttrium sont caractérisées par sa masse volumique de 4‚47 g/cm³ et son point de fusion de 1522°C.​

L’yttrium est un métal ductile et malléable‚ présentant une résistivité électrique de 596 nΩm à 20°C.​

Cet élément possède également une capacité thermique spécifique de 298 J/g°C et une conductivité thermique de 17‚2 W/mK.​

Ces propriétés physiques en font un matériau idéal pour la fabrication de composants électroniques et de matériaux à haute température‚ tels que les éléments de chauffe et les réfractaires.

De plus‚ l’yttrium est utilisé dans la fabrication de céramiques à haute technologie‚ telles que la yttria-stabilisée zircone (YSZ).​

Utilisations

L’yttrium est utilisé dans divers domaines‚ notamment les matériaux céramiques‚ les convertisseurs catalytiques‚ les supraconducteurs‚ les aimants‚ les réacteurs nucléaires et la détection des radiations.​

4.​1 Applications dans les matériaux céramiques

L’oxyde d’yttrium‚ également connu sous le nom de yttria‚ est couramment utilisé dans la fabrication de matériaux céramiques de haute technologie.​

Ces matériaux sont notamment employés dans la production de composants électroniques‚ tels que des résistances‚ des condensateurs et des substrats de circuits intégrés.​

De plus‚ l’yttria est utilisée comme stabilisateur dans les zirco-céramiques‚ comme la zircone stabilisée à l’yttrium (YSZ)‚ qui présente des propriétés mécaniques et thermiques exceptionnelles.​

Ces matériaux sont employés dans des applications telles que les turbines à gaz‚ les chambres de combustion et les systèmes de propulsion spatiale.​

Enfin‚ l’yttria est également utilisée dans la fabrication de pièces céramiques pour les applications médicales‚ telles que les prothèses orthopédiques et les implants dentaires.

4.​2 Utilisations dans les convertisseurs catalytiques

L’yttrium est largement utilisé dans les convertisseurs catalytiques des systèmes d’échappement des véhicules‚ en raison de ses propriétés catalytiques exceptionnelles.​

L’oxyde d’yttrium est ajouté aux catalyseurs pour améliorer leur efficacité dans la réduction des émissions polluantes‚ telles que les oxydes d’azote et les hydrocarbures.​

En particulier‚ l’yttria est utilisée comme support pour les métaux précieux‚ tels que le platine et le rhodium‚ qui sont responsables de la catalyse.​

Les convertisseurs catalytiques contenant de l’yttrium permettent une réduction significative des émissions polluantes‚ contribuant ainsi à améliorer la qualité de l’air et à protéger l’environnement.​

Cette application est particulièrement importante dans l’industrie automobile‚ où les normes d’émission sont de plus en plus strictes.​

4.​3 Applications dans les supraconducteurs et les aimants

L’yttrium est un élément clé dans la fabrication de matériaux supraconducteurs et d’aimants permanents de haute performance.​

L’oxyde d’yttrium-barium-cuivre (YBCO) est un supraconducteur à haute température critique‚ utilisé dans des applications telles que les générateurs électriques‚ les transformateurs et les lignes de transport d’énergie.​

L’yttrium est également utilisé dans la production d’aimants permanents‚ notamment les aimants en néodyme-fer-bore (NdFeB)‚ qui sont employés dans des applications telles que les moteurs électriques‚ les générateurs et les systèmes de suspension magnétique.​

Ces applications exploitent les propriétés magnétiques et supraconductrices exceptionnelles de l’yttrium‚ qui permettent de créer des matériaux à haute performance pour des applications variées.

Ces développements ont ouvert la voie à de nouvelles technologies et applications innovantes dans les domaines de l’énergie‚ des transports et de la médecine.​

4.4 Utilisations dans les réacteurs nucléaires et la détection des radiations

L’yttrium est utilisé dans les réacteurs nucléaires en raison de sa capacité à absorber les neutrons‚ ce qui contribue à contrôler la réaction nucléaire.​

L’oxyde d’yttrium est employé comme matériau de blindage pour protéger les travailleurs et l’environnement des radiations ionisantes.​

Les isotopes radioactifs de l’yttrium‚ tels que le yttrium 90‚ sont utilisés en médecine nucléaire pour le traitement des cancers et la imaging médicale.​

L’yttrium est également utilisé dans la fabrication de détecteurs de radiations‚ tels que les compteurs Geiger‚ pour mesurer les niveaux de radiation.​

Ces applications exploitent les propriétés nucléaires et chimiques uniques de l’yttrium‚ qui en font un élément essentiel dans la gestion et la sécurité des réacteurs nucléaires et des applications médicales.​

Production

La production d’yttrium implique l’extraction du métal à partir des minerais de terres rares‚ suivie d’une série de traitements chimiques et physiques pour obtenir l’oxyde d’yttrium pur.​

5.​1 Extraction du yttrium à partir des minerais

L’extraction du yttrium à partir des minerais de terres rares implique plusieurs étapes.​ Tout d’abord‚ les minerais sont broyés et traités chimiquement pour libérer les ions de yttrium.​ Ensuite‚ les ions sont extraits par lixiviation à l’aide d’un acide fort‚ puis précipités sous forme d’hydroxyde d’yttrium.​ Le produit obtenu est ensuite calciné pour produire de l’oxyde d’yttrium (yttria).​ Les impuretés résiduelles sont éliminées par cristallisation fractionnée ou par traitement au fluorure d’hydrogène.​ Les méthodes d’extraction varient en fonction de la composition du minerai et de la qualité requise pour l’application finale.​ Les principaux pays producteurs d’yttrium sont la Chine‚ les États-Unis‚ l’Inde et l’Australie.​

5.​2 Production de l’oxyde d’yttrium (yttria)

La production de l’oxyde d’yttrium‚ également connu sous le nom de yttria‚ implique la calcination de l’hydroxyde d’yttrium obtenu à partir de l’extraction des minerais.​ La réaction de calcination est réalisée à haute température‚ généralement comprise entre 1000°C et 1200°C‚ pour éliminer l’eau et produire l’oxyde d’yttrium pur. Le produit obtenu est ensuite broyé et tamisé pour obtenir une poudre fine et uniforme. La yttria est utilisée comme matériau de base pour la fabrication de céramiques‚ de supraconducteurs‚ d’aimants et de convertisseurs catalytiques.​ La qualité de la yttria est cruciale pour ces applications‚ car elle influence directement les propriétés finales du matériau.​