Lutétium : structure, propriétés, utilisations, approvisionnement

I. Introduction

Le lutétium, élément chimique de numéro atomique 71٫ est un métal rare à terre appartenant à la famille des lanthanides٫ présents dans la troisième série de transition du tableau périodique.​

Il est symbolisé par le symbole Lu et possède des propriétés physiques et chimiques particulières qui en font un élément précieux pour diverses applications industrielles.​

A.​ Définition et classification

Le lutétium est un élément chimique de numéro atomique 71, noté Lu, qui appartient à la famille des lanthanides, également appelés terres rares.​

Cette dénomination provient de leur rareté dans la croûte terrestre et de leur similarité chimique avec les terres alcalines.​

Les lanthanides forment une série de 15 éléments, allant du lanthane (La, numéro atomique 57) au lutécium (Lu, numéro atomique 71), en passant par le cérium (Ce), le praséodyme (Pr), le néodyme (Nd) et ainsi de suite.

Cette famille d’éléments se caractérise par des propriétés physiques et chimiques particulières, telles que des configurations électroniques similaires et des rayons ioniques voisins.​

Ces similarités expliquent les difficultés de séparation et de purification des lanthanides, mais également leur intérêt pour de nombreuses applications industrielles.​

B.​ Historique de la découverte

La découverte du lutétium remonte à 1907٫ lorsque le chimiste français Georges Urbain et le chimiste autrichien Carl Auer von Welsbach ont isolé indépendamment cet élément à partir d’échantillons de ytterbite٫ un minerai trouvé en Suède.​

Ils ont pu identifier ce nouvel élément en séparant les fractions de yttrium et de scandium, déjà connues à l’époque.​

Les travaux d’Urbain et de von Welsbach ont permis de caractériser les propriétés chimiques et physiques du lutétium, notamment sa masse atomique et son spectre d’émission.​

Cette découverte a ouvert la voie à l’étude systématique des lanthanides et à la mise en évidence de leurs propriétés spécifiques.

Depuis, le lutétium a trouvé de nombreuses applications industrielles, notamment dans la production de catalyseurs, de verres spéciaux et de matériaux magnétiques.​

L’atome de lutétium est caractérisé par une configuration électronique [Xe] 4f14 5d1 6s2 et une masse atomique de 174,97 u, ce qui en fait un élément lourd et stable.​

La structure électronique du lutétium est particulièrement intéressante en raison de la présence de 14 électrons dans la sous-couche 4f.

A.​ Configuration électronique

La configuration électronique de l’atome de lutétium est [Xe] 4f14 5d1 6s2٫ où Xe représente la configuration électronique du xénon.

Cette configuration électronique est caractéristique des éléments de la famille des lanthanides, qui présentent une sous-couche 4f partiellement remplie.

Les 14 électrons de la sous-couche 4f jouent un rôle essentiel dans les propriétés chimiques et physiques du lutétium, notamment sa réactivité et sa stabilité.​

La présence d’un seul électron dans la sous-couche 5d explique la faible réactivité du lutétium avec les éléments du groupe 1 et 2.​

Cette configuration électronique unique est à l’origine des propriétés spécifiques du lutétium et de ses applications industrielles variées.​

II.​ Structure de l’atome de lutétium

B.​ Propriétés physiques

Le lutétium est un métal rare à terre aux propriétés physiques particulières.

Il possède une masse volumique de 9,84 g/cm³ et une densité de 9,85 g/cm³.​

Son point de fusion est de 1663°C et son point d’ébullition est de 3395°C.​

Le lutétium est un métal ductile et malléable, mais également très dur, avec une dureté de 8٫5 sur l’échelle de Mohs.​

Ses propriétés thermiques sont également remarquables, avec une conductivité thermique de 16,4 W/m.​K.​

Ces propriétés physiques en font un élément précieux pour diverses applications industrielles, notamment dans l’industrie pétrolière et la fabrication de matériaux de haute performance.

III.​ Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du lutétium sont caractérisées par une réactivité élevée, notamment avec les éléments du groupe 1 et 2, ainsi que par la formation de silicates, d’oxydes et d’halogénures.​

A.​ Réactivité avec les éléments du groupe 1 et 2

Le lutétium réagit vigoureusement avec les éléments du groupe 1, tels que le sodium et le potassium, pour former des composés binaries.​

Ces réactions sont souvent accompagnées d’une forte libération d’énergie et peuvent être violentes.​

Avec les éléments du groupe 2٫ comme le calcium et le magnésium٫ le lutétium forme des composés ternaires٫ tels que des oxydes et des halogénures.​

Ces réactions sont généralement plus modérées que celles avec les éléments du groupe 1, mais restent toutefois très exothermiques.​

Ces propriétés de réactivité font du lutétium un élément très utile pour certaines applications spécifiques, comme la catalyse et la production d’alliages.​

B.​ Formation de silicates, d’oxydes et d’halogénures

Le lutétium forme facilement des silicates, des oxydes et des halogénures avec les éléments du groupe 14, 16 et 17 respectivement.

Ces composés sont généralement très stables et résistants aux attaques chimiques.​

Les silicates de lutétium, tels que le silicate de lutétium(III), sont utilisés comme additifs dans les verres et les céramiques pour améliorer leurs propriétés optiques et thermiques.​

Les oxydes de lutétium, comme l’oxyde de lutétium(III), sont employés dans la fabrication de composants électroniques et de catalyseurs.

Les halogénures de lutétium, tels que le chlorure de lutétium(III), sont utilisés comme précurseurs pour la synthèse de composés organométalliques.​

C. Composés organométalliques et catalyse

Les composés organométalliques du lutétium sont obtenus par réaction avec des ligands organiques, tels que les alcènes ou les arènes.

Ces composés présentent des propriétés catalytiques intéressantes pour la polymérisation des oléfines et la synthèse de molécules complexes.​

Les complexes organométalliques de lutétium sont particulièrement efficaces dans la catalyse de réactions d’hydrogénation et d’alkylation.​

Ils sont également utilisés dans l’industrie pétrolière pour améliorer la qualité des carburants et réduire les émissions de polluants.​

Enfin, les catalyseurs à base de lutétium sont employés dans la production de produits chimiques fins, tels que les plastiques et les adhésifs.​

IV. Utilisations du lutétium

Le lutétium est utilisé dans divers domaines, notamment l’industrie pétrolière, le verre, la céramique, la fabrication de phosphores et de magnéts, ainsi que dans les réacteurs nucléaires et la détection des radiations.​

A.​ Industrie pétrolière et raffinage

Le lutétium est utilisé dans l’industrie pétrolière et du raffinage en raison de ses propriétés catalytiques exceptionnelles.​

Il est employé comme catalyseur dans les procédés de cracking et de reformage, permettant ainsi d’améliorer l’efficacité et la production de carburants.​

De plus, le lutétium est également utilisé pour éliminer les impuretés et les contaminants présents dans les produits pétroliers, ce qui en améliore la qualité et la pureté.​

Grâce à ces propriétés, le lutétium joue un rôle crucial dans la production de carburants de haute qualité et dans la réduction des émissions polluantes.​

Cette application est particulièrement importante dans le contexte actuel de la transition énergétique et de la réduction des émissions de gaz à effet de serre.​

B.​ Industrie du verre et de la céramique

Le lutétium est également utilisé dans l’industrie du verre et de la céramique en raison de ses propriétés optiques et thermiques exceptionnelles.​

Il est employé comme additif dans la fabrication de verres spéciaux, tels que les verres optiques et les verres de spécialité, pour améliorer leurs propriétés optiques et leur résistance thermique.​

De plus, le lutétium est utilisé dans la fabrication de céramiques avancées, telles que les céramiques à base de zircone, pour améliorer leur résistance mécanique et leur durée de vie.​

Ces applications sont particulièrement importantes dans les domaines de l’électronique, de l’optique et de la médecine, où les matériaux doivent répondre à des exigences spécifiques de performance et de durabilité.​

Les propriétés du lutétium permettent ainsi d’obtenir des matériaux de haute qualité pour ces applications sensibles.​

C.​ Fabrication de phosphores et de magnéts

Le lutétium est utilisé dans la fabrication de phosphores et de magnéts en raison de ses propriétés magnétiques et luminescentes.​

Les phosphores au lutétium sont employés dans les applications nécessitant une émission lumineuse prolongée, telles que les écrans de télévision, les lampes fluorescentes et les détecteurs de rayonnement.​

Les magnéts au lutétium, quant à eux, sont utilisés dans les applications nécessitant des champs magnétiques puissants et stables, telles que les générateurs électriques, les moteurs électriques et les systèmes de stockage de données.​

La combinaison des propriétés du lutétium avec celles d’autres éléments, tels que le fer et le néodyme, permet d’obtenir des matériaux magnétiques de haute performance.​

Ces applications sont particulièrement importantes dans les domaines de l’électronique, de l’énergie et de l’aéronautique, où les propriétés magnétiques et luminescentes sont essentielles.​

V.​ Approvisionnement et extraction

Le lutétium est extrait principalement des minerais de bastnasite et de monazite, présents dans les gisements de terres rares, notamment en Chine, aux États-Unis et en Australie.

A.​ Ressources naturelles et extraction minière

Les ressources naturelles de lutétium sont essentiellement constituées de minerais de bastnasite et de monazite, qui sont des oxydes de terres rares.

Ces minerais sont extraits principalement dans les gisements de terres rares, notamment en Chine, aux États-Unis, en Australie, en Inde et au Brésil.​

L’extraction du lutétium se fait généralement par flotation et par gravité, suivie d’une étape de séparation magnétique et électrostatique.​

Les principaux producteurs de lutétium sont la Chine, les États-Unis et l’Australie, qui représentent plus de 90% de la production mondiale.​

Les réserves de lutétium sont estimées à environ 500 000 tonnes, permettant de répondre à la demande croissante de ce métal rare.​

B.​ Méthodes de séparation et de purification

La séparation et la purification du lutétium nécessitent des méthodes spécifiques en raison de sa forte similarité avec les autres lanthanides.​

Les méthodes de séparation les plus courantes sont la chromotographie sur échange d’ions, la cristallisation fractionnée et la distillation fractionnée.​

La purification du lutétium est réalisée par électrolyse, par précipitation chimique ou par réduction chimique.​

Ces méthodes permettent d’obtenir du lutétium de haute pureté, supérieure à 99,99%, nécessaire pour les applications industrielles.​

Les dernières avancées technologiques ont permis d’améliorer l’efficacité et la selectivité des méthodes de séparation et de purification du lutétium.​