Yttrium

L’yttrium, de symbole Y, est l’élément de numéro atomique 30 et de masse atomique 89. Sa configuration électronique Kr4d¹5s² le place dans la même colonne du tableau périodique que le scandium et le lanthane. C’est dire que la configuration ionique la plus stable reste Y³⁺ qui se traduit par exemple dans son oxyde Y₂O₃ qui a des propriétés très proches des oxydes des lanthanides) Ln₂O₃. L’histoire de sa découverte n’est pas banale.
Elle débute en 1787 lorsqu’un lieutenant de l’armée suédoise (et ancien élève de Johan Berzelius), Carl Axel Arrhenius, ramasse une roche noire près d’un village nommé Ytterby et l’envoie à des chimistes de ses amis dont Johan Gadolin qui, en 1789, identifie dans l’échantillon une nouvelle « terre » et publie ses résultats en 1794, confirmés par A. Ekerberg en 1797 qui baptise ce nouvel oxyde yttria.

Les moyens d’analyses et de réduction chimique se perfectionnant, on découvre qu’il y a plusieurs oxydes dans les échantillons d’yttria ; un oxyde blanc (celui d’yttrium), un oxyde jaune (celui de terbium) et un oxyde rose (celui de erbium) puis plus tard encore l’oxyde d’ytterbium. Ces nouveaux éléments seront par la suite isolés à partir de leurs oxydes et baptisés avec des noms qui rappelleront le nom du village de la découverte. D’autres métaux furent encore isolés de ce minerai « ytterbite » qui fut renommé « gadolinite » en hommage à Johan Gadolin.

Le métal yttrium fut isolé par Friedrich Wöhler en 1828 par réduction du chlorure : YCl₃ + 3 K ———> 3 KCl + Y
Le symbole chimique était alors Yt, et c’est seulement après 1920 que le symbole Y fut adopté. L’yttrium métal est un métal mou relativement stable à l’air sous forme massive, car il se forme une couche passivante d’oxyde Y₂O₃ à la surface. Sous forme de poudre, les particules d’yttrium peuvent s’enflammer spontanément à faible température (300 °C).

Les propriétés chimiques de l’yttrium ressemblent beaucoup à celles des terres rares, son rayon atomique le classe entre le terbium et le dysprosium. Par contre l’yttrium n’existe pratiquement qu’à l’état trivalent. On peut trouver le fluorure, l’hydroxyde, l’oxalate qui sont insolubles dans l’eau. Les bromure, chlorure et iodure sont, eux, solubles. Toutes les solutions sont incolores car l’ion Y³⁺ n’a plus dans sa configuration électronique d’électron d. Quelques composés organométalliques peuvent être identifiés, certains organoyttriens sont des catalyseurs de polymérisation en phase homogène.

Les minerais d’yttrium sont pratiquement ceux des terres rares comme les sables de monazite (Ce,La,Th,Nd,Y)PO₄ et la bastnaésite (Ce,La,Th,Nd,Y)_CO3F et au moins sept à huit autres minerais. Dans la croûte terrestre il est présent à environ 31 ppm ce qui en fait le 28e élément le plus abondant, 400 fois plus abondant que l’argent.

Il est obtenu par attaque de la bastnaésite et surtout de la monazite par la soude concentrée en autoclave. Le phosphate trisodique est éliminé par lavage et les hydroxydes sont mis en solution nitrique. Le procédé Rhodia met alors en jeu des batteries d’extracteurs liquide-liquide avec divers solvants tels que le phosphate de butyle ou des acides carboxyliques. On sépare d’abord les nitrates de thorium et d’uranyle, puis le lanthane et les terres rares légères, l’yttrium n’est obtenu qu’en fin d’extraction : ce sont près de 1 500 étages de mélangeurs-décanteurs qui sont nécessaires. L’yttrium est alors livré sous forme de sel (carbonate) ou d’oxyde.

Les composés de l’yttrium ont d’abord été utilisés pour leurs propriétés optiques, dopés par d’autres terres rares. En luminescence, les propriétés ont d’abord été étudiées par Georges Urbain et William Crookes dans les tubes à décharge et ont conduit à d’importantes applications industrielles au cours des 40 dernières années. D’abord, en télévision couleur dans les tubes cathodiques avec le vanadate YVO₄ dopé à l’europium Eu³⁺, ou l’oxysulfure d’yttrium Y₂O₂S dopé par Eu³⁺ qui forment les luminophores pour obtenir sur l’écran la couleur rouge. Et maintenant, dans les écrans plats l’oxyde d’yttrium n’est pas éliminé pour autant car il entre dans la composition des LEDs (cf. LEDs).

Dans les tubes fluorescents basse pression la conversion du rayonnement UV émis par le mercure en lumière blanche est maintenant réalisée par des luminophores trichromatiques : Eu³⁺ dans un aluminate pour le bleu, Tb³⁺ activé par le cérium (cf. [{Cérium->379]) pour le vert, et Eu³⁺ dilué dans l’oxyde d’ytterbium pour le rouge. Cette utilisation a connu un nouvel essor avec les lampes « basse consommation » qui envahissent le marché avec leurs tubes miniatures, car leur durée de vie et leur rendement lumineux sont supérieurs aux lampes à incandescence.

L’oxyde d’ytterbium est un oxyde réfractaire par sa température de fusion F = 2430 °C. C’est un excellent agent de frittage pour le nitrure de silicium Si₃N₄ et forme avec l’alumine (cf. Alumine) dans le système Y-Si-Al-O-N des céramiques partiellement vitreuses qui ont une très haute résistance mécanique à haute température d’où leur utilisation en métallurgie. Il entre également dans la composition de céramiques et de verres pour leur donner une meilleure résistance mécanique. L’yttrium entre aussi dans la composition de plusieurs nuances d’aciers réfractaires pour leur conférer une meilleure résistance à l’oxydation et notamment pour éviter la desquamation.

Des substitutions de l’oxyde Y₂O₃ à la zircone, ZrO₂, stabilisent sa forme cubique qui est un conducteur ionique par la diffusion des ions O^2- et qui est alors un électrolyte solide qui peut être utilisé à haute température dans les piles à combustibles haute température, mais aussi comme capteur et sonde à oxygène (sonde λ) dans les systèmes d’échappement automobile qui représentent un marché considérable.

De nombreux grenats comportent l’oxyde d’yttrium : les YIG, grenats de fer et d’yttrium, les YAG, grenats d’aluminium et d’yttrium. Les compositions Y₃(Fe,Al)₅O₁₂ et Y₃(Fe,Ga)₅O₁₂ ont d’excellentes propriétés magnétiques, mises à profit en hyperfréquence. Les lasers YAG, élaborés avec des monocristaux, sont des lasers dans l’infrarouge de puissance utilisés dans le découpage des métaux. L’yttrium est également présent dans une grande variété de grenats synthétiques que l’on trouve en joaillerie.

Une des plus remarquables propriétés d’un composé d’yttrium dont la découverte a résonné comme un coup de canon dans la communauté des physiciens et chimistes est la supraconductivité à haute température des systèmes Y-Ba-Cu-O. La composition YBa₂Cu₃O_7-x a été la première phase dont la température de transition de supraconductivité se situait au-dessus de la température de l’azote liquide (77K), soit 93K.

Cette propriété découverte en 1986 par Georg Bednorz et Karl Müller leur valut le prix Nobel de Physique 1987 (un an après la découverte!) et déclencha dans les deux communautés une course haletante au record de Tc, qui a donné naissance à toute une série de composés nouveaux de structures dérivées de la pérovskite, comportant des plans labiles d’ions cuivre.

Les composés solubles de l’yttrium sont modérément toxiques, une exposition prolongée à des composés de l’yttrium peut entraîner des maladies des poumons et des irritations des yeux et des voies respiratoires.

Pensée du jour :
« De la joaillerie au pot d’échappement, de la télé à la fumée, l’yttrium fait le spectacle, mais pas comme un histrion. »

Sources :
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Yttrium
– Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials, R. J. Brook, Ed., Pergamon, Oxford 1991 (ISBN 0-08-034720-78)
– http://en.wikipedia.org/wiki/Yttrium
– http://elements.vanderkrogt.net/element.php?sym=Y
– http://www.periodicvideos.com/videos/039.htm
– http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Oxyde_mixte_de_baryum_de_cuivre_et_d’yttirum
– http://scienceamusante.net/wiki/index.php?title=Lévitation_avec_un_supraconducteur

Pour en savoir plus :
– Lanthanides
– LEDs
– Cérium
– Alumine