L'erbium est synthétisé dans les étoiles principalement par le processus s (capture lente de neutrons) qui se produit dans les étoiles AGB (géantes asymptotiques) de faible à moyenne masse, avec une contribution significative du processus r (capture rapide de neutrons) lors d'événements explosifs comme les supernovae. Les modèles nucléosynthétiques estiment qu'environ 70-80% de l'erbium solaire provient du processus s, et 20-30% du processus r. En tant que lanthanide avec un nombre pair de protons (68), il est plus abondant que ses voisins impairs (holmium-67 et thulium-69) selon la règle d'Oddo-Harkins.
L'abondance cosmique de l'erbium est d'environ 2,5×10⁻¹² fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui le rend environ 5 fois plus abondant que l'holmium et similaire en abondance au dysprosium. Parmi les terres rares lourdes, il est relativement plus abondant en raison de son numéro atomique pair et de la stabilité particulière de certains de ses isotopes. Cette abondance relative a facilité son utilisation technologique à grande échelle.
L'erbium est considéré comme l'un des meilleurs traceurs du processus s parmi les terres rares lourdes en raison de sa forte préférence pour ce processus de nucléosynthèse. Le rapport erbium/europium (Er/Eu) est particulièrement utile pour étudier l'histoire de la contribution des étoiles AGB à l'enrichissement chimique de la Galaxie. Les étoiles enrichies en éléments du processus s montrent des rapports Er/Eu élevés, tandis que les étoiles pauvres en métaux dominées par le processus r présentent des rapports plus faibles.
L'erbium a été détecté dans de nombreuses étoiles grâce à ses raies spectrales relativement accessibles, en particulier celles de l'ion Er II. Ces détections ont permis de cartographier l'abondance de l'erbium dans différentes populations stellaires de la Voie lactée, fournissant des contraintes importantes sur les modèles de nucléosynthèse galactique. L'étude de l'erbium dans les étoiles extrêmement pauvres en métaux aide à comprendre la production des premiers éléments lourds dans l'Univers.
L'erbium tire son nom du village suédois de Ytterby, situé sur l'île de Resarö près de Stockholm, célèbre pour sa carrière ayant fourni des minéraux contenant plusieurs terres rares. Ytterby a donné son nom à quatre éléments : yttrium (Y), terbium (Tb), erbium (Er) et ytterbium (Yb). Le nom "erbium" a été formé par analogie avec les autres éléments découverts dans les minerais de cette localité.
L'erbium fut découvert en 1843 par le chimiste suédois Carl Gustaf Mosander (1797-1858), qui travaillait à l'Institut Karolinska de Stockholm. Mosander étudiait un minerai d'yttria (oxyde d'yttrium) provenant d'Ytterby. Après de nombreuses cristallisations fractionnées, il réussit à séparer cet oxyde en trois composés distincts qu'il nomma yttria (blanche), erbia (rose) et terbia (jaune). La "erbia" qu'il avait isolée contenait principalement de l'oxyde d'erbium, bien que la purification complète de l'élément ait pris plusieurs décennies.
Comme pour le terbium, une confusion régna pendant plusieurs années concernant les noms "erbia" et "terbia". Certains chimistes intervertirent les dénominations, attribuant le nom "erbia" à ce que nous appelons aujourd'hui terbia (oxyde de terbium) et vice-versa. Ce n'est qu'à la fin du 19ème siècle que la nomenclature fut définitivement fixée selon la découverte originale de Mosander. L'isolation de l'erbium métallique relativement pur fut réalisée pour la première fois en 1905 par les chimistes français Georges Urbain et Charles James.
L'erbium est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d'environ 3,5 ppm (parties par million), ce qui le rend plus abondant que l'holmium mais moins que le dysprosium. Parmi les terres rares lourdes, il est relativement abondant. Les principaux minerais contenant de l'erbium sont la bastnaésite ((Ce,La,Nd,Er)CO₃F) et la monazite ((Ce,La,Nd,Er,Th)PO₄), où il représente typiquement 0,1 à 0,5% de la teneur totale en terres rares, et la xénotime (YPO₄) où il peut être plus concentré (jusqu'à 4-5%).
La production mondiale d'oxyde d'erbium (Er₂O₃) est d'environ 50 à 100 tonnes par an, ce qui est significatif mais reste faible comparé aux terres rares légères. En raison de son importance critique pour les télécommunications, l'erbium est une terre rare stratégique, avec des prix typiques de 300 à 700 dollars par kilogramme d'oxyde. La Chine domine largement la production avec plus de 85% du total mondial, suivie par les États-Unis, l'Australie et la Malaisie.
L'erbium métallique est produit principalement par réduction métallothermique du fluorure d'erbium (ErF₃) avec du calcium métallique en atmosphère inerte d'argon. La production annuelle mondiale d'erbium métallique est d'environ 10 à 20 tonnes. Le recyclage de l'erbium à partir des fibres optiques et autres déchets électroniques est techniquement possible mais économiquement difficile en raison des faibles concentrations, bien que la recherche dans ce domaine soit active.
L'erbium (symbole Er, numéro atomique 68) est le douzième élément de la série des lanthanides, appartenant aux terres rares du bloc f de la classification périodique. Son atome possède 68 protons, 98 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{166}\mathrm{Er}\)) et 68 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f¹² 6s². Cette configuration confère à l'erbium des propriétés optiques exceptionnelles.
L'erbium est un métal argenté, malléable et relativement mou. Il présente une structure cristalline hexagonale compacte (HC) à température ambiante. L'erbium est paramagnétique à température ambiante et devient antiferromagnétique en dessous de 85 K (-188 °C), puis présente une structure magnétique hélicoïdale en dessous de 52 K (-221 °C). À très basse température (inférieure à 20 K), il devient ferromagnétique. Ces propriétés magnétiques complexes sont étudiées en physique du solide mais sont moins exploitées technologiquement que ses propriétés optiques.
L'erbium fond à 1529 °C (1802 K) et bout à 2868 °C (3141 K). Comme la plupart des lanthanides, il présente des points de fusion et d'ébullition élevés. L'erbium présente une transformation allotropique à 1495 °C où sa structure cristalline passe de hexagonale compacte (HC) à cubique centrée (CC). Sa conductivité électrique est médiocre, environ 25 fois inférieure à celle du cuivre.
L'erbium est relativement stable à l'air sec à température ambiante, mais s'oxyde lentement pour former un oxyde Er₂O₃ de couleur rose. Il s'oxyde plus rapidement lorsqu'il est chauffé et brûle pour former l'oxyde : 4Er + 3O₂ → 2Er₂O₃. L'erbium réagit lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde d'erbium(III) Er(OH)₃ et dégager de l'hydrogène. Il se dissout facilement dans les acides minéraux dilués. Le métal doit être conservé sous huile minérale ou en atmosphère inerte.
Le point de fusion de l'erbium : 1802 K (1529 °C).
Le point d'ébullition de l'erbium : 3141 K (2868 °C).
Température de Néel (transition antiferromagnétique) : 85 K (-188 °C).
Température de transition vers l'ordre hélicoïdal : 52 K (-221 °C).
Structure cristalline à température ambiante : Hexagonale compacte (HC).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Erbium-162 — \(\,^{162}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 94 | 161,928778 u | ≈ 0,14 % | Stable | Isotope stable le plus léger, très rare dans la nature. |
| Erbium-164 — \(\,^{164}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 96 | 163,929200 u | ≈ 1,61 % | Stable | Isotope stable présent en faible quantité. |
| Erbium-166 — \(\,^{166}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 98 | 165,930293 u | ≈ 33,61 % | Stable | Isotope stable le plus abondant dans la nature (environ un tiers du total). |
| Erbium-167 — \(\,^{167}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 99 | 166,932048 u | ≈ 22,93 % | Stable | Isotope stable majeur, deuxième en abondance. |
| Erbium-168 — \(\,^{168}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 100 | 167,932370 u | ≈ 26,78 % | Stable | Isotope stable important, d'abondance similaire à l'erbium-167. |
| Erbium-170 — \(\,^{170}\mathrm{Er}\,\) | 68 | 102 | 169,935464 u | ≈ 14,93 % | Stable | Isotope stable le plus lourd, représentant environ 15% du mélange naturel. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
L'erbium possède 68 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f¹² 6s² présente douze électrons dans la sous-couche 4f. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(30) P(2), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹² 5s² 5p⁶ 6s².
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Cette couche complète contribue à l'écran électronique.
Couche N (n=4) : contient 18 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Cette couche forme une structure stable.
Couche O (n=5) : contient 30 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f¹² 5d⁰. Les douze électrons 4f confèrent à l'erbium ses propriétés optiques exceptionnelles.
Couche P (n=6) : contient 2 électrons dans la sous-couche 6s². Ces électrons sont les électrons de valence externe de l'erbium.
L'erbium possède effectivement 14 électrons de valence : douze électrons 4f¹² et deux électrons 6s². L'erbium présente exclusivement l'état d'oxydation +3 dans ses composés stables. Dans cet état, l'erbium perd ses deux électrons 6s et un électron 4f pour former l'ion Er³⁺ avec la configuration électronique [Xe] 4f¹¹. Cet ion possède onze électrons dans la sous-couche 4f et présente des transitions électroniques qui sont à la base de ses applications optiques majeures.
Contrairement à certains lanthanides comme l'europium ou l'ytterbium, l'erbium ne forme pas d'état d'oxydation +2 ou +4 stable dans les conditions normales. Quelques composés d'erbium(II) ont été synthétisés en conditions extrêmes mais sont très instables. L'état +3 est donc le seul significatif chimiquement et technologiquement.
La chimie de l'erbium est dominée par l'état +3. L'ion Er³⁺ possède un rayon ionique de 103,0 pm (pour une coordinance 8) et forme des complexes généralement rose pâle en solution aqueuse, couleur caractéristique des sels d'erbium. Ses propriétés optiques exceptionnelles, en particulier ses transitions dans l'infrarouge proche, sont exploitées dans les fibres optiques et les lasers.
L'erbium métallique est relativement stable à l'air sec à température ambiante, formant une fine couche d'oxyde protectrice de Er₂O₃. À température élevée (au-dessus de 200 °C), il s'oxyde rapidement et brûle pour former l'oxyde : 4Er + 3O₂ → 2Er₂O₃. L'oxyde d'erbium(III) est un solide de couleur rose caractéristique avec une structure cubique de type C-rare earth (C-type sesquioxide). En poudre fine, l'erbium est pyrophorique et peut s'enflammer spontanément à l'air.
L'erbium réagit lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde d'erbium(III) Er(OH)₃ et dégager de l'hydrogène gazeux : 2Er + 6H₂O → 2Er(OH)₃ + 3H₂↑. L'hydroxyde précipite sous forme d'un solide rose pâle gélatineux peu soluble. Comme pour les autres lanthanides, la réaction n'est pas violente mais est observable sur le long terme.
L'erbium réagit avec tous les halogènes pour former des trihalogénures correspondants : 2Er + 3F₂ → 2ErF₃ (fluorure rose) ; 2Er + 3Cl₂ → 2ErCl₃ (chlorure violet). L'erbium se dissout facilement dans les acides minéraux dilués (acide chlorhydrique, sulfurique, nitrique) avec dégagement d'hydrogène et formation des sels correspondants de Er³⁺ : 2Er + 6HCl → 2ErCl₃ + 3H₂↑.
L'erbium réagit avec l'hydrogène à température modérée (300-400 °C) pour former l'hydrure ErH₂, puis ErH₃ à plus haute température. Avec le soufre, il forme le sulfure Er₂S₃. Il réagit avec l'azote à haute température (>1000 °C) pour former le nitrure ErN, et avec le carbone pour former le carbure ErC₂. L'erbium forme également des complexes de coordination avec des ligands organiques, bien que cette chimie soit moins développée que ses applications optiques.
La propriété la plus importante de l'erbium est son comportement optique exceptionnel. L'ion Er³⁺ possède des transitions électroniques qui lui permettent d'émettre de la lumière dans l'infrarouge proche, en particulier à la longueur d'onde de 1,55 micromètre (1550 nm). Cette longueur d'onde est cruciale car elle correspond à la fenêtre de transmission minimale des fibres optiques en silice, où l'atténuation est la plus faible (environ 0,2 dB/km). Cette coïncidence fortuite fait de l'erbium l'élément idéal pour amplifier les signaux optiques dans les réseaux de télécommunications mondiaux.
L'invention des amplificateurs à fibre optique dopée à l'erbium (EDFA) dans les années 1980 a révolutionné les communications mondiales. Avant les EDFA, les signaux optiques dans les fibres devaient être régénérés électroniquement tous les 50-100 km (détection, conversion en signal électrique, amplification électronique, puis reconversion en signal optique). Les EDFA permettent d'amplifier directement le signal optique sans conversion électronique, réduisant considérablement les coûts, la complexité et augmentant la capacité des réseaux.
Dans un EDFA, une fibre optique en silice est dopée avec des ions Er³⁺ (typiquement quelques centaines de parties par million). Cette fibre est "pompée" optiquement par des diodes laser à 980 nm ou 1480 nm. Les ions Er³⁺ absorbent cette lumière de pompe et sont excités vers un niveau d'énergie supérieur. Lorsque les signaux optiques de communication à 1550 nm traversent la fibre, ils stimulent les ions excités à émettre des photons supplémentaires à la même longueur d'onde, amplifiant ainsi le signal. Ce processus est une émission stimulée, le même principe que dans un laser.
- Longueur d'onde : Amplification optimale autour de 1550 nm, correspondant à la fenêtre de transmission minimale des fibres.
- Bande passante : Environ 30-40 nm, permettant l'amplification simultanée de nombreux canaux (WDM : Wavelength Division Multiplexing).
- Gain : Typiquement 20-30 dB (facteur d'amplification de 100 à 1000).
- Taux de bruit : Faible (4-5 dB), essentiel pour les transmissions longues distances.
- Puissance de sortie : Jusqu'à plusieurs watts pour les amplificateurs de puissance.
- Longueur de fibre dopée : Généralement 10-30 mètres.
Les EDFA ont permis le développement des réseaux de fibres optiques sous-marins transocéaniques, des réseaux terrestres longue distance, et ont multiplié la capacité des réseaux grâce au multiplexage en longueur d'onde (WDM). Sans l'erbium, Internet haut débit mondial, la téléphonie internationale par fibre, et de nombreux services cloud modernes seraient impossibles ou extrêmement coûteux. Un amplificateur EDFA typique contient quelques milligrammes à quelques grammes d'erbium.
Le laser Er:YAG émet à une longueur d'onde de 2,94 µm, qui est très fortement absorbée par l'eau (environ 10 000 fois plus qu'à 1,06 µm, la longueur d'onde du laser Nd:YAG). Cette propriété le rend idéal pour les applications médicales et dentaires où une ablation précise des tissus hydratés est nécessaire avec un minimum de dommages thermiques aux tissus environnants.
Les lasers Er:glass émettent généralement autour de 1,54 µm ou 1,55 µm. Ils sont utilisés pour :
Ces lasers utilisent une fibre optique dopée à l'erbium comme milieu amplificateur. Ils sont compacts, efficaces et produisent une excellente qualité de faisceau. Applications :
L'erbium possède une section efficace d'absorption des neutrons thermiques modérée (environ 166 barns pour l'isotope Er-167, le plus efficace). Cette propriété permet d'utiliser l'erbium dans les barres de contrôle des réacteurs nucléaires, bien que son utilisation soit moins courante que celle d'autres matériaux comme le bore, le cadmium ou le gadolinium. L'erbium est parfois utilisé dans des combustibles nucléaires expérimentaux comme poison consommable pour contrôler la réactivité.
L'oxyde d'erbium (Er₂O₃) est étudié comme revêtement protecteur pour les composants de réacteurs nucléaires en raison de sa stabilité sous irradiation et de sa bonne conductivité thermique. Ces revêtements pourraient améliorer la sûreté et la durée de vie des combustibles nucléaires.
Les ions Er³⁺ confèrent une couleur rose caractéristique aux verres et céramiques. Cette propriété est exploitée pour :
Certains matériaux dopés à l'erbium (souvent en combinaison avec l'ytterbium) peuvent convertir deux photons infrarouges de faible énergie en un photon visible de plus haute énergie (phénomène d'upconversion). Applications :
Des recherches sont en cours pour utiliser l'erbium dans les cellules solaires pour augmenter leur efficacité. L'idée est de convertir les photons de haute énergie (UV, bleu) en plusieurs photons de plus basse énergie (dans la plage d'absorption optimale du silicium) via un processus de conversion quantique.
L'erbium et ses composés présentent une toxicité chimique faible, comparable aux autres lanthanides. Les sels solubles peuvent causer des irritations cutanées, oculaires et respiratoires. Aucune toxicité aiguë sévère ni effet cancérigène n'ont été démontrés. La DL50 (dose létale médiane) des sels d'erbium chez les animaux est similaire à celle des autres lanthanides (typiquement >500 mg/kg). L'erbium n'a pas de rôle biologique connu.
Comme les autres lanthanides, l'erbium s'accumule préférentiellement dans le foie et les os en cas d'exposition, avec une élimination très lente. L'exposition de la population générale est extrêmement faible, principalement limitée aux travailleurs des industries concernées.
Les impacts environnementaux sont liés à l'extraction minière des terres rares en général. L'extraction d'un kilogramme d'erbium nécessite le traitement de plusieurs tonnes de minerai, générant des déchets et des impacts environnementaux significatifs. Cependant, la quantité totale d'erbium utilisée dans le monde est relativement faible (quelques dizaines de tonnes par an) comparée à d'autres métaux.
Le recyclage de l'erbium à partir des fibres optiques usagées est techniquement possible mais économiquement difficile en raison de la faible concentration d'erbium dans les fibres (typiquement quelques centaines de ppm) et de la difficulté à séparer l'erbium de la silice. Cependant, avec l'augmentation des volumes de déchets de fibres optiques et les progrès des techniques de recyclage, cette voie pourrait devenir plus intéressante à l'avenir.
L'erbium est classé comme une matière première critique par plusieurs pays et régions (États-Unis, Union Européenne) en raison de son importance pour les infrastructures critiques (télécommunications) et de la concentration géographique de sa production (Chine). Des efforts sont en cours pour diversifier l'approvisionnement, améliorer l'efficacité d'utilisation (réduire la quantité d'erbium nécessaire par EDFA), et développer des technologies alternatives.
L'exposition professionnelle se produit dans les usines de production de terres rares, de fabrication de fibres optiques, de cristaux laser, et dans les installations de télécommunications. Les précautions standard pour les poussières métalliques s'appliquent. Dans les applications médicales (lasers), les précautions standards pour les lasers de classe 4 s'appliquent.
L’atome sous toutes ses formes : de l’intuition antique à la mécanique quantique 
