L'europium est synthétisé dans les étoiles presque exclusivement par le processus r (capture rapide de neutrons) lors d'événements cataclysmiques comme les supernovae et les fusions d'étoiles à neutrons. Contrairement à la plupart des lanthanides légers qui présentent des contributions significatives du processus s, l'europium est dominé à environ 95% par le processus r, faisant de lui l'un des traceurs les plus purs de ce processus de nucléosynthèse explosive.
L'abondance cosmique de l'europium est d'environ 9,7×10⁻¹³ fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui le rend environ 1000 fois moins abondant que le cérium et l'un des lanthanides les plus rares dans l'univers. Cette rareté extrême s'explique par sa production quasi-exclusive dans les événements violents de type r, beaucoup moins fréquents que les processus s dans les étoiles AGB. L'europium est l'élément signature par excellence du processus r.
Le rapport europium/fer (Eu/Fe) dans les étoiles est un indicateur critique de l'histoire de l'enrichissement chimique galactique. Les étoiles anciennes pauvres en métaux montrent des rapports Eu/Fe élevés, indiquant que les premières générations de supernovae massives enrichirent rapidement la Galaxie en éléments du processus r comme l'europium. Les étoiles plus jeunes montrent des rapports Eu/Fe plus faibles, reflétant la contribution croissante des supernovae de type Ia (qui ne produisent pas d'europium) et l'évolution chimique progressive de la Galaxie.
L'observation spectroscopique de la kilonova GW170817 (fusion de deux étoiles à neutrons détectée en 2017) révéla des signatures compatibles avec la synthèse massive d'éléments lourds incluant l'europium. Les modèles théoriques suggèrent que cet événement unique produisit plusieurs masses terrestres d'europium, confirmant que les fusions d'étoiles à neutrons sont des sites majeurs de production d'éléments du processus r. Ces observations révolutionnèrent notre compréhension de l'origine cosmique des terres rares lourdes.
L'europium tire son nom du continent européen, suivant la tradition de nommer les éléments d'après des lieux géographiques. Le nom fut choisi par le découvreur pour honorer l'Europe, continent natal de nombreux pionniers de la chimie des terres rares. L'europium est l'un des rares éléments nommés d'après un continent plutôt qu'une personne, un lieu spécifique ou une propriété chimique.
L'europium fut découvert en 1896 par le chimiste français Eugène-Anatole Demarçay (1852-1903) à Paris. Demarçay détecta des raies spectrales inhabituelles dans des échantillons de samarium concentrés, suggérant la présence d'un nouvel élément. Utilisant la spectroscopie, technique dans laquelle il excellait malgré une cécité partielle suite à une explosion de laboratoire, Demarçay isola progressivement le nouvel élément par cristallisations fractionnées répétées du nitrate de samarium contaminé.
En 1901, après cinq années de travail méticuleux, Demarçay obtint des échantillons d'europium suffisamment purs pour permettre une caractérisation complète. Il détermina les propriétés spectrales distinctives de l'europium et démontra qu'il s'agissait bien d'un élément nouveau et non d'une impureté connue. La découverte de Demarçay fut rapidement confirmée par d'autres chimistes européens. L'isolation de l'europium métallique pur ne fut réalisée qu'en 1937 par réduction électrolytique.
L'europium est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d'environ 2 ppm, le rendant le 51ᵉ élément le plus abondant, comparable au soufre. C'est la terre rare la moins abondante parmi les lanthanides légers, reflétant sa production astrophysique limitée au processus r. Les principaux minerais contenant de l'europium sont la bastnaésite ((Ce,La,Nd,Eu)CO₃F) où l'europium représente environ 0,1-0,2% de la teneur en terres rares, et la monazite ((Ce,La,Nd,Eu,Th)PO₄) où il représente 0,05-0,1%.
La production mondiale d'oxydes d'europium est d'environ 400 à 600 tonnes par an, ce qui en fait l'une des terres rares les moins produites. La Chine domine avec environ 85-90% de la production mondiale, suivie par les États-Unis et l'Australie. En raison de sa rareté relative et de ses applications spécialisées à haute valeur ajoutée, l'europium est l'une des terres rares les plus chères, avec des prix typiques de 200-500 dollars par kilogramme d'oxyde selon la pureté et les conditions du marché.
L'europium métallique est produit principalement par réduction de l'oxyde d'europium (Eu₂O₃) avec du lanthane métallique à haute température en atmosphère inerte, ou par électrolyse de chlorure d'europium fondu. La production annuelle mondiale d'europium métallique est d'environ 100-150 tonnes. Le recyclage de l'europium provenant des lampes fluorescentes et des écrans usagés représente environ 1-2% de l'offre totale, bien que les taux de recyclage s'améliorent progressivement avec les technologies de séparation avancées et les incitations économiques liées aux prix élevés.
L'europium (symbole Eu, numéro atomique 63) est le septième élément de la série des lanthanides, appartenant aux terres rares du bloc f de la classification périodique. Son atome possède 63 protons, généralement 90 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{153}\mathrm{Eu}\)) et 63 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f⁷ 6s².
L'europium est le lanthanide le plus réactif et présente des propriétés physiques remarquablement atypiques. C'est le métal de terre rare le plus mou, ductile et malléable, pouvant être facilement coupé au couteau comme le sodium. L'europium possède la densité la plus faible de tous les lanthanides (5,24 g/cm³), inférieure même à celle du fer. Il cristallise dans une structure cubique centrée (CC) à température ambiante, contrairement à la plupart des lanthanides qui adoptent des structures hexagonales compactes.
L'europium fond à 822 °C (1095 K) et bout à 1529 °C (1802 K), présentant les points de fusion et d'ébullition les plus bas de tous les lanthanides. Cette volatilité relative facilite paradoxalement sa purification par distillation sous vide. L'europium est un conducteur électrique médiocre, avec une conductivité environ 50 fois inférieure à celle du cuivre. L'europium est paramagnétique à température ambiante et présente des propriétés magnétiques complexes à basse température.
L'europium est extraordinairement réactif, s'oxydant rapidement à l'air pour former une couche d'oxyde jaune-vert qui ne protège pas le métal. L'europium métallique doit être conservé sous huile minérale ou en atmosphère inerte d'argon. Il s'enflamme spontanément à l'air lorsqu'il est finement divisé et réagit vigoureusement avec l'eau même à température ambiante. L'europium brûle facilement dans l'air avec une flamme rouge-orange brillante caractéristique.
Le point de fusion de l'europium : 1095 K (822 °C).
Le point d'ébullition de l'europium : 1802 K (1529 °C).
L'europium est le lanthanide le plus réactif, s'oxydant rapidement à l'air et réagissant vigoureusement avec l'eau.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Europium-151 — \(\,^{151}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 88 | 150,919850 u | ≈ 47,81 % | Stable | Isotope stable minoritaire de l'europium, représentant environ 48% du total naturel. |
| Europium-153 — \(\,^{153}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 90 | 152,921230 u | ≈ 52,19 % | Stable | Isotope stable majoritaire de l'europium, représentant environ 52% du total naturel. |
| Europium-152 — \(\,^{152}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 89 | 151,921745 u | Synthétique | ≈ 13,54 ans | Radioactif (CE, β⁻, β⁺). Émetteur gamma intense, utilisé en étalonnage de détecteurs de rayonnement. |
| Europium-154 — \(\,^{154}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 91 | 153,922979 u | Synthétique | ≈ 8,59 ans | Radioactif (β⁻). Émetteur gamma, produit d'activation dans les réacteurs nucléaires. |
| Europium-155 — \(\,^{155}\mathrm{Eu}\,\) | 63 | 92 | 154,922893 u | Synthétique | ≈ 4,76 ans | Radioactif (β⁻). Produit de fission significatif, utilisé en recherche nucléaire. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
L'europium possède 63 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f⁷ 6s² est particulièrement stable en raison de la sous-couche 4f à demi-remplie (7 électrons sur 14 possibles), conférant une stabilité additionnelle selon la règle de Hund. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(25) P(2), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁷ 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 également 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 et complète.
Couche O (n=5) : contient 25 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f⁷ 5d⁰. Les sept électrons 4f à demi-remplie caractérisent la chimie de l'europium.
Couche P (n=6) : contient 2 électrons dans la sous-couche 6s². Ces électrons sont les électrons de valence externe de l'europium.
L'europium possède effectivement 9 électrons de valence : sept électrons 4f⁷ et deux électrons 6s². L'europium présente deux états d'oxydation stables : +2 et +3. L'état +3 est le plus commun, où l'europium perd ses deux électrons 6s et un électron 4f pour former l'ion Eu³⁺ avec la configuration [Xe] 4f⁶. Cet ion est responsable de la luminescence rouge intense qui fait la célébrité de l'europium.
L'état +2 est inhabituel parmi les lanthanides mais particulièrement stable pour l'europium en raison de la configuration 4f⁷ à demi-remplie de l'ion Eu²⁺ (configuration [Xe] 4f⁷). Cette stabilité exceptionnelle permet l'existence de nombreux composés d'europium(II) : EuO (oxyde), EuCl₂ (chlorure), EuSO₄ (sulfate), et divers halogénures. L'europium(II) présente également des propriétés luminescentes, émettant typiquement dans le bleu-vert.
La facilité avec laquelle l'europium oscille entre les états +2 et +3 en fait un excellent indicateur redox. En solution aqueuse, l'europium(II) est un réducteur modérément puissant et s'oxyde progressivement en europium(III) en présence d'oxygène. Cette chimie redox riche distingue l'europium des autres lanthanides légers et le rapproche des métaux alcalino-terreux comme le baryum et le strontium dans certains aspects de sa chimie.
L'europium est extrêmement réactif avec l'oxygène et s'oxyde rapidement à l'air, formant une couche d'oxyde Eu₂O₃ (oxyde d'europium(III)) de couleur jaune-vert qui se fissure et s'écaille continuellement, n'offrant aucune protection au métal sous-jacent. L'europium s'enflamme spontanément dans l'air lorsqu'il est finement divisé ou chauffé au-dessus de 150-200 °C, brûlant avec une flamme rouge-orange brillante : 4Eu + 3O₂ → 2Eu₂O₃. L'europium en poudre fine est pyrophorique et doit être manipulé en atmosphère inerte.
L'europium réagit vigoureusement avec l'eau à température ambiante, produisant de l'hydroxyde d'europium(III) et dégageant du gaz hydrogène avec effervescence visible : 2Eu + 6H₂O → 2Eu(OH)₃ + 3H₂↑. Cette réaction est exothermique et s'accélère rapidement, l'hydrogène libéré pouvant s'enflammer spontanément avec des échantillons de taille suffisante. L'hydroxyde d'europium(III) précipite sous forme d'un solide blanc-rose gélatineux. La réaction de l'europium avec l'eau est parmi les plus vigoureuses de tous les lanthanides.
L'europium réagit vigoureusement avec tous les halogènes pour former des trihalogénures : 2Eu + 3Cl₂ → 2EuCl₃. Les dihalogénures d'europium(II) peuvent être préparés par réduction des trihalogénures avec de l'europium métallique : Eu + 2EuCl₃ → 3EuCl₂. L'europium se dissout rapidement dans les acides, même dilués, avec dégagement vigoureux d'hydrogène : 2Eu + 6HCl → 2EuCl₃ + 3H₂↑, produisant des solutions jaune pâle de Eu³⁺.
L'europium réagit avec l'hydrogène à température modérée pour former l'hydrure EuH₂, avec le soufre pour former le sulfure EuS (un semi-conducteur magnétique intéressant), avec l'azote à haute température pour former le nitrure EuN, et avec le carbone pour former les carbures EuC₂ et Eu₂C₃. L'europium forme également de nombreux complexes organométalliques et de coordination, exploités en catalyse et en chimie de synthèse.
La propriété la plus remarquable de l'europium est sa luminescence intense. L'ion Eu³⁺ est l'un des ions lanthanides les plus luminescents, émettant une lumière rouge pure autour de 610-630 nm (transition ⁵D₀ → ⁷F₂) lorsqu'il est excité par UV ou rayons cathodiques. Cette émission rouge intense avec un rendement quantique élevé (jusqu'à 90% dans des matrices optimisées) fait de l'europium le phosphore rouge standard pour toutes les applications d'affichage et d'éclairage. L'ion Eu²⁺ émet dans le bleu-vert (450-550 nm) avec également une efficacité remarquable.
L'application qui fit la célébrité de l'europium fut son utilisation comme phosphore rouge dans les écrans à tubes cathodiques (CRT) de télévisions et moniteurs d'ordinateurs de 1960 à 2000. Le phosphore Y₂O₃:Eu³⁺ (oxyde d'yttrium dopé à l'europium 5-10%) produisait une émission rouge pure à 611 nm avec une efficacité exceptionnelle lorsqu'il était bombardé par des électrons. Combiné avec des phosphores verts (ZnS:Cu,Al) et bleus (ZnS:Ag), il permettait la reproduction complète du spectre couleur. Un téléviseur CRT typique contenait 0,5-2 grammes d'europium dans son revêtement phosphorescent.
Avec le déclin des écrans CRT au début des années 2000, l'europium trouva de nouvelles applications dans les écrans LCD modernes. Les rétroéclairages LED blancs des écrans LCD utilisent des phosphores d'europium pour convertir une partie de la lumière bleue de la LED en lumière rouge, créant une lumière blanche équilibrée. Les phosphores typiques incluent (Sr,Ca)AlSiN₃:Eu²⁺ (nitridosilicate émettant dans le rouge-orange) ou CaAlSiN₃:Eu²⁺. Cette application représente aujourd'hui 50-60% de la demande mondiale d'europium.
Les phosphores d'europium sont cruciaux pour obtenir une large gamme de couleurs (gamut) dans les écrans modernes. Sans europium, les écrans LCD présenteraient une reproduction des couleurs rouges médiocre, affectant particulièrement les tons chair et les images saturées. Les écrans "quantum dot" récents utilisent également des phosphores contenant de l'europium pour améliorer encore la qualité couleur. La pureté spectrale exceptionnelle de l'émission Eu³⁺ (largeur de raie 5-10 nm) permet des couleurs vives et saturées impossibles à obtenir avec d'autres phosphores.
L'europium joue un rôle essentiel dans les lampes fluorescentes à économie d'énergie et les tubes fluorescents "tri-phosphores" produisant une lumière blanche de haute qualité. Ces lampes utilisent un mélange de trois phosphores : bleu (BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺), vert (LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺), et rouge (Y₂O₃:Eu³⁺). Le phosphore rouge à l'europium est absolument indispensable pour obtenir un indice de rendu des couleurs (IRC) élevé supérieur à 80-85, essentiel pour l'éclairage résidentiel et commercial de qualité.
Les lampes tri-phosphores contenant de l'europium convertissent l'émission UV du mercure (254 nm) en lumière visible avec une efficacité de 25-30%, soit 3-4 fois supérieure aux lampes halogénées incandescentes. Une lampe fluorescente compacte typique de 20W contient environ 10-20 milligrammes d'europium. La température de couleur peut être ajustée de "blanc chaud" (2700K) à "blanc froid" (6500K) en variant les proportions relatives des trois phosphores.
L'utilisation de l'europium dans les lampes fluorescentes a atteint son pic vers 2005-2010 puis a décliné progressivement avec l'adoption massive des LED. Les LED blanches modernes utilisent également des phosphores à l'europium, mais en quantités plus faibles (1-5 mg par LED) car elles sont plus efficaces. Cette transition a causé une surcapacité temporaire d'europium sur le marché mondial en 2010-2015, suivie d'un rééquilibrage avec la croissance des écrans LCD et LED.
L'europium est largement utilisé dans les encres et pigments luminescents pour la sécurité des billets de banque, des passeports, des cartes d'identité et des documents officiels. Les complexes organométalliques d'europium incorporés dans les encres présentent une luminescence rouge intense sous illumination UV (365 nm ou 254 nm), permettant une vérification rapide de l'authenticité. L'euro, le dollar américain, le yen japonais et la plupart des devises majeures utilisent des marqueurs à l'europium.
Les applications de sécurité modernes utilisent des mélanges sophistiqués de complexes d'europium avec différents temps de luminescence persistante (de microsecondes à secondes), différentes longueurs d'onde d'émission, et différentes réponses spectrales. Ces signatures spectrales complexes sont extrêmement difficiles à reproduire par les contrefacteurs. Certains billets utilisent des "phosphores convertissants" où l'europium émet à une longueur d'onde différente de l'excitation, créant un changement de couleur visible.
Au-delà des billets, l'europium est utilisé pour marquer des produits pharmaceutiques authentiques, des pièces automobiles originales, des œuvres d'art, des cartes de crédit, des tickets événementiels et divers produits de luxe. Les nanoparticules dopées à l'europium permettent un marquage à l'échelle micrométrique invisible à l'œil nu mais détectable par fluorescence. Les complexes d'europium sont également utilisés comme traceurs en hydrologie pour étudier les écoulements souterrains et identifier les sources de pollution.
Les isotopes Eu-151 et Eu-153 possèdent des sections efficaces d'absorption de neutrons thermiques exceptionnellement élevées (9200 barns et 312 barns respectivement), faisant de l'europium un excellent absorbeur de neutrons pour les réacteurs nucléaires. L'oxyde d'europium (Eu₂O₃) est incorporé dans certaines barres de contrôle et plaques de régulation pour contrôler la réactivité des réacteurs. L'europium est particulièrement utile dans les réacteurs de recherche nécessitant un contrôle précis de la réactivité.
L'europium est utilisé comme "poison consommable" dans certains combustibles nucléaires pour compenser l'excès de réactivité en début de cycle. Au fur et à mesure que l'Eu-151 absorbe des neutrons, il se transforme en Eu-152 puis Eu-153, maintenant automatiquement la réactivité dans des limites sûres pendant la consommation progressive du combustible. Cette propriété auto-régulatrice améliore la sûreté et permet des cycles de combustible plus longs sans intervention.
L'europium et ses composés stables présentent une toxicité chimique faible, similaire aux autres lanthanides légers. Les composés solubles d'europium peuvent causer des irritations cutanées, oculaires et des voies respiratoires en cas d'exposition directe. L'inhalation de poussières d'europium peut provoquer une irritation pulmonaire transitoire. Les études toxicologiques montrent une toxicité aiguë modérée avec des DL50 (dose létale médiane) pour les sels d'europium typiquement supérieures à 500-1000 mg/kg chez les rongeurs.
L'europium ingéré ou inhalé s'accumule principalement dans le foie, la rate et le squelette osseux. La période biologique est estimée à 3-5 ans pour l'europium osseux et 1-2 ans pour les tissus mous. À doses élevées, l'europium peut perturber le métabolisme du calcium et causer une toxicité hépatique modérée. Cependant, l'exposition humaine significative à l'europium reste rare, limitée aux travailleurs de l'industrie des terres rares et de fabrication de phosphores. Aucun effet cancérigène, mutagène ou tératogène n'a été démontré pour l'europium stable.
Les isotopes radioactifs d'europium (Eu-152, Eu-154, Eu-155) produits par activation neutronique dans les réacteurs nucléaires présentent un risque radiologique significatif en raison de leurs émissions gamma intenses. L'Eu-152 est particulièrement préoccupant car il émet des rayons gamma de multiples énergies nécessitant un blindage approprié. Les travailleurs manipulant ces isotopes doivent utiliser une protection contre les rayonnements et respecter les limites d'exposition réglementaires. La période radioactive relativement longue de l'Eu-152 (13,5 ans) nécessite un stockage prolongé des déchets contaminés.
Les préoccupations environnementales associées à l'europium concernent principalement l'extraction minière des terres rares. L'europium étant particulièrement rare dans les minerais (0,05-0,2%), l'extraction d'un kilogramme d'europium nécessite le traitement de plusieurs tonnes de minerai, générant d'importants volumes de déchets acides, de boues contaminées, et de rejets liquides. Les sites miniers de terres rares peuvent contaminer les sols et les eaux avec des éléments radioactifs (thorium, uranium) naturellement présents dans les minerais de monazite.
Le recyclage de l'europium provenant des lampes fluorescentes et des écrans usagés est techniquement possible et économiquement attractif en raison des prix élevés de l'europium. Les procédés de recyclage impliquent le broyage des tubes fluorescents, la séparation des phosphores, la dissolution acide, et l'extraction sélective de l'europium par chromatographie ou extraction par solvant. Les taux de recyclage actuels sont d'environ 1-2% mais s'améliorent progressivement avec les réglementations sur les déchets électroniques et les incitations économiques.
Le recyclage d'une tonne de lampes fluorescentes peut récupérer environ 100-200 grammes d'europium, représentant une valeur de 20-100 dollars selon les prix du marché. Les défis incluent la collecte efficace des lampes usagées, la séparation des phosphores mélangés, et la purification à des niveaux acceptables pour réutilisation. L'amélioration des infrastructures de recyclage de l'europium est cruciale pour réduire la dépendance aux approvisionnements primaires concentrés en Chine et atténuer les impacts environnementaux de l'extraction minière.
L'exposition professionnelle à l'europium se produit principalement dans les industries de raffinage des terres rares, de fabrication de phosphores, et de recyclage de lampes fluorescentes. Les normes d'exposition professionnelle pour les composés d'europium ne sont pas spécifiquement établies dans la plupart des juridictions, mais les recommandations générales pour les composés de terres rares solubles fixent typiquement des limites d'exposition à 5-10 mg/m³ pour les poussières respirables. Les concentrations d'europium dans les environnements industriels peuvent atteindre plusieurs milligrammes par mètre cube d'air, nécessitant une ventilation appropriée et des équipements de protection respiratoire.
