Le praséodyme est synthétisé dans les étoiles principalement par le processus s (capture lente de neutrons) dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes (AGB), avec des contributions significatives du processus r (capture rapide de neutrons) lors des supernovae et des fusions d'étoiles à neutrons. Le praséodyme est un produit typique de la nucléosynthèse des lanthanides légers, bien que sa production soit légèrement moins efficace que celle du cérium voisin.
L'abondance cosmique du praséodyme est d'environ 1,8×10⁻¹¹ fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui le rend environ 65 fois moins abondant que le cérium dans l'univers. Cette abondance relativement faible s'explique par la position moins favorable du praséodyme dans la courbe de stabilité nucléaire. L'isotope unique Pr-141 possède un nombre impair de protons et un nombre magique de neutrons (82), lui conférant néanmoins une stabilité substantielle.
Les raies spectrales du praséodyme neutre (Pr I) et ionisé (Pr II) sont difficilement observables dans les spectres stellaires en raison de sa faible abondance cosmique. Le praséodyme est néanmoins utilisé comme traceur complémentaire de l'enrichissement chimique des lanthanides dans les étoiles. Le rapport praséodyme/néodyme dans les étoiles pauvres en métaux fournit des contraintes sur les contributions relatives des processus s et r dans l'histoire galactique.
Certaines étoiles chimiquement particulières, notamment les étoiles Ap et les géantes enrichies en processus s, montrent des abondances de praséodyme légèrement augmentées par rapport aux étoiles normales. Ces variations sont attribuées à la nucléosynthèse du processus s dans les étoiles AGB ou à des processus de diffusion atmosphérique dans les étoiles Ap fortement magnétiques. L'observation spectroscopique du praséodyme dans ces objets nécessite des télescopes de grande ouverture et des spectromètres à haute résolution en raison de la faiblesse des raies.
Le praséodyme tire son nom des mots grecs prasios (vert) et didymos (jumeau), en référence à la couleur verte caractéristique de ses sels et au fait qu'il fut isolé du didyme, un mélange de terres rares considéré auparavant comme un élément unique. Le nom signifie littéralement "jumeau vert", distinguant le praséodyme du néodyme, le "nouveau jumeau".
En 1885, le chimiste autrichien Carl Auer von Welsbach (1858-1929) démontra que le didyme, découvert en 1841 par Carl Gustaf Mosander, n'était pas un élément simple mais un mélange de deux éléments distincts. Par cristallisations fractionnées répétées des nitrates, Welsbach réussit à séparer le didyme en deux composants : le praséodyme, formant des sels verts, et le néodyme, formant des sels rose-violacé. Cette découverte remarquable témoignait de l'habileté expérimentale exceptionnelle requise pour séparer des terres rares aux propriétés chimiques presque identiques.
L'isolation du praséodyme métallique pur s'avéra extrêmement difficile en raison de sa réactivité élevée et de la présence persistante d'impuretés de néodyme. Les premiers échantillons de praséodyme métallique furent obtenus au début du 20ᵉ siècle par réduction électrolytique du chlorure fondu ou par réduction chimique avec du calcium métallique. Ce n'est qu'avec le développement des techniques modernes d'échange d'ions et d'extraction par solvant dans les années 1950-1960 que la production de praséodyme de haute pureté devint économiquement viable.
Le praséodyme est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d'environ 9,2 ppm, le rendant le 39ᵉ élément le plus abondant sur Terre, comparable au bore. Bien que nettement moins abondant que le cérium, le praséodyme est plus abondant que l'argent, l'or ou le platine. Les principaux minerais contenant du praséodyme sont la bastnaésite ((Ce,La,Pr,Nd)CO₃F) et la monazite ((Ce,La,Pr,Nd,Th)PO₄), dans lesquels le praséodyme représente environ 4-5% de la teneur en terres rares.
La production mondiale d'oxydes de praséodyme est d'environ 4000 à 5000 tonnes par an. La Chine domine la production avec environ 85-90% du total mondial, suivie par les États-Unis, l'Australie et la Birmanie. Cette concentration géographique extrême fait du praséodyme un élément stratégiquement critique, particulièrement pour l'industrie des aimants permanents haute performance.
Le praséodyme métallique est produit principalement par réduction de l'oxyde de praséodyme (Pr₆O₁₁) avec du calcium métallique à haute température en atmosphère inerte, ou par électrolyse de chlorure de praséodyme fondu dans un bain de sels fondus. La production annuelle mondiale de praséodyme métallique est d'environ 1000 à 1500 tonnes. Le recyclage du praséodyme provenant des aimants usagés reste limité, représentant moins de 1% de l'offre totale, bien que les efforts de recyclage s'intensifient avec la hausse des prix et les préoccupations d'approvisionnement.
Le praséodyme (symbole Pr, numéro atomique 59) est le troisième élément de la série des lanthanides, appartenant aux terres rares du bloc f de la classification périodique. Son atome possède 59 protons, généralement 82 neutrons (pour l'unique isotope stable \(\,^{141}\mathrm{Pr}\)) et 59 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f³ 6s².
Le praséodyme est un métal mou, ductile et malléable de couleur blanc argenté avec un léger reflet jaune-vert. Il s'oxyde rapidement à l'air, formant une couche d'oxyde verte caractéristique qui se désagrège progressivement, n'offrant aucune protection au métal sous-jacent. Le praséodyme cristallise dans une structure hexagonale compacte (HC) à température ambiante, passant à une structure cubique centrée (CC) à température élevée (environ 795 °C).
Le praséodyme fond à 931 °C (1204 K) et bout à 3520 °C (3793 K). Sa densité est de 6,77 g/cm³, similaire à celle du cérium. Le praséodyme est un bon conducteur d'électricité et de chaleur, avec une conductivité électrique environ 10 fois inférieure à celle du cuivre. Le praséodyme présente des propriétés magnétiques intéressantes : il est paramagnétique à température ambiante et devient antiferromagnétique en dessous de 25 K.
Le praséodyme est un métal hautement réactif, s'oxydant rapidement à l'air humide et s'enflammant spontanément sous forme de copeaux ou de poudre fine. Il réagit vigoureusement avec l'eau, produisant de l'hydroxyde de praséodyme et du gaz hydrogène. Le praséodyme doit être conservé sous huile minérale ou en atmosphère inerte pour prévenir l'oxydation. La réactivité du praséodyme est typique des lanthanides légers et légèrement supérieure à celle du néodyme.
Le point de fusion du praséodyme : 1204 K (931 °C).
Le point d'ébullition du praséodyme : 3793 K (3520 °C).
Le praséodyme est paramagnétique à température ambiante et devient antiferromagnétique en dessous de 25 K.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Praséodyme-141 — \(\,^{141}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 82 | 140,907653 u | 100 % | Stable | Seul isotope naturel du praséodyme, monoisotopique. Nombre magique de neutrons (82). |
| Praséodyme-142 — \(\,^{142}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 83 | 141,910045 u | Synthétique | ≈ 19,12 heures | Radioactif (β⁻). Utilisé en recherche nucléaire et comme traceur en médecine expérimentale. |
| Praséodyme-143 — \(\,^{143}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 84 | 142,910817 u | Synthétique | ≈ 13,57 jours | Radioactif (β⁻). Produit de fission significatif, utilisé dans les études de fission nucléaire. |
| Praséodyme-144 — \(\,^{144}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 85 | 143,913305 u | Synthétique | ≈ 17,28 minutes | Radioactif (β⁻). Produit de décroissance de Ce-144, étape transitoire rapide vers Nd-144 stable. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le praséodyme possède 59 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique est [Xe] 4f³ 6s², typique des lanthanides légers où la sous-couche 4f se remplit progressivement. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(21) P(2), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f³ 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 21 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f³ 5d⁰. Les trois électrons 4f caractérisent la chimie du praséodyme.
Couche P (n=6) : contient 2 électrons dans la sous-couche 6s². Ces électrons sont les électrons de valence externe du praséodyme.
Le praséodyme possède effectivement 5 électrons de valence : trois électrons 4f³ et deux électrons 6s². L'état d'oxydation dominant est +3, caractéristique de tous les lanthanides, où le praséodyme perd ses deux électrons 6s et un électron 4f pour former l'ion Pr³⁺ avec la configuration [Xe] 4f². Cet ion Pr³⁺ est responsable de la couleur verte caractéristique des sels et solutions de praséodyme.
L'état +4 existe également mais est beaucoup moins stable que pour le cérium voisin. Le Pr⁴⁺ (configuration [Xe] 4f¹) est un oxydant puissant et n'existe que dans quelques composés solides comme l'oxyde Pr₆O₁₁ (mélange de Pr³⁺ et Pr⁴⁺) et le fluorure PrF₄. Dans les solutions aqueuses, le Pr⁴⁺ est extrêmement instable et se réduit rapidement en Pr³⁺ en oxydant l'eau. La chimie du praséodyme est donc essentiellement la chimie de l'ion Pr³⁺.
Des composés de praséodyme avec l'état d'oxydation +2 ont été synthétisés dans des conditions extrêmes (halogénures en phase solide), mais ces composés sont extraordinairement instables et s'oxydent instantanément. L'état +2 n'a aucune pertinence pratique dans la chimie du praséodyme.
Le praséodyme est très réactif avec l'oxygène et s'oxyde rapidement à l'air, formant une couche d'oxyde de praséodyme(III) (Pr₂O₃) de couleur verte caractéristique qui se fissure et s'écaille, exposant continuellement du métal frais à l'oxydation. À température élevée, le praséodyme brûle vivement dans l'air avec une flamme blanche brillante, produisant un oxyde mixte Pr₆O₁₁ contenant à la fois Pr³⁺ et Pr⁴⁺ : 6Pr + 11O₂ → 2Pr₆O₁₁. Le praséodyme en poudre fine est pyrophorique et s'enflamme spontanément à température ambiante.
Le praséodyme réagit lentement avec l'eau froide mais rapidement avec l'eau chaude ou la vapeur, produisant de l'hydroxyde de praséodyme(III) de couleur verte et dégageant du gaz hydrogène : 2Pr + 6H₂O → 2Pr(OH)₃ + 3H₂↑. Cette réaction s'accélère considérablement à température élevée et peut devenir violente avec de l'eau bouillante. L'hydroxyde de praséodyme(III) est une base modérément forte qui précipite facilement des solutions aqueuses sous forme d'un solide vert pâle gélatineux.
Le praséodyme réagit vigoureusement avec les halogènes pour former des trihalogénures colorés : 2Pr + 3Cl₂ → 2PrCl₃ (vert). Le fluorure de praséodyme(IV) PrF₄ peut être obtenu par fluoration directe à température élevée. Le praséodyme se dissout facilement dans les acides, même dilués, avec dégagement d'hydrogène : 2Pr + 6HCl → 2PrCl₃ + 3H₂↑, produisant des solutions vertes caractéristiques de Pr³⁺.
Le praséodyme réagit avec le soufre pour former le sulfure de praséodyme (Pr₂S₃), avec l'azote à haute température pour former le nitrure (PrN), avec le carbone pour former le carbure (PrC₂), et avec l'hydrogène pour former l'hydrure (PrH₂ ou PrH₃). Tous les composés de Pr³⁺ présentent une coloration verte caractéristique, propriété distinctive permettant d'identifier facilement le praséodyme.
La couleur verte intense des composés de praséodyme(III) provient des transitions électroniques f-f au sein de la configuration 4f². Ces transitions sont partiellement permises par couplage spin-orbite et produisent des bandes d'absorption caractéristiques dans le spectre visible. Les verres et cristaux dopés au praséodyme absorbent fortement dans le jaune, transmettant préférentiellement le vert et le bleu, ce qui produit la teinte verte distinctive. Cette propriété optique est exploitée dans la production de verres colorés et de filtres optiques spécialisés.
L'application dominante du praséodyme, représentant environ 50-60% de la consommation mondiale, est son utilisation dans les aimants permanents de type Nd-Fe-B (néodyme-fer-bore). Le praséodyme est partiellement substitué au néodyme dans la formulation de ces aimants, typiquement dans des proportions de 10-30% de praséodyme pour 70-90% de néodyme, formant ainsi des aimants (Nd,Pr)-Fe-B.
Le praséodyme améliore significativement la stabilité thermique des aimants Nd-Fe-B, augmentant leur température de fonctionnement maximale (température de Curie) et réduisant le coefficient de température négatif qui fait perdre de la force magnétique aux aimants au néodyme pur lorsqu'ils chauffent. Cette propriété est cruciale pour les applications automobiles, particulièrement les moteurs de véhicules électriques et hybrides qui opèrent à des températures élevées (120-180 °C).
Les aimants (Nd,Pr)-Fe-B sont essentiels pour les moteurs de véhicules électriques, les générateurs d'éoliennes, les disques durs, les servomoteurs industriels, les systèmes de guidage de missiles, et de nombreuses applications de défense et d'aérospatiale. Un véhicule électrique typique contient 0,5-2 kg de terres rares légères (néodyme et praséodyme combinés) dans son moteur. La substitution partielle du néodyme par le praséodyme permet également d'optimiser les coûts lorsque les prix relatifs des deux éléments fluctuent, le praséodyme étant généralement 10-30% moins cher que le néodyme à performances équivalentes.
Le praséodyme est utilisé depuis plus d'un siècle comme agent colorant pour produire des verres de couleur vert jaunâtre intense et des émaux céramiques. Les sels de praséodyme ajoutés au verre fondu en concentrations de 0,5-3% produisent une gamme de teintes allant du jaune-vert pâle au vert émeraude profond selon la concentration et la composition de la matrice vitreuse. Cette coloration est stable à haute température et résiste à la décoloration par les UV, contrairement aux colorants organiques.
Une application technique importante du praséodyme est la production de verres de protection pour soudeurs, verriers et métallurgistes. Les verres didyme (mélange praséodyme-néodyme) absorbent fortement les longueurs d'onde jaunes intenses émises par le sodium dans les flammes et arcs électriques (raie D du sodium à 589 nm), réduisant considérablement l'éblouissement et protégeant les yeux des travailleurs. Ces verres transmettent environ 70-80% de la lumière visible totale tout en bloquant spécifiquement les raies jaunes gênantes.
Le praséodyme est utilisé comme dopant dans les fibres optiques pour créer des amplificateurs à fibre dopée au praséodyme (PDFA) opérant dans la bande 1,3 μm, région importante pour les télécommunications optiques. Bien que moins répandus que les amplificateurs dopés à l'erbium (EDFA), les PDFA sont essentiels pour certaines applications spécialisées nécessitant une amplification dans cette bande de longueurs d'onde. Le praséodyme est également utilisé dans les cristaux laser YAG dopés pour générer des longueurs d'onde spécifiques dans le visible et le proche infrarouge.
Le praséodyme représente environ 4-5% de la composition typique du mischmetal, un alliage de terres rares légères utilisé principalement pour les pierres à briquet et comme additif métallurgique. Bien que minoritaire par rapport au cérium (45-50%) et au lanthane (25%), le praséodyme contribue aux propriétés pyrophoriques de l'alliage et à sa capacité à désulfurer les aciers.
Au-delà du mischmetal, le praséodyme est utilisé dans divers alliages métalliques spécialisés. Les alliages praséodyme-nickel (PrNi₅) présentent des propriétés magnétiques intéressantes et sont étudiés pour le stockage de l'hydrogène. Les alliages magnétostrictifs contenant du praséodyme sont utilisés dans les transducteurs ultrasoniques et les actuateurs de précision. Le praséodyme améliore également les propriétés mécaniques de certains alliages d'aluminium et de magnésium lorsqu'il est ajouté en petites quantités (0,1-0,5%).
Le praséodyme et ses composés présentent une toxicité faible à modérée, similaire aux autres lanthanides légers. Les composés solubles de praséodyme peuvent causer des irritations cutanées, oculaires et des voies respiratoires en cas d'exposition directe. L'inhalation de poussières de praséodyme peut provoquer une irritation pulmonaire, bien qu'aucun cas de pneumoconiose spécifique au praséodyme n'ait été documenté chez les travailleurs exposés.
L'ingestion de composés solubles de praséodyme peut causer des troubles gastro-intestinaux transitoires, incluant nausées, vomissements et diarrhées. Les études toxicologiques sur les animaux indiquent que le praséodyme s'accumule principalement dans le foie, la rate et le squelette osseux lors d'expositions chroniques. À doses élevées, le praséodyme peut interférer avec le métabolisme du calcium et perturber la fonction hépatique, bien que les seuils toxiques soient relativement élevés.
La toxicité du praséodyme est comparable à celle du cérium et du néodyme, et nettement inférieure à celle des éléments de transition toxiques comme le plomb ou le cadmium. Le praséodyme ne présente pas de bioaccumulation significative dans les chaînes alimentaires et se dégrade ou s'élimine relativement rapidement des organismes exposés. Aucun effet cancérigène, mutagène ou tératogène n'a été démontré pour le praséodyme dans les études disponibles.
L'exposition environnementale au praséodyme provient principalement de l'extraction minière des terres rares, du raffinage métallurgique, et du recyclage des aimants permanents. Les concentrations de praséodyme dans les sols près des mines de terres rares peuvent atteindre plusieurs dizaines de ppm, soit 3-5 fois les niveaux de fond naturels. Les eaux de ruissellement des sites miniers peuvent également contenir des concentrations élevées de praséodyme dissous.
Les normes d'exposition professionnelle pour le praséodyme ne sont pas spécifiquement établies dans la plupart des pays, 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. L'Agence de Protection de l'Environnement américaine (EPA) ne considère pas le praséodyme comme un polluant prioritaire. Les impacts écotoxicologiques du praséodyme sur les écosystèmes aquatiques et terrestres restent modérés aux concentrations environnementales typiques, bien que des effets sur certaines espèces sensibles aient été documentés à des concentrations élevées (>100 mg/L).
