Le terbium 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. Contrairement à l'europium qui est dominé par le processus r, le terbium présente une contribution significative du processus s, estimée à environ 70-80% de son abondance solaire. Le reste provient du processus r (capture rapide de neutrons) lors d'événements explosifs comme les supernovae. Cette origine mixte mais dominée par le processus s le classe parmi les "terres rares intermédiaires".
L'abondance cosmique du terbium est d'environ 1,7×10⁻¹² fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui le rend environ 1,4 fois plus abondant que le gadolinium mais 5 à 6 fois moins abondant que le cérium. Cette rareté relative s'explique par sa position dans la "vallée" des abondances des terres rares lourdes et par le fait que son noyau possède un nombre impair de protons (65), ce qui tend à réduire son abondance selon la règle d'Oddo-Harkins (les éléments avec Z pair sont généralement plus abondants que leurs voisins avec Z impair).
Le terbium est un traceur important du processus s en astrophysique. Son abondance relative par rapport à d'autres lanthanides dans les étoiles de différentes générations permet de quantifier la contribution des étoiles AGB à l'enrichissement chimique de la Galaxie. Les étoiles enrichies en éléments du processus s (comme les étoiles à baryum) montrent souvent des rapports Tb/Eu élevés, caractéristique d'une nucléosynthèse dominée par le processus s plutôt que par le processus r. L'étude du terbium dans les étoiles pauvres en métaux aide à dater l'apparition des premières étoiles AGB dans l'Univers.
La détection du terbium dans les atmosphères stellaires est particulièrement difficile en raison de la faiblesse et du chevauchement de ses raies spectrales avec celles d'autres éléments. Les raies de l'ion Tb II (terbium une fois ionisé) sont les plus accessibles, mais elles nécessitent des spectres de haute résolution et à haut rapport signal/bruit. Malgré ces difficultés, le terbium a été détecté dans certaines étoiles du halo galactique et dans des étoiles enrichies en éléments du processus s. Ces détections fournissent des contraintes précieuses sur les modèles de nucléosynthèse stellaire et sur l'efficacité relative des processus s et r dans la production des terres rares lourdes.
Le terbium tire son nom du village suédois de Ytterby, situé sur l'île de Resarö près de Stockholm. Ce petit village possède une carrière de feldspath et de quartz qui a fourni plusieurs minéraux contenant des terres rares. Ytterby est célèbre pour avoir donné son nom à pas moins de quatre éléments : l'yttrium (Y), le terbium (Tb), l'erbium (Er) et l'ytterbium (Yb). Le nom "terbium" a été formé par analogie avec les autres éléments découverts dans les minerais de cette localité.
Le terbium 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 multiples cristallisations fractionnées, il réussit à séparer cet oxyde en trois composés distincts qu'il nomma yttria (blanche), erbia (rose) et terbia (jaune). La "terbia" qu'il avait isolée contenait principalement de l'oxyde de terbium, bien que la purification complète de l'élément ait pris plusieurs décennies supplémentaires.
Pendant plusieurs années, une confusion régna concernant les noms "terbia" et "erbia". Certains chimistes intervertirent les dénominations, attribuant le nom "terbia" à ce que nous appelons aujourd'hui erbia (oxyde d'erbium) 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 du terbium métallique relativement pur fut réalisée pour la première fois en 1905 par le chimiste français Georges Urbain, qui utilisa une électrolyse de sels fondus de terbium.
Le terbium est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d'environ 1,2 ppm (parties par million), ce qui en fait l'un des lanthanides les plus rares, comparable au lutécium et au thulium. Il est environ 5 fois moins abondant que le gadolinium. Les principaux minerais contenant du terbium sont la bastnaésite ((Ce,La,Nd,Tb)CO₃F) et la monazite ((Ce,La,Nd,Tb,Th)PO₄), où il représente typiquement 0,02 à 0,1% de la teneur totale en terres rares, et la xénotime (YPO₄) où il peut être plus concentré.
La production mondiale d'oxyde de terbium (Tb₄O₇) est d'environ 10 à 15 tonnes par an, ce qui en fait l'une des terres rares les moins produites en termes de masse. En raison de cette rareté et de ses applications spécialisées à haute valeur ajoutée, le terbium est l'une des terres rares les plus chères, avec des prix typiques de 1 000 à 2 000 dollars par kilogramme d'oxyde (voire plus lors des pics de demande). La Chine domine largement la production avec plus de 90% du total mondial.
Le terbium métallique est produit principalement par réduction métallothermique du fluorure de terbium (TbF₃) avec du calcium métallique en atmosphère inerte d'argon. La production annuelle mondiale de terbium métallique est d'environ 5 à 10 tonnes. Le recyclage du terbium provenant des lampes fluorescentes usagées et des aimants est techniquement possible et économiquement intéressant en raison de son prix élevé, mais les infrastructures de recyclage à grande échelle sont encore limitées.
Le terbium (symbole Tb, numéro atomique 65) est le neuvième élément de la série des lanthanides, appartenant aux terres rares du bloc f de la classification périodique. Son atome possède 65 protons, 94 neutrons (pour l'isotope stable unique \(\,^{159}\mathrm{Tb}\)) et 65 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f⁹ 6s². Cette configuration confère au terbium des propriétés magnétiques et luminescentes caractéristiques.
Le terbium est un métal gris-argenté, malléable, ductile et suffisamment mou pour être coupé au couteau. Il présente une structure cristalline hexagonale compacte (HC) à température ambiante. Le terbium est fortement paramagnétique et devient antiferromagnétique en dessous de 230 K (-43 °C), puis ferromagnétique en dessous de 220 K (-53 °C). Sa température de Curie est de 222 K (-51 °C). Bien que ces températures soient bien inférieures à l'ambiance, le terbium est crucial dans les alliages magnétostrictifs comme le Terfenol-D (Tb-Dy-Fe) qui présentent des propriétés magnétiques exceptionnelles à température ambiante.
Le terbium fond à 1356 °C (1629 K) et bout à 3230 °C (3503 K). Comme la plupart des lanthanides, il présente des points de fusion et d'ébullition élevés. Le terbium présente une transformation allotropique à 1289 °C où sa structure cristalline passe de hexagonale compacte (HC) à cubique centrée (CC). Sa conductivité électrique est médiocre, environ 30 fois inférieure à celle du cuivre. Le terbium présente également une magnétorésistance géante à basse température.
Le terbium est relativement stable à l'air sec à température ambiante, mais s'oxyde lentement pour former un oxyde Tb₄O₇ (un mélange de Tb₂O₃ et TbO₂). Il s'oxyde plus rapidement lorsqu'il est chauffé. Le terbium réagit lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde de terbium(III) Tb(OH)₃ et dégager de l'hydrogène. Il se dissout facilement dans les acides minéraux dilués. Le terbium métallique doit être conservé sous huile minérale ou en atmosphère inerte pour éviter une oxydation progressive.
Le point de fusion du terbium : 1629 K (1356 °C).
Le point d'ébullition du terbium : 3503 K (3230 °C).
Température de Curie du terbium : 222 K (-51 °C) - ferromagnétique en dessous.
Température de Néel (transition antiferromagnétique) : 230 K (-43 °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 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Terbium-159 — \(\,^{159}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 94 | 158,925346 u | ≈ 100 % | Stable | Seul isotope stable naturel du terbium. Possède 94 neutrons et est légèrement fissile. |
| Terbium-157 — \(\,^{157}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 92 | 156,924023 u | Synthétique | ≈ 71 ans | Radioactif (CE). Utilisé en recherche et comme source pour la production d'isotopes médicaux. |
| Terbium-158 — \(\,^{158}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 93 | 157,925413 u | Synthétique | ≈ 180 ans | Radioactif (CE, β⁺). Émetteur gamma utilisé en recherche et en analyse par activation neutronique. |
| Terbium-160 — \(\,^{160}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 95 | 159,927167 u | Synthétique | ≈ 72,3 jours | Radioactif (β⁻). Produit dans les réacteurs nucléaires, utilisé en recherche et en médecine nucléaire. |
| Terbium-161 — \(\,^{161}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 96 | 160,929369 u | Synthétique | ≈ 6,91 jours | Radioactif (β⁻). Émetteur bêta de faible énergie, étudié pour des applications en thérapie ciblée (radiothérapie). |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le terbium possède 65 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f⁹ 6s² présente neuf électrons dans la sous-couche 4f. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(27) P(2), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁹ 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 27 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f⁹ 5d⁰. Les neuf électrons 4f confèrent au terbium ses propriétés magnétiques et luminescentes caractéristiques.
Couche P (n=6) : contient 2 électrons dans la sous-couche 6s². Ces électrons sont les électrons de valence externe du terbium.
Le terbium possède effectivement 11 électrons de valence : neuf électrons 4f⁹ et deux électrons 6s². Le terbium présente principalement l'état d'oxydation +3, qui est de loin le plus stable et le plus courant. Dans cet état, le terbium perd ses deux électrons 6s et un électron 4f pour former l'ion Tb³⁺ avec la configuration électronique [Xe] 4f⁸. Cet ion possède huit électrons dans la sous-couche 4f et présente une luminescence verte intense caractéristique.
Le terbium peut également former des composés dans l'état d'oxydation +4, bien que ceux-ci soient beaucoup moins stables et nécessitent des conditions oxydantes. L'ion Tb⁴⁺ a la configuration [Xe] 4f⁷ (demi-remplie) qui lui confère une certaine stabilité, similaire à celle de l'ion Gd³⁺. Les composés de terbium(IV) comme TbO₂ (dioxyde de terbium) existent mais sont de puissants oxydants et se décomposent facilement en libérant de l'oxygène. Quelques rares composés de terbium(II) ont également été synthétisés en conditions extrêmes, mais ils sont très instables.
La chimie du terbium est ainsi dominée par l'état +3. L'ion Tb³⁺ possède un rayon ionique de 106,3 pm (pour une coordinance 8) et forme des complexes incolores ou faiblement colorés (jaune pâle) en solution aqueuse. Sa chimie de coordination est riche, avec une préférence pour les ligands à atomes donneurs d'oxygène. Les propriétés luminescentes de Tb³⁺ sont particulièrement exploitées dans les applications technologiques.
Le terbium métallique s'oxyde lentement à l'air sec à température ambiante, formant une fine couche d'oxyde qui protège partiellement le métal sous-jacent. Lorsqu'il est chauffé au-dessus de 150-200 °C, l'oxydation s'accélère et le terbium brûle pour former principalement l'oxyde mixte Tb₄O₇ (qui correspond à Tb₂O₃·TbO₂) : 8Tb + 7O₂ → 2Tb₄O₇. En poudre fine, le terbium est pyrophorique et peut s'enflammer spontanément à l'air. L'oxyde de terbium(III) Tb₂O₃ peut être obtenu par réduction de Tb₄O₇ sous atmosphère d'hydrogène à haute température.
Le terbium réagit lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde de terbium(III) Tb(OH)₃ et dégager de l'hydrogène gazeux : 2Tb + 6H₂O → 2Tb(OH)₃ + 3H₂↑. L'hydroxyde précipite sous forme d'un solide blanc gélatineux peu soluble. Comme pour les autres lanthanides, la réaction n'est pas aussi vigoureuse que pour les métaux alcalins ou alcalino-terreux, mais elle est notable et peut être observée sur le long terme si le métal est exposé à l'humidité.
Le terbium réagit avec tous les halogènes pour former des trihalogénures correspondants : 2Tb + 3F₂ → 2TbF₃ (fluorure blanc) ; 2Tb + 3Cl₂ → 2TbCl₃ (chlorure blanc). Le terbium se dissout facilement dans les acides minéraux dilués (acide chlorhydrique, sulfurique, nitrique) avec dégagement d'hydrogène et formation des sels correspondants de Tb³⁺ : 2Tb + 6HCl → 2TbCl₃ + 3H₂↑.
Le terbium réagit avec l'hydrogène à température modérée (300-400 °C) pour former l'hydrure TbH₂, puis TbH₃ à plus haute température. Avec le soufre, il forme le sulfure Tb₂S₃. Il réagit avec l'azote à haute température (>1000 °C) pour former le nitrure TbN, et avec le carbone pour former le carbure TbC₂. Le terbium forme également de nombreux complexes de coordination avec des ligands organiques, exploités notamment dans les marqueurs luminescents et les matériaux optiques.
La propriété la plus remarquable du terbium est sa luminescence verte intense. L'ion Tb³⁺ est l'un des ions lanthanides les plus luminescents, émettant une lumière verte vive principalement autour de 545 nm (transition ⁵D₄ → ⁷F₅) lorsqu'il est excité par UV (souvent autour de 254 nm ou 365 nm). Cette émission verte pure avec un rendement quantique élevé (jusqu'à 90% dans des matrices optimales comme les oxydes ou les fluorures) fait du terbium le phosphore vert standard pour de nombreuses applications. L'émission se compose en réalité de plusieurs raies étroites correspondant aux transitions vers différents niveaux ⁷FJ (J=6,5,4,3...), avec la raie à 545 nm étant la plus intense.
L'application qui fit la célébrité du terbium fut son utilisation comme activateur principal dans les phosphores verts des lampes fluorescentes "tri-phosphores" à haute efficacité et bon rendu des couleurs. Le phosphore standard est le phosphate de lanthane et cérium dopé au terbium : LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺ (souvent appelé LAP). Dans ce matériau, les ions Ce³⁺ absorbent efficacement le rayonnement UV du mercure (254 nm) et transfèrent l'énergie aux ions Tb³⁺ voisins, qui émettent alors une lumière verte vive à 545 nm. Combiné avec des phosphores bleus (BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺) et rouges (Y₂O₃:Eu³⁺), il permet d'obtenir une lumière blanche de qualité avec un indice de rendu des couleurs (IRC) supérieur à 80.
Le phosphore LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺ présente un rendement quantique exceptionnel (presque 100% dans des conditions optimales), une stabilité thermique et chimique élevée, et une couleur verte pure. Une lampe fluorescente compacte typique de 20W contient environ 50-100 milligrammes de ce phosphore, ce qui correspond à quelques milligrammes de terbium. Cette application a représenté pendant des décennies la plus grande part de la consommation mondiale de terbium, avant d'être progressivement remplacée par les LED. L'efficacité lumineuse des lampes tri-phosphores atteint 80-100 lumens par watt, soit 4 à 5 fois celle des lampes à incandescence.
Avec l'avènement des LED blanches, le terbium a trouvé de nouvelles applications dans les phosphores convertisseurs. Pour les LED vertes pures, des matériaux comme le silicate de strontium et d'aluminium dopé au terbium (SrAl₂O₄:Tb³⁺) ou le YAG dopé au terbium sont utilisés. Dans les LED blanches, des mélanges de phosphores contenant du terbium (vert) avec des phosphores bleus et rouges permettent d'obtenir un spectre complet et un IRC élevé. Des recherches sont en cours pour développer des phosphores à base de nitrures ou d'oxynitrures dopés au terbium, offrant une meilleure stabilité à haute température et une efficacité accrue.
La magnétostriction est la propriété qu'ont certains matériaux de changer de forme ou de dimensions sous l'effet d'un champ magnétique. Le Terfenol-D (nom commercial dérivé de TERbium, FE (fer), Naval Ordnance Laboratory, et D pour dysprosium) est un alliage de composition approximative Tb0,3Dy0,7Fe₂ qui présente une magnétostriction géante à température ambiante. Il peut s'allonger ou se contracter de jusqu'à 0,1 à 0,2% de sa longueur sous l'action d'un champ magnétique, ce qui est environ 50 à 100 fois plus que les matériaux magnétostrictifs traditionnels comme le nickel.
Le Terfenol-D est un alliage à base de terres rares (terbium et dysprosium) et de fer. La combinaison de terbium et de dysprosium permet d'ajuster les propriétés magnétiques pour obtenir une magnétostriction optimale à température ambiante, tout en minimisant l'anisotropie magnétique. Le fer fournit le couplage magnétique. L'alliage se présente généralement sous forme de monocristaux ou de matériaux à texture directionnelle pour maximiser l'effet dans une direction privilégiée. La teneur en terbium est cruciale pour les performances mais contribue significativement au coût élevé du matériau.
Le Terfenol-D est utilisé dans des actionneurs de précision (convertisseurs sonar, injecteurs de carburant à commande magnétique, systèmes de positionnement micro- et nanométrique), des capteurs (capteurs de force et de couple, hydrophones), des transducteurs ultrasonores (imagerie médicale, nettoyage par ultrasons), et des systèmes de contrôle vibratoire (amortissement actif). Sa capacité à convertir l'énergie magnétique en mouvement mécanique (et vice-versa) avec une grande force, une réponse rapide et une précision élevée en fait un matériau unique pour de nombreuses applications de haute technologie. Un actionneur typique peut contenir de quelques grammes à plusieurs centaines de grammes de Terfenol-D.
Les complexes organiques de terbium (généralement avec des ligands β-dicétonates) présentent une luminescence verte intense sous illumination UV et une durée de vie de fluorescence longue (de l'ordre de la milliseconde), ce qui les rend idéaux pour les applications de sécurité. Ils sont utilisés dans les encres d'imprimerie des billets de banque, des passeports, des cartes d'identité, des étiquettes de produits pharmaceutiques et de luxe. La luminescence verte du terbium est souvent combinée avec la luminescence rouge de l'europium pour créer des effets colorés complexes difficiles à reproduire.
Des nanoparticules ou des microsphères dopées au terbium peuvent être incorporées dans des matériaux (plastiques, peintures, encres) pour créer des marqueurs invisibles à l'œil nu mais détectables par fluorescence sous UV. Ces marqueurs permettent la traçabilité des produits, l'authentification, et la lutte contre la contrefaçon. La signature spectrale unique du terbium (raies étroites caractéristiques) permet une identification sans ambiguïté. Des systèmes plus sophistiqués utilisent des mélanges d'ions terres rares (dont le terbium) dans des proportions spécifiques pour créer des "codes à barres" luminescents.
Les chélates de terbium (par exemple avec l'EDTA ou des dérivés) présentent une fluorescence à longue durée de vie, ce qui permet de les détecter en utilisant une technique de mesure en décalage temporel (time-resolved fluorescence). Cette méthode élimine efficacement la fluorescence de fond à courte durée de vie provenant des composants biologiques, augmentant considérablement la sensibilité des dosages. Les immunoessais à fluorescence résolue dans le temps (TRFIA) utilisant le terbium sont employés pour doser des hormones, des marqueurs tumoraux, des antigènes viraux, etc., avec des limites de détection très basses.
Les complexes de terbium sont étudiés comme agents de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM), bien qu'ils soient moins efficaces que ceux au gadolinium. Le terbium-161 (⁶¹Tb) est un isotope radioactif émetteur bêta qui est à l'étude pour la radiothérapie ciblée des cancers (théranostique), en particulier lorsqu'il est couplé à des molécules ciblant spécifiquement les cellules tumorales. La recherche sur les nanoparticules dopées au terbium pour l'imagerie optique et le traitement est également active.
Le terbium et ses composés présentent une toxicité chimique modérée, similaire aux autres lanthanides. Les sels solubles de terbium peuvent causer des irritations cutanées, oculaires et des voies respiratoires. L'inhalation de poussières de composés de terbium peut provoquer une irritation pulmonaire. Les études toxicologiques indiquent une toxicité aiguë faible à modérée, avec des DL50 (dose létale médiane) pour les sels de terbium typiquement supérieures à 500-1000 mg/kg chez les rongeurs par voie orale. Aucun effet cancérigène, mutagène ou tératogène n'a été clairement démontré pour le terbium.
Comme les autres lanthanides, le terbium ingéré ou injecté s'accumule principalement dans le foie et le squelette osseux. Sa période biologique est longue (plusieurs années pour la fraction osseuse). Le terbium n'a pas de rôle biologique connu et n'est pas considéré comme un élément essentiel. En raison de sa faible utilisation directe chez l'humain (hormis les traceurs en recherche), l'exposition de la population générale est extrêmement faible et provient principalement de sources environnementales diffuses.
Les préoccupations environnementales majeures sont associées à l'extraction et au raffinage des terres rares en général, et non spécifiquement au terbium. L'extraction d'un kilogramme de terbium nécessite le traitement de plusieurs centaines de tonnes de minerai, générant d'importants volumes de déchets, d'eaux acides et de résidus parfois radioactifs (thorium, uranium). Les sites miniers peuvent avoir des impacts significatifs sur les sols, les eaux et la santé des travailleurs si les pratiques ne sont pas contrôlées.
Le terbium est classé comme "matière première critique" par l'Union Européenne et les États-Unis en raison de son importance économique, de ses applications stratégiques (défense, haute technologie) et de la forte concentration géographique de sa production (Chine). Le recyclage du terbium à partir des lampes fluorescentes usagées, des aimants et des déchets électroniques est donc une priorité pour sécuriser l'approvisionnement et réduire l'impact environnemental. Les techniques de recyclage (hydrométallurgie, pyrométallurgie) sont opérationnelles mais nécessitent des infrastructures de collecte et de tri efficaces. Les taux de recyclage actuels sont faibles (moins de 1%) mais devraient augmenter avec les réglementations sur les déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) et la hausse des prix.
L'exposition professionnelle au terbium se produit principalement dans les usines de production de terres rares, de fabrication de phosphores, et de recyclage. Il n'existe pas de valeur limite d'exposition professionnelle spécifique au terbium dans la plupart des pays. Les recommandations générales pour les poussières de terres rares s'appliquent (typiquement 5-10 mg/m³ pour les poussières respirables). Des équipements de protection individuelle (masques, gants) et une ventilation appropriée sont nécessaires dans les environnements où des poussières ou des aérosols de composés de terbium sont susceptibles d'être présents.
