L'yttrium possède une histoire fascinante liée à un petit village suédois qui donnera son nom à quatre éléments chimiques. En 1787, le lieutenant et chimiste amateur suédois Carl Axel Arrhenius (1757-1824) découvrit près du village d'Ytterby (situé sur l'île de Resarö dans l'archipel de Stockholm) un minéral noir inhabituel qu'il nomma ytterbite (aujourd'hui appelé gadolinite).
En 1794, le chimiste finlandais Johan Gadolin (1760-1852) analysa ce minéral et isola ce qu'il crut être un nouvel oxyde de terre, qu'il nomma yttria (oxyde d'yttrium, Y₂O₃). Cependant, cet oxyde contenait en réalité plusieurs éléments de terres rares mélangés, et il faudra plus d'un siècle pour tous les séparer.
L'yttrium métallique pur ne fut isolé qu'en 1828 par le chimiste allemand Friedrich Wöhler (1800-1882), qui réussit à réduire le chlorure d'yttrium (YCl₃) avec du potassium. Cependant, le métal obtenu contenait encore des impuretés. Ce n'est qu'au début du 20e siècle, avec le développement de techniques de séparation plus sophistiquées, que l'yttrium vraiment pur fut obtenu.
Le nom yttrium provient du village d'Ytterby, qui donnera également son nom à trois autres éléments découverts dans le même minerai : l'ytterbium (Yb), le terbium (Tb) et l'erbium (Er). Aucun autre lieu au monde n'a donné son nom à autant d'éléments chimiques.
L'yttrium (symbole Y, numéro atomique 39) est un métal de transition du groupe 3 du tableau périodique. Bien que chimiquement très similaire aux lanthanides (terres rares), il n'en fait pas partie stricto sensu car il ne possède pas d'électrons dans les orbitales 4f. Son atome possède 39 protons, 50 neutrons (pour l'isotope stable \(\,^{89}\mathrm{Y}\)) et 39 électrons avec la configuration électronique [Kr] 4d¹ 5s².
À température ambiante, l'yttrium est un métal solide blanc argenté brillant, relativement léger pour un métal de transition (densité ≈ 4,47 g/cm³). Il présente une structure cristalline hexagonale compacte à température ambiante, qui se transforme en structure cubique centrée au-dessus de 1 478 °C.
L'yttrium est un métal relativement mou et ductile qui peut être facilement usiné, laminé et étiré. Il présente une bonne conductivité électrique et thermique, typique des métaux de transition. Comme la plupart des terres rares, l'yttrium est paramagnétique à température ambiante.
Une propriété remarquable de l'yttrium est sa forte affinité pour l'oxygène. À température ambiante, il se recouvre rapidement d'une fine couche d'oxyde (Y₂O₃) qui le protège partiellement de l'oxydation ultérieure. Cependant, en présence d'humidité ou à haute température, l'oxydation devient plus rapide. L'yttrium finement divisé peut même être pyrophorique (s'enflammer spontanément à l'air).
Le point de fusion (état liquide) de l'yttrium : 1 799 K (1 526 °C).
Le point d'ébullition (état gazeux) de l'yttrium : 3 609 K (3 336 °C).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Décroissance / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Yttrium-89 — \(\,^{89}\mathrm{Y}\,\) | 39 | 50 | 88.905848 u | 100 % | Stable | Seul isotope stable et naturel de l'yttrium. Élément mononucléidique. |
| Yttrium-90 — \(\,^{90}\mathrm{Y}\,\) | 39 | 51 | 89.907152 u | Synthétique | ≈ 64,0 heures | Radioactif (β⁻). Émetteur bêta pur utilisé en radiothérapie et en médecine nucléaire pour traiter certains cancers (microsphères radioactives). |
| Yttrium-88 — \(\,^{88}\mathrm{Y}\,\) | 39 | 49 | 87.909501 u | Synthétique | ≈ 106,6 jours | Radioactif (capture électronique, β⁺). Émetteur de positons utilisé en imagerie TEP (tomographie par émission de positons). |
| Yttrium-91 — \(\,^{91}\mathrm{Y}\,\) | 39 | 52 | 90.907305 u | Synthétique | ≈ 58,5 jours | Radioactif (β⁻). Produit de fission dans les réacteurs nucléaires. Contributeur aux retombées radioactives. |
| Yttrium-87 — \(\,^{87}\mathrm{Y}\,\) | 39 | 48 | 86.910876 u | Synthétique | ≈ 79,8 heures | Radioactif (capture électronique, β⁺). Utilisé en recherche médicale. |
N.B. :
Les couches électroniques : Comment les électrons s'organisent autour du noyau.
L'yttrium possède 39 électrons répartis sur cinq couches électroniques. Sa configuration électronique complète est : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹ 5s², ou de manière simplifiée : [Kr] 4d¹ 5s². Cette configuration peut aussi s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(8) O(3).
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 est complète avec la sous-couche 3d entièrement remplie.
Couche N (n=4) : contient 8 électrons répartis en 4s² 4p⁶. Cette couche présente une configuration de gaz noble (krypton), ce qui explique pourquoi la configuration électronique simplifiée commence par [Kr].
Couche O (n=5) : contient 3 électrons répartis en 4d¹ 5s². Ces trois électrons constituent les électrons de valence de l'yttrium.
Les 3 électrons de la couche externe (4d¹ 5s²) constituent les électrons de valence de l'yttrium. Cette configuration explique ses propriétés chimiques :
L'état d'oxydation presque exclusif de l'yttrium est +3, où il perd ses trois électrons de valence pour former l'ion Y³⁺ avec la configuration stable [Kr] (isoélectronique du krypton). Cette configuration de gaz noble à sous-couches complètes est extrêmement stable, ce qui explique pourquoi l'yttrium forme presque exclusivement des composés au degré d'oxydation +3.
Des états d'oxydation +2 et +1 ont été observés dans de très rares composés organométalliques ou dans des conditions expérimentales extrêmes, mais ils sont très instables et se réoxydent rapidement. L'état +3 domine complètement la chimie de l'yttrium.
L'yttrium métallique (état 0) existe naturellement sous forme élémentaire, bien qu'il s'oxyde facilement en Y₂O₃ au contact de l'air.
La configuration électronique de l'yttrium, avec un seul électron dans l'orbitale 4d et deux dans l'orbitale 5s, est caractéristique des métaux de transition du groupe 3. Cette configuration le place chimiquement entre le scandium (élément léger du groupe 3) et les lanthanides (terres rares lourdes). L'yttrium est souvent trouvé naturellement associé aux lanthanides car son rayon ionique Y³⁺ (≈ 90 pm) est similaire à ceux des lanthanides moyens comme le holmium (Ho³⁺, ≈ 90 pm) ou le dysprosium (Dy³⁺, ≈ 91 pm), ce qui permet une substitution facile dans les réseaux cristallins.
L'yttrium est un métal relativement réactif, particulièrement vis-à-vis de l'oxygène et de l'eau. À température ambiante, il se recouvre rapidement d'une fine couche d'oxyde (Y₂O₃) qui le protège partiellement de l'oxydation ultérieure. Cependant, cette protection est imparfaite, surtout en présence d'humidité.
L'yttrium réagit lentement avec l'oxygène à température ambiante mais vigoureusement à haute température (> 400 °C) en formant l'oxyde d'yttrium(III) : 4Y + 3O₂ → 2Y₂O₃. L'yttrium finement divisé peut s'enflammer spontanément à l'air (pyrophorie), dégageant une lumière intense.
Avec l'eau, l'yttrium réagit lentement à température ambiante mais rapidement à chaud, formant de l'hydroxyde d'yttrium et libérant de l'hydrogène gazeux : 2Y + 6H₂O → 2Y(OH)₃ + 3H₂. Cette réaction s'accélère considérablement avec l'augmentation de la température.
L'yttrium réagit avec tous les acides, même dilués, pour former des sels d'yttrium(III) et libérer de l'hydrogène : 2Y + 6HCl → 2YCl₃ + 3H₂. Il se dissout également dans les bases fortes concentrées en formant des hydroxydes complexes.
Avec les halogènes, l'yttrium réagit vigoureusement pour former des trihalogénures : 2Y + 3X₂ → 2YX₃ (où X = F, Cl, Br, I). Il réagit également avec le soufre, le sélénium, le tellure, l'azote (formant du nitrure Y₃N₅ à haute température), le carbone (formant des carbures YC₂ et Y₂C₃), et de nombreux autres non-métaux.
L'oxyde d'yttrium (Y₂O₃), aussi appelé yttria, est un composé particulièrement important. C'est une poudre blanche très stable thermiquement (point de fusion : 2 425 °C) et chimiquement inerte. Elle présente une structure cristalline cubique de type bixbyite et est utilisée dans de nombreuses applications technologiques.
L'yttrium est synthétisé dans les étoiles par plusieurs processus de nucléosynthèse. Il se forme principalement lors de la combustion explosive du silicium pendant les explosions de supernovae de type II, qui produit des noyaux dans la région de masse A ≈ 90. Le processus s (capture lente de neutrons) dans les étoiles AGB (branche asymptotique des géantes) contribue également à la production d'yttrium.
L'isotope stable \(\,^{89}\mathrm{Y}\) est le seul isotope naturel de l'yttrium (élément mononucléidique), ce qui simplifie l'étude de son abondance cosmique. Cette unicité isotopique reflète la stabilité particulière du noyau à 39 protons et 50 neutrons, proche du nombre magique de neutrons N = 50.
L'abondance de l'yttrium dans l'univers est relativement élevée pour un élément de terre rare, environ 5 × 10⁻¹⁰ fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes. Cette abondance le place au niveau du néodyme ou du samarium parmi les lanthanides, bien qu'il ne soit pas lui-même un lanthanide.
Le rapport yttrium/fer ([Y/Fe]) mesuré dans les étoiles anciennes pauvres en métaux fournit des informations importantes sur la nucléosynthèse primordiale. Les étoiles très anciennes du halo galactique montrent un rapport [Y/Fe] relativement constant, suggérant que l'yttrium et le fer sont tous deux produits principalement par les supernovae de type II, bien que par des processus différents.
Les raies spectrales de l'yttrium ionisé (Y II) sont facilement observables dans les spectres stellaires et constituent des indicateurs importants de la composition chimique des étoiles. La raie Y II à 3982,6 Å est particulièrement utilisée en spectroscopie stellaire. L'étude de ces raies dans les étoiles de différentes populations (jeunes, vieilles, pauvres en métaux) permet de retracer l'histoire de l'enrichissement chimique de la Galaxie.
Dans les météorites primitives, l'analyse des abondances d'yttrium et d'autres éléments réfractaires aide à comprendre les processus de condensation et de fractionnement chimique dans la nébuleuse solaire primitive. L'yttrium étant un élément réfractaire (se condensant à haute température), il se concentre préférentiellement dans certains types de minéraux des météorites les plus anciennes.
Les isotopes radioactifs de l'yttrium, notamment ⁸⁸Y et ⁹⁰Y, sont produits lors des explosions de supernovae et contribuent brièvement (quelques mois à quelques années) à la luminosité résiduelle de ces événements. L'étude de ces isotopes aide à comprendre les mécanismes détaillés des explosions stellaires.
N.B. :
L'yttrium est présent dans la croûte terrestre à une concentration d'environ 0,0033 % en masse (33 ppm), ce qui le rend plus abondant que le plomb, l'étain ou le molybdène. Contrairement à son nom de « terre rare », l'yttrium n'est pas particulièrement rare ; cette appellation historique fait référence à la difficulté de son extraction et de sa purification plutôt qu'à sa rareté absolue.
L'yttrium ne forme pas de minerais propres mais se trouve toujours associé aux lanthanides dans les minéraux de terres rares. Les principaux minerais contenant de l'yttrium sont la xénotime (YPO₄, phosphate d'yttrium riche en terres rares lourdes, contenant jusqu'à 60 % Y₂O₃), la bastnäsite ((Ce,La,Y)CO₃F, fluorocarbonate de terres rares légères avec 0,1 à 10 % Y₂O₃), la monazite ((Ce,La,Nd,Th)PO₄, phosphate de terres rares contenant 2 à 3 % Y₂O₃), et les argiles d'adsorption ionique du sud de la Chine (riches en terres rares moyennes et lourdes dont l'yttrium).
L'extraction de l'yttrium est complexe et coûteuse. Les minerais sont d'abord attaqués par des acides concentrés pour dissoudre les terres rares. Puis des techniques sophistiquées de séparation sont employées : extraction par solvant (utilisant des agents chélatants organiques), échange d'ions sur résines spécifiques, ou précipitation fractionnée. Ces processus doivent être répétés de nombreuses fois car les propriétés chimiques des terres rares sont extrêmement similaires. La réduction finale de l'oxyde Y₂O₃ en métal yttrium se fait par réduction métallothermique (avec du calcium) sous vide ou atmosphère inerte, suivie d'une distillation pour éliminer le calcium en excès.
La production mondiale d'oxydes de terres rares contenant de l'yttrium est dominée par la Chine (≈ 60 % de la production mondiale), suivie par les États-Unis, l'Australie, la Birmanie et l'Inde. Les gisements majeurs incluent Bayan Obo en Mongolie intérieure (Chine), Mountain Pass en Californie (États-Unis), Mount Weld en Australie, et les argiles ioniques du Jiangxi (Chine). La production annuelle d'yttrium est d'environ 8 900 tonnes (exprimée en équivalent Y₂O₃).
Le recyclage de l'yttrium devient stratégiquement important avec la croissance rapide de la demande (≈ 8 % par an), notamment pour les aimants permanents, les luminophores d'écrans usagés et les catalyseurs. Cependant, le taux de recyclage actuel reste faible (< 1 %) en raison de la complexité technique et du coût élevé des procédés de récupération. L'Union européenne et les États-Unis classent l'yttrium comme matériau stratégique critique en raison de son importance pour les technologies avancées (énergies renouvelables, défense, électronique) et de la concentration géographique de sa production.
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