Lanthanides (terres rares)

Le remplissage de la sous-couche 4f

Au fil des lanthanides, les électrons s’ajoutent à la sous-couche 4f, située profondément à l’intérieur de l’atome, sous les électrons 5s et 5p. De nombreux lanthanides ont la configuration [Xe] 4fⁿ 6s², comme le néodyme ([Xe] 4f⁴ 6s²). Le lanthane ([Xe] 5d¹ 6s²) n’a pas encore d’électrons 4f, et le lutécium ([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²) possède une sous-couche 4f pleine.

Faire entrer les 15 éléments dans le tableau principal le rendrait large de 32 colonnes ; on les imprime donc à part. Les chimistes débattent encore pour savoir si c’est le lanthane ou le lutécium qui appartient au groupe 3 sous l’yttrium ; ce site affiche les deux dans la ligne des lanthanides.

Propriétés et réactions

Les lanthanides sont des métaux mous et argentés qui se ternissent à l’air. Ils réagissent lentement avec l’eau froide et plus vite avec l’eau chaude, en libérant de l’hydrogène : 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. Comme les électrons 4f, enfouis, participent peu aux liaisons, presque tous les lanthanides forment des ions 3+ et ont une chimie très semblable, bien que le cérium puisse aussi être +4, et l’europium et l’ytterbium +2.

Les électrons 4f non appariés confèrent à de nombreux ions lanthanides un fort magnétisme et des couleurs de lumière vives et pures. Le prométhium est le seul lanthanide sans isotope stable et il est presque absent de la nature.

La contraction lanthanidique

Du lanthane au lutécium, les ions 3+ rétrécissent régulièrement, car chaque proton ajouté attire plus fortement les électrons, tandis que les électrons 4f s’écrantent mal les uns les autres. Les chimistes exploitent ces petites différences de taille pour séparer les lanthanides. Cette contraction explique aussi pourquoi le hafnium et les autres métaux de transition de la période 6 ont presque la même taille que les métaux situés au-dessus d’eux.

Rares mais utiles

Malgré leur nom, la plupart des terres rares ne sont pas particulièrement rares : le cérium est à peu près aussi abondant dans la croûte terrestre que le cuivre. Elles se trouvent mélangées dans des minéraux comme la monazite et la bastnaésite, et sont difficiles à séparer.

Les aimants néodyme-fer-bore sont les aimants permanents les plus puissants disponibles ; on les trouve dans les moteurs de voitures électriques, les éoliennes, les écouteurs et les disques durs. L’europium et le terbium produisent la lumière rouge et verte des écrans et des lampes, l’erbium amplifie les signaux dans les câbles à fibre optique, le gadolinium est un produit de contraste pour les IRM, et l’oxyde de cérium sert à polir le verre. Le lanthane entre dans la fabrication des objectifs d’appareils photo et des batteries nickel-hydrure métallique.