Occurrence
Abondance de l’yttrium
L’yttrium se mélange souvent aux minéraux contenant des terres rares que l’on retrouve dans certains minerais d’uranium. Il apparaît dans les sables de bastnäsite ((Ce, La, Th, Nd, Y)(CO3)F) et de monazite ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO4). Cet élément est difficile à séparer des autres métaux de la même famille, avec lesquels il est toujours associé. Les minerais dans lesquels il est présent sont plus ou moins radioactifs. Ils incluent la bastnäsite, l’allanite (sorosilicate), l’orthite, la bétafite, la samarskite, l’euxénite, la gadolinite, la fergusonite et le xénotime. L’yttrium a été observé dans des échantillons lunaires collectés lors du programme Apollo.
La croûte terrestre contient de l’yttrium, à hauteur de 31 ppm. Ainsi, il se situe au 28e rang des éléments les plus nombreux sur Terre. Son abondance est de 400 fois supérieure à celle de l’argent. L’eau de mer contient de l’yttrium à hauteur de 9 ppt (parties par million). Dans le sol, sa concentration est de 10 à 150 ppm. La quantité moyenne de cet élément dans des échantillons secs est de 23 ppm.
L’yttrium n’a pas de fonction biologique connue, mais il est rencontré dans la plupart des organismes. Dans le corps humain, sa quantité normale ne dépasse pas 0,5 mg. Il se concentre principalement dans le foie, la rate, les reins, les os et les poumons. Il est présent dans le lait maternel à un taux de 4 ppm.
Les plantes comestibles contiennent généralement 20 à 100 ppm d’yttrium. Ces teneurs sont plus élevées dans certains légumes, notamment le chou. On a mesuré des concentrations allant jusqu’à 700 ppm dans les plantes ligneuses.
Gisements
En avril 2018, une étude a été publiée par des chercheurs japonais dans la revue Nature une étude. Elle mettait en avant la découverte de nouveaux gisements de terres rares, à l’Est du Japon. Ces minerais, situés à plus de 5 000 mètres de profondeur dans le sédiment marin, couvrent une superficie d’environ 2 500 km2. Les scientifiques ont estimé qu’ils renferment approximativement 16 millions de tonnes de terres rares. Selon une publication parue dans Scientific Reports en avril 2018, une telle quantité d’oxydes de terres rares équivaut à l’approvisionnement mondial en yttrium pendant 780 ans. L’exploitation de ces minerais pourrait produire l’équivalent d’un ravitaillement en dysprosium durant 730 ans, en europium pour une durée de 620 ans et en terbium pendant 420 ans. Même si la Chine et l’Australie sont les principaux producteurs de terres rares, cette découverte pourrait avoir un impact important sur le marché mondial.
Formation
L’yttrium résulte d’une nucléosynthèse stellaire au niveau du système solaire. Les principaux processus astrophysiques ayant conduit à sa formation sont le processus s (72 %) et le processus (28 %). Étant donné que tous les éléments du groupe 3 ont un nombre impair de protons, ils ont peu d’isotopes stables. L’abondance de l’yttrium 89 est supérieure à ce à quoi on pourrait s’attendre. Cela s’explique par le fait que le processus sa formation est lent et favorise les isotopes voisins de 90, 138 ou 208. Ces derniers ont des noyaux atomiques particulièrement stables, contenant respectivement 50, 82 et 126 neutrons. Le nombre de masse du noyau de 89Y est de 89 et il possède 50 neutrons.
Production
La ressemblance entre les propriétés chimiques des lanthanides et de l’yttrium fait qu’on le rencontre souvent dans les minerais contenant des terres rares. Bien qu’il y ait une légère séparation entre les terres rares légères (début de la famille) et lourdes (fin de la famille), celle-ci n’a jamais été complète. L’yttrium se retrouve principalement du côté des terres rares lourdes, malgré sa masse atomique faible. On dénombre quatre principales sources d’yttrium.
La première provient des minerais renfermant des carbonates ou des fluorures de terres rares légères. La bastnäsite ([(Ce, La, etc.)(CO3)F]) en est un exemple. En effet, ce type de minerai contient des terres rares lourdes et de l’yttrium (environ 0,1 %). Mountain Pass, situé en Californie, a été la principale source de bastnäsite entre les années 1960 et 1990. Grâce à cette mine de terres rares, les États-Unis sont devenus le plus important fournisseur de terres rares lourdes durant cette période.
La monazite ([(Ce, La, etc.)PO4]), un phosphate, constitue un gisement alluvionnaire résultant de l’érosion du granit. Ce minerai de terres rares légères contient 2 %, voire ou 3 %, d’yttrium. D’importants gisements ont été exploités au Brésil et en Inde au début du XIXe siècle. Par conséquent, ces deux pays ont émergé en tant que principaux producteurs d’yttrium au cours de la première moitié de ce siècle.
La troisième source d’yttrium est le xénotime. Ce phosphate de terres rares lourdes renferme jusqu’à 60 % de phosphate d’yttrium (YPO4). Ce qui en fait le plus grand minerai de xénotime. Ce minéral est extrait à Bayan Obo, en Chine. Le pays devient alors le plus gros exportateur de terres rares lourdes depuis la fin de l’exploitation de la mine de Mountain Pass.
Les argiles de Lognan, également connues sous le nom d’argiles absorbantes d’ions, constituent la quatrième source d’yttrium. Ces argiles sont obtenues par la météorisation du granit. Elles renferment 1 % de terres rares lourdes, dont certaines contiennent jusqu’à 8 % d’yttrium. L’exploitation de ces argiles se fait principalement dans le sud de la Chine. Par ailleurs, l’yttrium peut être extrait d’autres minéraux, tels que la fergusonite et la samarskite.
La séparation de l’yttrium des autres terres rares est un processus difficile. Cependant, l’extraction de l’yttrium pur à partir d’un mélange d’oxyde contenu dans le minerai est possible. Elle implique la dissolution de l’oxyde dans de l’acide sulfurique, suivie de l’isolation de celui-ci à l’aide de la chromatographie à échange d’ions. En ajoutant de l’acide oxalique, on provoque la précipitation de l’oxalate d’yttrium. Ce dernier est ensuite changé en oxyde par chauffage, en présence d’oxygène. Pour produire du fluorure d’yttrium, on fait entrer en réaction l’oxyde avec le fluorure d’hydrogène.
En 2001, la production mondiale d’oxyde d’yttrium a atteint 600 tonnes par an. La quantité des réserves est estimée à 9 millions de tonnes. La production annuelle d’yttrium métal se limite à quelques tonnes seulement. Ce dernier est obtenu par la transformation du fluorure d’yttrium en une éponge métallique après une réaction avec un alliage de magnésium et de calcium. Pour fondre l’yttrium, on a besoin d’un four à arc chauffé à 1 600 °C.