Terbium

Carl Gustav Mosander
(1797-1858).

En 1789, le chimiste finlandais Johan Gadolin identifie un nouvel oxyde (ou « terre ») dans un échantillon d'ytterbite (rebaptisée plus tard « gadolinite » en son honneur). Cette nouvelle roche avait été découverte deux ans auparavant par le lieutenant Carl Axel Arrhenius près du village d'Ytterby en Suède. Ces travaux sont confirmés en 1797 par Anders Gustaf Ekeberg qui baptise le nouvel oxyde yttria[8].

Près d'un demi-siècle plus tard, le Suédois Carl Gustav Mosander parvient à isoler plusieurs terres rares (cérium, lanthane et didyme) grâce à de nouveaux procédés de cristallisation fractionnée[9]. Convaincu que l'yttria extraite de la gadolinite est également un mélange, il décide d'y chercher certains de ces nouveaux composés. À l'automne 1842, il parvient à isoler deux oxydes, l'un blanc (donnant des sels incolores), qu'il considère comme le véritable yttrium, et l'autre jaune (donnant des sels roses), qu'il décide de nommer « odinium » en l'honneur du dieu Odin de la mythologie nordique. Avant de publier les résultats de ces recherches en 1843, Mosander achève une étape supplémentaire de fractionnement des oxalates de ces composés et découvre un troisième oxyde. Il décide de conserver le terme yttria pour la fraction incolore (oxyde d'yttrium pur) et nomme la fraction jaune « erbine » et la fraction rose « terbine », toujours en rappel du village d'Ytterby[10].

Durant les décennies qui suivent, les découvertes de Mosander sont remises en question. En 1860, son compatriote Nils Johan Berlin reprend l'étude de l'yttria brute et parvient à en isoler deux oxydes. Il en considère un comme étant de l'oxyde d'yttrium pur et identifie l'autre comme l'erbine de Mosander, malgré le fait qu'il donne des sels colorés en rose. Il ne trouve par contre aucune trace de la terbine[11]. Ces expériences sont répétées en 1864 à Göttingen par Friedrich Otto Popp et à Genève par Marc Delafontaine, avec des conclusions opposées : le premier ne trouve aucun autre élément que l'yttrium et prétend que les autres composés sont des oxydes déjà connus (du cérium et du didyme)[12], alors que le second soutient l'existence à la fois de l'erbine et de la terbine[13]. Puis en 1866, c'est au tour de Robert Bunsen et de son assistant Johan Bahr de l'Université d’Heidelberg de réitérer le processus de séparation. Ils reconnaissent que les sels d'yttrium sont incolores et que leurs solutions ne présentent pas de bandes d'absorption, alors que les sels d'erbium ont une belle coloration rose et que leurs solutions donnent un spectre d'absorption tout à fait différent de celui du didyme. Mais ils ne trouvent aucun autre composé[14].

Ainsi, la confusion s'installe et les noms choisis par Mosander sont intervertis. Delafontaine a beau rétorquer que l'erbine de Berlin et de Bahr et Bunsen n'est autre que la terbine de Mosander, et qu'il détient les preuves de l'existence de la vraie erbine (celle de Mosander), il n'est pas entendu. Pendant plusieurs années, le terbium disparaît de la liste des éléments connus et se trouve ainsi absent de la première version du tableau périodique des éléments de Dmitri Mendeleïev en 1869[9]. Les Suédois Per Teodor Cleve et Otto Magnus Höglund (de) tentent de vérifier en 1872 l'hypothèse de Delafontaine, mais échouent une fois de plus à isoler autre chose que l'erbium (au sens de Bahr et Bunsen)[15]. L'existence de ce dernier fait bientôt l'unanimité au sein de la communauté scientifique, grâce à sa détection dans le spectre solaire par l'astronome américain Charles Augustus Young la même année[16].

C'est finalement dans un autre minerai, la samarskite, que Delafontaine finit par retrouver la trace de l'erbine jaune de Mosander. Il pense un temps la renommer « mosandrium » en l'honneur du chimiste suédois, puis s'accorde avec son compatriote Jean Charles Galissard de Marignac pour conserver le nom de terbine :

« Dans une note antérieure, j'ai proposé d'appliquer au radical de cette terre jaune, le nom de Mosandrium, quoique ce soit le vrai erbium de Mosander ; ce changement me semblait justifié par la notoriété qu'ont les travaux de M. Bunsen et de M. Cléve et qui rend impossible d'enlever à leur terre rose son nom impropre d'erbine, sans créer une confusion regrettable. M. Marignac pense qu'il serait préférable de ne pas créer un nouveau nom et qu'il vaut mieux compléter l'interversion des noms en appelant terbine la terre jaune (erbine Mosander non Bunsen), et erbine la terre rose (terbine de Mosander). Je me rangerai volontiers à cet avis [...] »

— Marc Delafontaine[17]

En 1878, ses travaux sont confirmés par Marignac, qui isole lui-même le terbium de la gadolinite. Parallèlement, l'Américain John Lawrence Smith publie la découverte d'une nouvelle terre jaune dans la samarskite, à laquelle il choisit de donner le nom de « mosandrum »[18]. Marignac l'analyse et déclare qu'elle n'est rien d'autre que la terbine dont Delafontaine et lui-même viennent de prouver l'existence[19], ce qui donne lieu à une vive dispute entre les trois scientifiques[20]. Ces découvertes sont définitivement ratifiées par la publication en 1882 des 194 lignes du spectre du terbium par le chimiste britannique Henry Enfield Roscoe[16].

Le terbium est un métal d'aspect gris argenté. Comme les autres membres de la famille des lanthanides, il est malléable, ductile et assez mou pour être coupé avec un couteau. Il est assez stable dans l'air, et existe sous deux formes allotropiques, avec un changement de phase à 1 289 °C[21].

Structure cristalline du terbium.

Comme toutes les terres rares lourdes, le terbium présente une structure cristalline en empilement compact hexagonal. En dessous de son point de Curie (−54,15 °C), il montre un agencement ferromagnétique simple avec les moments alignés selon l'axe b du plan basal. Au-dessus de T_c, l'élément ne devient pas immédiatement paramagnétique, mais atteint plutôt un état antiferromagnétique particulier qui persiste jusqu'à sa température de Néel (−43,15 °C). Cet agencement, connu sous le nom d'antiferromagnétisme hélicoïdal, est caractérisé par le fait que tous les moments magnétiques d'une même couche sont parallèles et orientés selon un angle fixe par rapport aux moments des couches adjacentes. Ils tournent ainsi autour de l'axe c à la manière d'une vis ou d'une hélice. Le dysprosium partage ces caractéristiques particulières pour d'autres températures[22]. Ces deux éléments présentent de plus une magnétostriction élevée[10].

Le cation terbium(III) exhibe une importante fluorescence de couleur verte. Elle implique une transition ⁵D₄ → ⁷F₅ dont la bande d'émission principale est située à 545 nm, avec un temps de vie de 0,1 à 2 ms[23].

La valence la plus commune dans les composés solides est de III. Un valence de IV est connue pour le métal dans son dioxyde (TbO₂) et son tétrafluorure (TbF₄). Le terbium forme également plusieurs oxydes non stœchiométriques de composition approximative Tb₄O₇. En solution, le métal existe seulement à l'état trivalent : [Tb(H₂O)_n]³⁺ .

Le terbium forme un certain nombre de composés binaires avec des éléments comme l'oxygène (TbO₂, Tb₂O₃, Tb₇O₁₂, Tb₁₁O₂₀), l'hydrogène (TbH₂, TbH₃), les halogènes (TbF₃, TbF₄, TbI₃), l'azote (TbN), le phosphore (TbP), le soufre (TbS), le sélénium (TbSe) et le tellure (TbTe), ainsi qu'avec le carbone, le silicium, le bore, l'arsenic et l'antimoine[24].

Les composés des ions trivalents de plusieurs lanthanides fluorescent après stimulation par des rayons UV ou une décharge électrique. Cette particularité en fait des composants de choix pour la conception des luminophores. Ainsi, la fluorescence verte du terbium connaît trois principales applications industrielles : tubes cathodiques des téléviseurs et des écrans d'ordinateurs, tubes fluorescents trichromatiques pour l'éclairage et radiographie médicale (transformation des rayons X en lumière visible)[30].

Fluorescence du sulfate de terbium.

À plus petite échelle, les propriétés optiques du terbium sont également utilisés en biochimie. Ainsi, une méthode spectrophotométrique de détection des spores bactériennes a été proposée. Elle repose sur l'addition de chlorure de terbium à un lysat d'endospores. L'acide dipicolinique, qui est un marqueur chimique unique des spores, chélate l'ion terbium(III) et forme un complexe qui montre une fluorescence intense dans le spectre visible[31].

Enfin, de manière plus anecdotique, la fluorescence verte du terbium est utilisée comme moyen de protection contre la contrefaçon des billets de la monnaie européenne[32].

• Pile à combustible : stabilisateur des cristaux de ZrO₂ dans des cellules.

• (en) « Technical data for Terbium » (consulté le 11 août 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope