L’élément naturel le plus rare sur Terre est l’astate, l’élément numéro 85. On ne l’obtient jamais en quantité pesable : une équipe du CERN estimait en 2013 sa quantité totale sur la planète à 0,07 gramme. D’autres sources donnent moins de 50 milligrammes dans le premier kilomètre de croûte terrestre, ou jusqu’à une trentaine de grammes. Toutes s’accordent sur l’essentiel : l’astate se forme sans cesse dans les roches et disparaît presque aussitôt. Juste derrière lui vient le francium, l’élément 87, dont la croûte terrestre ne contiendrait qu’une trentaine de grammes.
Quel est l’élément naturel le plus rare sur Terre ?
C’est l’astate. L’article publié en 2013 dans la revue Nature Communications par l’équipe de Rothe, au CERN, le présente comme l’élément naturel le plus rare sur Terre, avec une abondance totale estimée à 0,07 gramme.
Les chiffres varient pourtant d’une source à l’autre, et l’écart est spectaculaire. La Royal Society of Chemistry cite l’estimation des chimistes Greenwood et Earnshaw : moins de 50 milligrammes dans le premier kilomètre de la croûte terrestre. Le laboratoire national de Los Alamos écrit qu’il y en a moins de 30 grammes sur Terre à tout moment, et avance ailleurs sur la même page le chiffre d’environ 25 grammes. Entre 50 milligrammes et 30 grammes, le rapport dépasse 500.
Cet écart ne remet pas le record en cause. Il montre simplement qu’on ne pèse pas l’astate de la Terre : on le calcule, à partir de la quantité d’uranium et de thorium qui le produit en se désintégrant. La Royal Society of Chemistry le résume en une phrase : l’astate peut s’obtenir de plusieurs façons, mais jamais en quantité pesable.
L’astate est l’élément naturel le plus rare, même si personne ne s’accorde sur sa quantité exacte.
Pourquoi l’astate et le francium sont-ils si rares ?
Parce qu’ils sont radioactifs et qu’ils vivent très peu de temps. Leur nom l’annonce pour le premier : « astate » vient du grec *astatos*, « instable ».
Le laboratoire de Los Alamos explique que l’astate se forme en continu dans la croûte terrestre, comme produit de la désintégration de l’uranium et du thorium. Il ne s’accumule pas, car la plupart de ses isotopes se désintègrent en quelques secondes. Son isotope le plus durable, l’astate 210, a une demi-vie de 8,1 heures : au bout de ce délai, la moitié des atomes a déjà disparu. La Royal Society of Chemistry compte plus de trente isotopes de l’astate, tous radioactifs.
Le francium suit le même schéma. Selon Los Alamos, des traces s’en trouvent dans les minerais d’uranium, où l’uranium 235 produit du francium 223 au fil d’une chaîne de désintégrations. Ce francium 223, son isotope le plus durable, a une demi-vie d’environ 22 minutes. La Royal Society of Chemistry, dans son émission consacrée au francium, parle de moins d’un kilogramme dans toute la croûte terrestre ; Los Alamos l’estime à environ 30 grammes.
L’astate et le francium sont donc rares non parce qu’ils manquent de sources, mais parce qu’ils ne restent pas : la quantité présente à un instant donné est un équilibre entre ce qui se forme et ce qui disparaît.
Un élément qui se désintègre en quelques heures ne peut jamais s’accumuler, même s’il se forme sans arrêt.
Comment a-t-on découvert des éléments aussi rares ?
Pas en les cherchant dans la nature. L’astate a d’abord été fabriqué. Selon la Royal Society of Chemistry, Dale R. Corson, K. R. MacKenzie et Emilio Segrè l’ont produit en 1940 à l’université de Californie, en bombardant du bismuth avec des particules alpha ; Los Alamos précise qu’ils ont utilisé un cyclotron, un accélérateur de particules, à Berkeley. Un an plus tôt, en 1939, Horia Hulubei et Yvette Cauchois avaient cru le détecter dans des minéraux.
Le francium, lui, a été trouvé dans la nature, et par une Française. En 1939, à l’Institut Curie, à Paris, Marguerite Perey a remarqué qu’un échantillon d’actinium purifié restait radioactif à cause d’un autre élément, qu’elle a identifié comme l’élément 87. Ses résultats ont été contestés, et elle n’a été reconnue comme découvreuse qu’en 1946, rapporte la Royal Society of Chemistry. Elle l’a nommé francium, d’après la France. Pour Los Alamos, c’est le dernier élément découvert dans la nature.
L’astate reste si difficile à étudier qu’une de ses propriétés de base, l’énergie nécessaire pour arracher un électron à l’atome, n’a été mesurée qu’en 2013. L’équipe de Rothe l’a obtenue au CERN, sur l’installation ISOLDE, à l’aide de lasers : 9,31751 électronvolts. Les auteurs rappellent que ses propriétés ne peuvent s’étudier que sur d’infimes quantités produites artificiellement, ou par le calcul.
Le francium est le dernier élément découvert dans la nature, en 1939, par Marguerite Perey à Paris.
Quel est l’élément stable le plus rare ?
Si l’on écarte les éléments radioactifs, les candidats changent complètement. Aucune des sources consultées ne publie un classement unique des éléments stables par abondance, mais deux noms reviennent.
L’iridium, d’abord. La Royal Society of Chemistry le décrit comme l’un des éléments les plus rares sur Terre, avec une abondance de 0,000037 partie par million dans la croûte, soit 0,037 partie par milliard. Il a été découvert en 1803 par Smithson Tennant, en même temps que l’osmium, et doit son nom à Iris, déesse grecque de l’arc-en-ciel. La même source signale une très fine couche d’iridium dans la croûte terrestre, que certains scientifiques relient à l’impact de météorite ou d’astéroïde qui aurait fait disparaître les dinosaures.
Le rhénium, ensuite. Dans un rapport publié en 2017, l’institut d’études géologiques des États-Unis (USGS) le range parmi les éléments les plus rares de la croûte continentale, avec une abondance moyenne estimée à moins d’une partie par milliard.
Avec ces deux chiffres, l’iridium apparaît plus rare que le rhénium. La comparaison reste prudente : les deux sources ne mesurent pas forcément la même partie de la croûte.
Parmi les éléments stables, l’iridium fait partie des plus rares : environ 37 microgrammes par tonne de croûte.
Naturel ou synthétique : où passe la frontière ?
Elle est plus floue qu’il n’y paraît. Le tableau périodique compte 118 éléments. Pour la Royal Society of Chemistry, 94 existent à l’état naturel, de l’hydrogène au plutonium. Le laboratoire national Lawrence Livermore en compte 90. L’écart tient aux éléments qui n’existent dans la nature qu’à l’état de traces infimes.
Le technétium, élément 43, illustre cette zone grise. Selon la Royal Society of Chemistry, Carlo Perrier et Emilio Segrè l’ont identifié en 1937 en Italie, dans du molybdène exposé à des radiations : c’est le tout premier élément fabriqué par l’homme, et son nom vient du grec *tekhnetos*, « artificiel ». Pourtant, il existe aussi dans la nature, à l’état de traces, produit par la fission spontanée de l’uranium : environ un milligramme par tonne d’uranium.
Au-delà, les éléments les plus lourds n’existent que le temps d’une expérience. Le laboratoire Lawrence Livermore, avec le laboratoire russe FLNR, a codécouvert les éléments 114 à 118, du flérovium à l’oganesson. Ils font l’objet de notre page sur les éléments les plus lourds, et l’instabilité record est traitée dans l’élément le plus instable.
L’astate est l’élément le plus rare parmi ceux que la nature produit encore ; les éléments synthétiques, eux, n’ont pas d’abondance naturelle à mesurer.
Les éléments les plus rares en un tableau
| Élément | Numéro | Type | Quantité ou abondance | Source |
|---|---|---|---|---|
| Astate | 85 | radioactif, naturel | 0,07 g sur Terre (estimation) | Rothe et al., Nature Communications, 2013 |
| Astate | 85 | radioactif, naturel | moins de 50 mg dans le premier kilomètre de croûte | Greenwood et Earnshaw, cités par la Royal Society of Chemistry |
| Astate | 85 | radioactif, naturel | moins de 30 g sur Terre | Laboratoire de Los Alamos |
| Francium | 87 | radioactif, naturel | environ 30 g dans toute la croûte | Laboratoire de Los Alamos |
| Iridium | 77 | stable | 0,000037 ppm de la croûte | Royal Society of Chemistry |
| Rhénium | 75 | stable | moins de 1 ppb de la croûte continentale | USGS, 2017 |
| Technétium | 43 | radioactif, surtout synthétique | traces : environ 1 mg par tonne d’uranium | Royal Society of Chemistry |
Les deux éléments naturels les plus rares se comptent en grammes pour la planète entière.
À retenir
- L’astate est l’élément naturel le plus rare : 0,07 g sur toute la Terre selon une estimation citée en 2013, entre 50 mg et 30 g selon les autres sources.
- Il se forme sans cesse par désintégration de l’uranium et du thorium, mais son isotope le plus durable ne vit que 8,1 heures (demi-vie).
- Le francium suit de près : environ 30 g dans la croûte, une demi-vie de 22 minutes, découvert en 1939 par Marguerite Perey.
- Parmi les éléments stables, l’iridium (0,000037 ppm) et le rhénium (moins de 1 ppb) sont parmi les plus rares.
- Sur les 118 éléments connus, 90 à 94 existent à l’état naturel selon la façon de compter les traces.
Pour d’autres records de la matière, voyez le matériau le plus dur ou toute la rubrique Sciences.
L’élément le plus rare de la Terre n’est pas caché au fond d’une mine : il apparaît partout où il y a de l’uranium, et disparaît avant qu’on ait pu le compter.
Sources
- Rothe S. et al., « Measurement of the first ionization potential of astatine by laser ionization spectroscopy », Nature Communications, 2013 (abondance totale estimée de 0,07 g, élément naturel le plus rare, potentiel d’ionisation de 9,31751 eV mesuré à ISOLDE, CERN).
- Royal Society of Chemistry, tableau périodique, fiches « Astatine » (découverte en 1940, nom, estimation de Greenwood et Earnshaw, isotopes, demi-vie de 8,1 h), « Francium » (Marguerite Perey, 1939 et 1946, moins d’un kilogramme dans la croûte, francium 223), « Iridium » (abondance de 0,000037 ppm, découverte en 1803, nom, couche d’iridium) et « Technetium » (1937, premier élément artificiel, traces dans l’uranium).
- Laboratoire national de Los Alamos, tableau périodique, fiches « Astatine » (moins de 30 g, environ 25 g, formation par désintégration de l’uranium et du thorium, cyclotron de Berkeley) et « Francium » (environ 30 g, francium 223 de demi-vie 22 minutes, dernier élément découvert dans la nature).
- John D. A., Seal R. R., Polyak D. E., « Rhenium », USGS, 2017 (abondance moyenne de moins d’une partie par milliard).
- Royal Society of Chemistry, Education, « 94 Elements » (94 éléments naturels, de l’hydrogène au plutonium).
- Lawrence Livermore National Laboratory, Science & Technology Review, « Livermore: A Key Element in Expanding the Periodic Table », septembre 2019 (90 éléments naturels sur 118, codécouverte des éléments 114 à 118).
