Jak rzadkie są tak naprawdę pierwiastki ziem rzadkich?

Pierwiastki ziem rzadkich, grupa 17 metali, występują stosunkowo obficie w skorupie ziemskiej, lecz ich wydobycie jest niezwykle trudne.

Neodym, jeden z pierwiastków ziem rzadkich, niezwykle trudnych do wydobycia. Zdjęcie: RHJ/Getty

Pierwiastki ziem rzadkich posiadają wiele użytecznych właściwości, dzięki czemu są niezwykle poszukiwane w przemyśle energetycznym i technologicznym. Grupa ta obejmuje 17 metali, w tym 15 metali na końcu układu okresowego, a także itr i skand.

Najcenniejszymi z tych pierwiastków są neodym, prazeodym, terb i dysproz, które działają jak niezwykle silne, miniaturowe magnesy – kluczowe elementy urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony, akumulatory pojazdów elektrycznych i turbiny wiatrowe. Jednak ograniczona podaż pierwiastków ziem rzadkich stanowi poważny problem dla firm i rządów produkujących te niezbędne współczesne dobra.

Pierwiastki ziem rzadkich wcale nie są takie rzadkie. Według badań przeprowadzonych przez Amerykańską Służbę Geologiczną (USGS) nad krystaliczną liczebnością różnych pierwiastków (średnia dostępność w skorupie ziemskiej), większość pierwiastków ziem rzadkich występuje w mniej więcej takich samych ilościach jak metale pospolite, takie jak miedź i cynk. „Z pewnością nie są tak rzadkie jak metale takie jak srebro, złoto czy platyna” – powiedział Aaron Noble, profesor z Virginia Polytechnic University.

Jednak ich wydobycie ze źródeł naturalnych jest niezwykle trudne. „Problem polega na tym, że nie są one skoncentrowane w jednym miejscu. W każdym kilogramie łupków w Stanach Zjednoczonych znajduje się około 300 miligramów pierwiastków ziem rzadkich” – powiedział Paul Ziemkiewicz, dyrektor Instytutu Badań nad Wodami Zachodniej Wirginii.

Metale zazwyczaj gromadzą się w skorupie ziemskiej w wyniku różnych procesów geologicznych, takich jak przepływy lawy, aktywność hydrotermalna i formowanie się gór. Jednak niezwykłe właściwości chemiczne pierwiastków ziem rzadkich sprawiają, że zazwyczaj nie gromadzą się one w dużych skupiskach w tych specyficznych warunkach. Śladowe ilości pierwiastków ziem rzadkich są rozproszone po całej planecie, co zmniejsza efektywność ich wydobycia.

Czasami kwaśne środowisko podziemne może nieznacznie zwiększyć poziom pierwiastków ziem rzadkich w niektórych miejscach. Jednak znalezienie tych miejsc to dopiero początek wyzwania.

W naturze metale występują jako mieszaniny zwane rudami, zawierające cząsteczki metalu połączone z innymi niemetalami (antyjonami) silnymi wiązaniami jonowymi. Aby uzyskać czysty metal, wiązania te muszą zostać rozerwane, a niemetal usunięty. Stopień trudności tego zadania zależy od metalu i niemetalu, z którym jest on połączony.

„Ruda miedzi zazwyczaj występuje w postaci siarczków (związków chemicznych zawierających siarkę i inne pierwiastki). Rudę podgrzewa się, aż siarczki uwolnią się w postaci gazu, a czysta miedź opadnie na dno reaktora. To dość prosty proces ekstrakcji. Niektóre inne, takie jak tlenki żelaza, wymagają dodatków, aby uwolnić metal. Jednak oddzielanie pierwiastków ziem rzadkich jest znacznie bardziej złożone” – wyjaśnia Ziemkiewicz.

Metale ziem rzadkich mają trzy ładunki dodatnie i tworzą niezwykle silne wiązania jonowe z antyjonami fosforanowymi, z których każdy ma trzy ładunki ujemne. Dlatego proces ekstrakcji musi pokonać niezwykle silne wiązanie między metalem o ładunku dodatnim a ujemną cząsteczką fosforanu.

„Rudy ziem rzadkich to minerały bardzo stabilne chemicznie, wymagające ogromnych nakładów energii i mocy chemicznej do ich rozłożenia. Zazwyczaj proces ten wymaga ekstremalnie niskiego poziomu pH, trudnych warunków i ekstremalnie wysokich temperatur, ponieważ wiązania wewnątrz rudy są niezwykle silne” – powiedział Noble.

Trudności w pozyskiwaniu czystych pierwiastków sprawiły, że zaczęto je nazywać „metalami ziem rzadkich”. Niektórzy eksperci badają nowe metody recyklingu i ekstrakcji tych cennych metali z odpadów przemysłowych i starej elektroniki, aby zmniejszyć presję na obecne zasoby. Próbują również odtworzyć unikalne właściwości magnetyczne i elektroniczne metali ziem rzadkich w nowych związkach, mając nadzieję, że staną się one bardziej dostępnymi alternatywami. Jednak obecnie nie ma skutecznych alternatyw dla metali ziem rzadkich, pomimo rosnącego popytu.

Thu Thao (według Live Science )

Link źródłowy: https://vnexpress.net/dat-hiem-thuc-chat-hiem-den-muc-nao-4659668.html