Насколько редки редкоземельные элементы на самом деле?

Редкоземельные элементы, группа из 17 металлов, сравнительно распространены в земной коре, но их добыча чрезвычайно сложна.

Неодим — один из редкоземельных элементов, добыча которого чрезвычайно затруднена. Фото: RHJ/Getty — Неодим — один из редкоземельных элементов, добыча которого чрезвычайно затруднена. Фото: *RHJ/Getty*

Редкоземельные элементы обладают множеством полезных свойств, что делает их очень популярными в энергетике и технологиях. Эта группа включает 17 металлов, в том числе 15 металлических элементов, расположенных в нижней части таблицы Менделеева, а также два элемента: иттрий и скандий.

Наиболее ценными из этих элементов являются неодим, празеодим, тербий и диспрозий, которые действуют как мощные миниатюрные магниты, являясь ключевым компонентом таких электронных устройств, как смартфоны, аккумуляторы для электромобилей и ветряные турбины. Однако ограниченность поставок редкоземельных металлов вызывает серьёзную озабоченность у компаний и правительств , производящих эти современные товары первой необходимости.

Редкоземельные элементы на самом деле не так уж и редки. Согласно исследованию Геологической службы США (USGS) об относительном содержании различных элементов в кристаллах (их средней распространенности в земной коре), большинство редкоземельных элементов встречаются примерно в тех же количествах, что и обычные металлы, такие как медь и цинк. «Они, конечно, не так редки, как такие металлы, как серебро, золото и платина», — говорит Аарон Нобл, профессор Политехнического университета Вирджинии.

Но извлечение их из природных источников чрезвычайно сложно. «Проблема в том, что они не сосредоточены в одном месте. В каждом килограмме сланца по всей территории США содержится около 300 миллиграммов редкоземельных элементов», — говорит Пол Земкевич, директор Института водных исследований Западной Вирджинии.

Обычно металлы накапливаются в земной коре в результате различных геологических процессов, таких как потоки лавы, гидротермальная активность и горообразование. Однако необычные химические свойства редкоземельных элементов приводят к тому, что в этих особых условиях они редко накапливаются вместе. Следы редкоземельных элементов разбросаны по всей планете, что делает их добычу неэффективной.

Иногда кислая подземная среда может немного увеличить содержание редкоземельных элементов в определённых местах. Но поиск таких мест — лишь первая задача.

В природе металлы существуют в виде смесей, называемых рудами, которые содержат молекулы металлов, связанные с другими неметаллами (противоионами) прочными ионными связями. Чтобы получить чистые металлы, необходимо разорвать эти связи и удалить неметаллы. Сложность процесса зависит от типа металла и неметалла, с которым они связаны.

«Медная руда обычно поступает в виде сульфидов (химических веществ, состоящих из серы и других элементов). Руду нагревают до температуры, при которой сульфиды улетучиваются в виде газа, а чистая медь оседает на дно реактора. Это довольно простой процесс извлечения. Некоторым другим типам, например, оксиду железа, требуются добавки для высвобождения металла. Но отделение редкоземельных элементов гораздо сложнее», — объясняет Земкевич.

Редкоземельные металлы имеют три положительных заряда и образуют чрезвычайно прочные ионные связи с противоионами фосфата, каждый из которых имеет три отрицательных заряда. Поэтому процесс экстракции должен преодолеть чрезвычайно прочную связь между положительным металлом и отрицательным фосфатом.

«Редкоземельные руды — очень химически стабильные минералы, и для их расщепления требуется много энергии и химической силы. Обычно этот процесс требует крайне низкого pH, суровых условий и чрезвычайно высоких температур, поскольку связи в руде невероятно прочны», — сказал Нобл.

Сложность выделения чистых элементов дала им название «редкоземельные элементы». Некоторые специалисты исследуют новые методы переработки и извлечения этих ценных металлов из промышленных отходов и старой электроники, чтобы снизить нагрузку на существующие поставки. Они также пытаются воссоздать уникальные магнитные и электронные свойства редкоземельных элементов в новых соединениях, надеясь, что они станут более доступными альтернативами. Однако, несмотря на растущий спрос, в настоящее время жизнеспособных альтернатив редкоземельным элементам не существует.

Ту Тао (согласно Live Science )

Ссылка на источник