Сейчас очень часто можно слышать о редкоземельных металлах, причем, рядом с этим термином часто называют то литий, то вольфрам. Что же относится к редкоземельным элементам в системе элементов Д.И. Менделеева? И почему относительно них ломают копья многие страны?
В 1787 г. в заброшенном карьере городка Иттербю (Ytterby шв.) на острове Руслагене около Стокгольма (Швеция ) Карл Аррениус нашел необычайно тяжёлый тёмный минерал и назвал его иттербитом .
Минерал отправили в Университет Або ( шведоязычный - Финляндия, Турку), чтобы провести анализ его состава. Финский химик Юхан Гадолин выделил из него "иттриевую землю" (землями называли в те времена оксиды)- т.е. оксид иттрия, назвали минерал гадолинитом.
Темно-коричневые, правильной формы кристаллы гадолинита-(Y) в гранитно-пегматитовой матрице . Оказалось, в свободном состоянии редкоземельные элементы не встречаются. Выделить из соединений их сложно, потому что металлы чрезвычайно похожи друг на друга. Важнейший минерал, фотографию которого я поместила в начале статьи, монацит (от др.-греч. μονάζω — бываю один, живу один) может содержать 5 - 7 редкоземельных металлов. Поэтому выделяли эти 14 металлов в чистом виде в течение почти 100 лет, с 1801 до 1903).
Вот и настала пора познакомиться. Истинными РЗЭ являются лантаноиды. В короткопериодической таблице они живут все в одной конспиративной квартире под № 57, а ниже их тайна расшифрована в ряду под названием "лантаноиды" от 58 до 71. Относятся они к побочной подгруппе III группы.
До 1922 года у физиков и химиков не было единого мнения о количестве этих элементов в периодической системе. Нильс Бор доказал, что последним в ряду лантаноидов является лютеций, в 1922 году. Теория Бора считала лютеций последним в ряду РЗЭ, так как 4f-подоболочка в атомах, начиная от церия и кончая лютецием, последовательно заполняется четырнадцатью электронами. Это максимальное количество f- электронов на этом подуровне.
В длиннопериодной Периодической системе элементов Д.И. Менделеева лантаноиды и актиноиды составляют семейства, расположенные горизонтально. Они включены в шестой и седьмой периоды .
Лантаноиды называют «редкоземельными элементами», поскольку они были обнаружены в небольшом количестве в составе минералов и не образуют собственных руд. В атомах этих элементов, начиная с церия и заканчивая иттербием, заполняется 4f-подоболочка; у лантана 4f-электронов нет, а у лютеция — 14. Неспаренные 4f-электроны наделяют металлы различными ценными магнитными, спектроскопическими и люминесцентными свойствами. Эти электроны хорошо экранированы внешними подоболочками (5s и 5p).
Кроме лантаноидов, к РЗЭ относят два предыдущих элемента III побочной подгруппы, скандий (Sc) и иттрий (Y). Эти 2 элемента - химические аналоги лантана, что объясняется почти одинаковым строением наружных электронных уровней их атомов. Сейчас скандий- самый дорогой редкоземельным металл. Алюминиево-скандиевые сплавы востребованы в аэрокосмической отрасли. Из сплава титана, алюминия, лития и скандия был сделан корпус советского многоразового космического корабля «Буран». Соединения скандия используются в производстве лазеров, магнитогидродинамических генераторов для атомных станций, солнечных батарей, рентгеновских зеркал. Его цена в зависимости от чистоты составляет 26 500–33 500 юаней ($3600–4600) за килограмм.
Одной из важнейших особенностей редкоземельных металлов является то, что в земной коре они не являются редкими, они более распространены, чем, например, золото, уран, свинец, олово, молибден, вольфрам и т.д. РЗЭ составляют 1/6 часть всех известных элементов и более 1/4 существу.щих на земле металлов.
Все лантаноиды серебристо-белого цвета, имеют сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3). Редкоземельные элементы, металлы, получают восстановлением соответствующих оксидов, фторидов, электролизом безводных солей и другими методами.
При добыче имеет значение, что редкоземельные руды содержат радиоактивные торий и уран, концентрации которых сильно отличаются для каждого редкоземельного месторождения. Это является одним из ключевых факторов, влияющих на привлекательность месторождения для инвесторов. Кстати, прометий (№ 61) — короткоживущий радиоактивный элемент, который искусственно получили в 1947 году.
Лантаниды — металлы, достаточно распространенные в природе, однако добыча лантаноидов во многом затрудняется их рассеянностью в породах. Почему же открытие их месторождений вызывают такой ажиотаж и является причиной международных конфликтов?
Сегодня лантаниды находят широкое применение в производстве электроники, магнитов, лазеров, оптического волокна, металлургии, химической и ядерной промышленности.. За последние годы многократно увеличилось количество известных ученым соединений лантаноидов, которым нашлось применение в поглощении и хранении газа, биомедицине, оптике и химических сенсорах. Металлические лантаниды (прежде всего, неодим и самарий) входят в состав наиболее распространенных магнитов. Другие элементы, благодаря уникальным оптическим и люминесцентным свойствам, в виде соединений применяются очень широко, от светодиодов и лазеров до радиомедицины, тонкого органического синтеза и даже защиты банкнот от подделок.
Для защиты купюр евро используются люминесцентные метки на основе лантанида — европия. Европий — пластичный, блестящий редкоземельный элемент серебристого цвета. Он фосфоресцирует и излучает красное свечение.
РЗМ разделяют на 3 группы: «легкие» - от лантана до неодима, «средние» РЗМ (от самария до эрбия) и тяжелые РЗМ (от тербия до лютеция, а также иттрий).
Страны, где есть разведанные месторождения, в которых ведется добыча и производство редкоземельных металлов. Среди стран поставщиков на мировом рынке редкоземельных металлов (соединений), которых оценили MetalResearch в 1 полугодии 2024 года в первых местах, без учета России: Китай с долей 29,58%, Малайзия с долей 21,95%, США с долей 13,00%. По результатам анализа, среди других заметных стран-поставщиков: Япония, Франция, Таиланд, Индия, Нидерланды, Германия, Эстония и другие страны.
По официальным данным от 2017 года, в России учтены запасы 26,9 млн т РЗМ (учитываются триоксиды редкоземельных металлов), что позволяет стране занимать второе место в мире, уступая только Китаю. Федеральное агентство по недропользованию (Роснедра) в 2024 году сообщило о запасах РЗМ уже в 28,7 млн т.
Немного о Гренландии и её редкоземельных металлах. Стоит ли из-за нее копья ломать. На побережье самого большого острова в мире разведаны месторождения многих полезных ископаемых. Я писала об этом недавно в статье . В недрах Гренландии содержится 25 % запасов всех ключевых редкоземельных элементов в мире.
На южных фьордах острова, около городка Нарсак, находится крупное месторождение редкоземельных материалов. Британские Stallion Resources и Bluejay Mining занимаются поиском редкоземельных элементов, графита и минералов для производства электромобилей. Исследования Polar Research and Policy Initiative показало, что британские компании имеют больше лицензий на добычу полезных ископаемых в Гренландии, чем компании из любой другой страны. Жители Гренландии обеспокоены содержанием урана в руднике Нарсак.
Как я писала, месторождения соединений редкоземельных металлов часто находятся вблизи месторождения природного урана и тория. Жители Нарсака против планов Greenland Minerals добывать редкоземельные минералы открытым способом менее чем в шести милях от города. По материалам кратко с моими изменениями, 2021 год.
Надеюсь, продолжу рассказывать об этих замечательных металлах. Действительно, уникальные свойства.