Elementet e rralla të tokës janë në gojën e të gjithëve, dhe kjo nuk është rastësi: Ato janë themeli i heshtur i pjesës më të madhe të teknologjisë moderne.Nga motorët elektrikë dhe turbinat me erë te ekranet, fibrat optike dhe pajisjet mjekësore, mineralet përdoren në një gamë të gjerë aplikimesh. Pavarësisht emrit të tyre, ato nuk janë as "toka" në kuptimin e mirëfilltë dhe as, me pak përjashtime, nuk janë veçanërisht "të rralla". Megjithatë, nxjerrja dhe rafinimi i tyre janë komplekse dhe këtu vendoset pjesa më e madhe e gjeopolitikës së sotme.
Përveç debatit industrial, ekziston një tension global: Kina dominon prodhimin dhe, mbi të gjitha, rafinimin.Dhe sa herë që SHBA-të kërcënojnë të kufizojnë eksportet, të gjithë zinxhirët e furnizimit dridhen. Ndërkohë, Evropa, Japonia, Koreja e Jugut dhe Shtetet e Bashkuara po kërkojnë alternativa: depozita të reja, riciklim dhe dizajn më efikas. Le të zbulojmë, pa shumë fjalë, se çfarë janë ato, si u zbuluan, pse janë kaq të dobishme, ku ndodhen dhe çfarë do të thotë të varesh prej tyre.
Çfarë janë saktësisht elementët e rrallë të tokës?
Kur flasim për elementë të rrallë tokësorë, nënkuptojmë 17 elementë kimikë metalikë15 lantanidet (nga lantani te lutetiumi) plus skandiumi dhe itriumi, të cilat shpesh i shoqërojnë ato në të njëjtat depozita. Emri i tyre vjen nga zakoni i vjetër i quajtjes së oksideve "toka" dhe nga sa e vështirë ishte t'i ndashim ato në shekujt 18 dhe 19; prandaj emri mbeti.
Në fakt, Ato nuk janë shumë të rralla në koren e tokësCeriumi, për shembull, është po aq i zakonshëm sa bakri. Problemi nuk është aq shumë gjetja e tyre, por më tepër fakti që ato duken shumë të shpërndara dhe të përziera me elementë të tjerë, gjë që e ndërlikon dhe rrit koston e ndarjes së tyre. Ekziston një përjashtim i dukshëm: promethium (Pm) është radioaktiv dhe praktikisht nuk ekziston natyrshëm; ai merret në reaktorët bërthamorë nga ndarja e uraniumit.
Nga një këndvështrim astronomik, prania e saj ka një histori interesante: Shumë nga këto elementë janë të farkëtuar në ngjarje ekstreme. siç është bashkimi i yjeve neutron. Meteoritët dhe koret detare të pasuruara i ndihmojnë shkencëtarët të rindërtojnë origjinën dhe shpërndarjen e tyre në Sistemin Diellor, dhe madje frymëzojnë strategji për eksplorimin e tyre të ardhshëm.
Një histori laboratorike: nga misteri te tabela periodike
Saga fillon në vitin 1787, kur Carl Axel Arrhenius gjeti një mineral të zi shumë të dendur në Ytterby (Suedi)Ai dyshoi se përmbante diçka të re dhe e quajti "guri i rëndë i Ytterby-t". Në vitin 1792, kimisti finlandez Johan Gadolin analizoi një mostër: ai gjeti okside silici, alumini dhe hekuri, dhe një pjesë të konsiderueshme të një oksidi të panjohur. Ai mineral, gadoliniti, kishte formulën e idealizuar Be2Besimi2Si2O10, dhe studimi i tij do të çonte në itrin (Y) dhe një familje të tërë elementësh.
Menjëherë pas, Vauquelin dhe Klaproth konfirmuan rezultatet Ata sugjeruan emrin "gadolinit" për mineralin dhe "itrium" për oksidin e elementit të ri, duke iu referuar vendit të zbulimit të tij. Fija kishte rrënjë më të hershme: që në vitin 1751, Cronstedt kishte përshkruar "gurin e rëndë të Bastnäs", të cilin Berzelius dhe Hisinger e studiuan në vitin 1803 dhe nga i cili ata izoluan cerinë (CeO₄).2) dhe elementi cerium (Ce), i emëruar sipas planetoidit Ceres.
Ndarjet ishin të mundimshme. Në vitin 1830, Carl Mosander izoloi ceriumin metalik dhe zbuloi lantanin (La) duke filluar nga ceriumi. Ai identifikoi gjithashtu një "didymium" të supozuar që dekada më vonë doli të ishte një përzierje oksidesh: në vitin 1885, Welsbach do të ndante praseodimin (Pr) dhe neodimin (Nd). Mosander zbuloi gjithashtu në vitin 1844 dy okside që ai i quajti erbium dhe terbium; emrat e tyre madje u ndërruan në vitin 1860, duke reflektuar kaosin e kohës.
Në fund të shekullit të 19-të, lista vazhdoi të rritej: Marignac mori ytterbia; Skandiumi i izoluar nga Lars Nilson në vitin 1879; Sipas Teodor Cleve, u identifikua holmia (Ho) dhe thulia (Tm); dhe Boisbaudran zbuloi Samarinë në didimi, nga e cila do të izolohej samariumi (Sm). Në vitin 1886, vetë Boisbaudran siguroi gadoliniumin (Gd).2O3) dhe disprosium (Dy) nga fraksione "të papastra"; më pas erdhi europiumi (Eu, Demarçay, 1901) dhe lutetiumi (Lu, Urbain, 1907). Promethiumi U konfirmua shumë më vonë (Marinsky, Glendenin dhe Coryell, 1944–1947) në nënproduktet e ndarjes bërthamore në Tenesi.
Vetitë kimike dhe fizike: çfarë i bën ato unike
Lantanidet janë metale elektropozitivë që, si rregull, punojnë në gjendjen e oksidimit +3Gjatë gjithë serisë, ndodh e ashtuquajtura "tkurrje e lantanideve": rrezet jonike zvogëlohen progresivisht për shkak të rritjes së ngarkesës efektive bërthamore të ndjerë nga elektronet 4f. Ky detaj, i cili nuk është i parëndësishëm, kushtëzon kiminë dhe strukturën kristalore të tij.
Sipas madhësisë jonike, formojnë komponime me numra të lartë koordinimi dhe modele të veçanta strukturore. Oksidet e saj Ln2O3 Ato janë polimorfike dhe kanë disa struktura (tipet A, B dhe C). Me halogjenet, ato formojnë trihalogjene LnX.3 në të gjithë serinë, me përjashtim të faktit që ceriumi formon edhe tetrahalogjenurin CeX4 me Ce-në4+.
Një familje tjetër mbresëlënëse janë hidridet: Të gjithë elementët e rrallë të tokës formojnë hidride të tipit fluorit, përgjithësisht me stekiometri të përafërt LnH2Edhe pse ekzistojnë trihidride dhe hidride jo-stekiometrike, nitritet binare, nga ana e tyre, kanë një strukturë shumë të thjeshtë por efektive të tipit "kripë shkëmbi".
Në magnetizëm dhe spektroskopi, sjellja e tij është e veçantë. Elektronet 4f janë protagonistët dhe janë të mbrojtura rëndë nga shtresat 5s2 dhe 5p6në mënyrë që mjedisi kimik mezi i shqetëson nivelet e tyre të energjisë. Konstantet e çiftëzimit spin-orbitë janë të mëdha, kështu që jonet zakonisht kanë një gjendje themelore të përcaktuar mirë (me numër kuantik J), dhe gjendja tjetër e ngacmuar është e populluar rrallë në temperaturën e dhomës.
Prej andej dalin të tyret ngjyrat karakteristike dhe tranzicionet f–ftë cilat janë praktikisht të pavarura nga përbërja. Për të përmendur disa: Pr3+ ngjyrues të gjelbër, Nd3+ jargavan, Sm3+ në të verdhë, Eu3+ rozë e zbehtë, ndërsa La3+, Ce3+ dhe Zoti3+ Ato janë pa ngjyrë. Kjo "paletë" është shumë e dobishme, për shembull, në lazerë dhe fosforë.
Mineralet dhe llojet e depozitave
Edhe pse janë përshkruar më shumë se 180 minerale që përmbajnë metale të rrallaVetëm rreth 25 nga këto minerale tërheqin interes të vërtetë ekonomik. Ndër më të rëndësishmet janë bastneziti (fluorokarbonat REE), monaziti (fosfati), ksenotimi (fosfati itriumit), lopariti (oksid kompleks i pasur me Ce, Na, Ca, Ti dhe Nb), ceriti (silikat) dhe gadoliniti (silikat me REE, berilium dhe hekur).
Depozitat e mëdha të shoqëruara me këto minerale lidhen me katër kontekste kryesore gjeologjike. Së pari, karbonatitetshkëmbinj magmatikë me më shumë se 50% karbonate, siç janë Bayan Obo (Kinë) ose Mountain Pass (SHBA). Së dyti, shkëmbinj magmatikë alkaline siç janë sienitet nefeline të Lovozeros (Rusi). Së treti, argjilat lateritike që formohen nga ndryshimi in situ; Kina Juglindore shfrytëzon më shumë se 250 depozita të këtij lloji. Së katërti, depozitat e llojit të kënaqësisë në të cilin është i përqendruar monaziti, siç është ai në Matamulas (Ciudad Real).
Ka edhe dëshmi të pasurimit në kore të kobaltit dhe manganit në thellësitë e oqeanit, shfrytëzimi i të cilave është ende duke u studiuar. Nuk është fantastiko-shkencore: këto janë skenarë me burime reale, megjithëse qëndrueshmëria e tyre ekonomike dhe mjedisore po vlerësohet nga afër.
Prodhimi, rezervat dhe rafinimi: fuqia e ngushticës
Shifrat ndryshojnë në varësi të burimit dhe vitit, por modeli është i njëjtë: Kina dominon qartë sektorinHistorikisht, prodhimi vjetor i oksideve të metaleve të rralla (REO) ka qenë rreth 160.000 ton, ndërsa vitet e fundit ka arritur në qindra mijëra ton (për shembull, gati 390.000 ton sipas disa vlerësimeve). Kina siguron pjesën më të madhe të furnizimit, duke tejkaluar lehtësisht 70% të tregut; në rafinim, ajo përbën afërsisht 90% të kapacitetit.
Ndër ndjekësit janë Shtetet e Bashkuara si producent i dytë, Myanmar (shpesh nën ombrellën e kompanive kineze), Australi, Tajlandë y NigeriPër sa i përket rezervave, USGS vlerëson rreth 90 milionë ton ekuivalent të REO-së në nivel global: gati gjysma në Kinë, rreth 21 Mt në Brazil, rreth 7 Mt në Indi, afërsisht 6 Mt në Australi dhe rreth 4 Mt në Rusi; burime të tjera gjithashtu japin detaje mbi shifra shumë të rëndësishme në Vietnam y Grenlandë, përveç Norvegjisë me një depozitë të identifikuar prej ~1,57 Mt.
Evropa ka një varësi prej rreth 90% dhe prodhimi i saj aktual është minimal. España Shfaqet në hartë me potencial: përveç kënaqësisë së Matamulas (Ciudad Real), ka pritje në Galicia, Castilla-La Mancha, Andalusia dhe Extremadura. Depozita e Matamulas është vlerësuar të përmbajë rreth 29,9 milion ton monazit, dhe është sugjeruar se mund të kontribuojë rreth 2.000 ton në vit të REO, megjithëse e gjithë kjo Është subjekt i fizibilitetit teknik, ekonomik dhe mjedisor..
Zbatimet teknologjike dhe të përditshme
Lista e përdorimeve të saj është shumë e gjatë për t'u futur në një cicërimë. Për të filluar me më të njohurat, magnete të përhershme neodimi-hekur-bor (Nd)2Fe14B) Ato kanë revolucionarizuar motorët elektrikë, turbinat me erë, kufjet, altoparlantët, disqet e forta dhe sensorët. Disprosiumi dhe terbiumi shtohen për të përmirësuar performancën e tyre në temperatura të larta, veçanërisht në turbinat me erë dhe automjetet elektrike.
Në optikë dhe fotonikë, Lantanidet janë të pamposhturaNeodimi është zemra e lazerëve të tillë si YAG (granata e aluminit itrium), YLF (fluorid litiumi i itriumit) ose YVO.4 (vanadati itriumit), i cili emeton në infra të kuqe (rreth 1054–1064 nm) dhe përdoret në mjekësi dhe stomatologji. Europiumi dhe terbiumi aktivizojnë fosforët e kuq, të gjelbër dhe blu për ekranet LED dhe fluoreshente. Erbiumi mundëson amplifikimin në fibrat optike deri në 1.55 μm për telekomunikacion.
Ceriumi, nga ana e tij, Shkëlqen si katalizator dhe agjent lustruesLantani gjendet në furrat vetëpastruese, në plasaritjen katalitike për rafinim dhe në lustrimin e qelqit dhe optikës. Është gjithashtu një përbërës i lidhjeve që ndezin në çakmakë (ferrocerium). Lantani rrit indeksin e thyerjes së qelqit optik dhe përdoret në lente dhe si një përbërës i baterive Ni-MH.
Itriumi (Y) përdoret për të Lazerët YAGekrane fosforeshente, superpërçuesit e temperaturës së lartë (YBCO), Zirkoni i stabilizuar (YSZ) për qeramikë të përparuar, dhe granatë hekuri itriumi (YIG) Skandiumi (Sc) gjendet në filtrat e mikrovalëve. Përdoret gjithashtu në veshjet për llambat LED të kursimit të energjisë dhe të bardha, kandelat dhe si një shtesë në çelik. Skandiumi forcon lidhjet e aluminit në hapësirën ajrore dhe përmirëson llambat halide metalike.
Në magnetostriktorët, kombinime të tilla si terfenol-D (terbium + hekur) dhe galfenol Gadoliniumi dhe hekuri kanë zbatime në sonar, aktivizues dhe sensorë të fuqishëm. Në mjekësi, gadoliniumi është një agjent kontrasti në imazhe me rezonancë magnetikeHolmiumi përdoret në lazerët kirurgjikalë. Tuliumi është përdorur në makinat portative me rreze X dhe lazerët kompaktë.
Imazheri mjekësore: fosforet dhe ekranet intensifikuese
Përpara epokës së plotë dixhitale, dhe madje edhe sot në pajisje të caktuara, ekrane intensifikuese me fosforë të rrallë të tokës Ato i transformojnë rrezet X në dritë të dukshme për të zvogëluar dozën tek pacienti. Komponimet e tyre tipike përfshijnë aktivizues që përcaktojnë ngjyrën e emetuar.
- Gd2O2S:Tb (gadolinium oksisulfid i aktivizuar nga terbiumi): lëshon ngjyrë të gjelbër rreth 540 nm.
- La2O2S:Tb (oksisulfidi i larthanumit i aktivizuar me terbium): gjithashtu jeshile ~540 nm.
- Y2O2S:Tb (oksisulfid itriumi i aktivizuar nga terbiumi): emetim në blu (afërsisht 450–500 nm).
- LaOBr:Tm (oksibromidi i lantanit i aktivizuar nga tuliumi): blu 450–500 nm.
- YTaO4:Tm (tantalat itriumi i aktivizuar nga tuliumi): blu-ultravjollcë midis 450–500 nm.
Krahasuar me tungstatin klasik të kalciumit, Këto fosfore e shndërrojnë rrezatimin në mënyrë më efikase.Ato lejojnë shpejtësi më të larta dhe, me parametra teknikë të optimizuar, zvogëlojnë dozën. Ana negative është se ekranet më të shpejtë mund të rrisin "zhurmën" kuantike dhe radiografike; ekuilibri midis detajeve dhe dozës është thelbësor.
Energjia dhe tranzicioni i gjelbër: tre hapa ndikimi
Nëse e rendisim rolin e tyre të energjisë, ato vizatohen tre hapa që mbivendosenSë pari, prodhimi i drejtpërdrejtë i energjisë: turbinat me erë përdorin magnet Nd-Fe-B me rreth 30% neodymium në fraksionin magnetik, dhe aditivë disprosium dhe terbium për stabilitet termik. Në fushat e shkencës bërthamore dhe hapësinore, promethium-147 është përdorur në bateritë betavoltaike fuqi shumë e ulët për sondat dhe aplikime të mundshme ushtarake.
Së dyti, efikasiteti në konsum: ndriçim fluoreshent dhe LED me fosfore europiumi, terbiumi dhe itriumi; motorë elektrikë kompaktë dhe me performancë të lartë falë magneteve të neodimit dhe disprosiumit; dhe Bateritë Ni-MH katodat e të cilave janë formuluar me lidhje të metaleve të rralla me përmasa tipike të ceriumit (45-50%), lantanit (25%), neodimit (15-20%) dhe praseodimit (5%).
Së treti, do të thotë që lehtësojnë menaxhimin e energjisë: hidride të rralla të tokës për ruajtjen e hidrogjenit në rrjetat kristalore dhe e lirojnë atë me ngrohje të lehtë; izotope të tilla si Sm, Gd, Dy, Ho dhe Er në kontrollin e reaktorit; dhe një rol vendimtar të La dhe Ce në konvertuesit katalitikë në automobila dhe në aditivët e tipit CeO2 në karburante, të cilat ulin temperaturën e djegies së blozës dhe nxisin pastrimin e filtrave të grimcave.
Në treg, përtej energjisë, Përafërsisht gjysma e prodhimit konsumohet në magnete dhe katalizë.Për sa i përket vlerës ekonomike, magnetet dhe materialet lumineshente dallohen. Konsumi sipas elementit është shumë i shtrembëruar: neodimi (~49%) dhe praseodimi (~20%) dominojnë për shkak të përdorimit të tyre në magnete; i ndjekur nga lantani (~6%), ceriumi (~4%) dhe terbiumi (~4%); pjesa tjetër është nën 2%. Terbiumi dhe luteciumi janë ndër më të shtrenjtët për shkak të rrallësisë së tyre relative dhe vështirësisë së ndarjes së tyre.
Gjeopolitika, tregtia dhe riciklimi: pjesët në tabelë
Vitet e fundit, Pekini ka njoftuar kontrolle të rrepta të eksportit Kjo përfshin elementë të rrallë të tokës, si dhe teknologjitë e nxjerrjes dhe përpunimit. Me një monopol pothuajse të plotë - dhe gati 90% të rafinimit - ajo mund të kontrollojë rrjedhën e burimeve në përputhje me interesat e saj. Kjo ndikon në Shtetet e Bashkuara, Bashkimin Evropian, Japoninë dhe Korenë e Jugut, të cilat janë të gjitha shumë të varura nga fqinji i saj aziatik.
Samitet ndërkombëtare kanë shërbyer si një skenë për këtë tension: Udhëheqësit amerikanë dhe kinezë e kanë diskutuar këtë çështje në forumet e Azi-Paqësorit.Negociatat janë duke u zhvilluar për të shtyrë kufizimet dhe për të fituar kohë. Japonia ka kërkuar marrëveshje strategjike për të siguruar zinxhirët e saj të furnizimit, ndërsa Koreja e Jugut është e shqetësuar për varësinë e saj nga automobilat dhe elektronika.
Ukraina është marrë në konsideratë edhe për nëntokën e saj, megjithëse Rezervat e tyre të provuara të elementëve të rrallë të tokës nuk janë aq të bollshme. siç është lënë të kuptohet. Paralelisht, dimensioni ushtarak i këtyre elementëve është i dukshëm: një avion luftarak F-35 përfshin më shumë se 400 kg elementë të rrallë të tokës, dhe një nëndetëse bërthamore e klasit Virginia mund të kërkojë më shumë se 4.000 kg. E gjithë kjo nënvizon rëndësinë e tyre strategjike.
Zgjidhje? Disa, por asnjëra prej tyre e shpejtë. Hapja e një miniere mund të zgjasë deri në 30 vjet Nga zbulimi në prodhim. Gjëja më e arsyeshme në afat të shkurtër dhe të mesëm është të promovohet reciclaje (Miniera urbane): Sot nuk kalon 1% të totalit. Evropa po lëviz në atë drejtim dhe Spanja ka paraqitur Planin e saj të Veprimit për Lëndët e Para Minerale 2025–2029. Megjithatë, do të nevojiten projekte minerare, dhe mbi të gjitha, kapacitete ndarjeje dhe rafinimi jashtë Kinës.
Mitet dhe kuriozitete: as "toka" dhe as aq "të rralla"
Emri është mashtrues. Ato nuk janë "toka" në kuptimin bisedor, por më tepër metale, oksidet e të cilave u zbuluan të parat. As nuk janë aq "të rralla" në bollëk: ceriumi, për shembull, është ndër 25 elementët më të zakonshëm në koren e Tokës. Ajo që është e rrallë - dhe radioaktive - është promethiumi, i cili praktikisht mungon në natyrë.
Kimia e tyre është magjepsëse: tranzicionet f–f jonet e ngjyrave dhe syzet, dhe "imuniteti" i tij ndaj ndryshimeve mjedisore do të thotë që ngjyra e, për shembull, Eu3+ ose Nd3+ Është shumë i riprodhueshëm pavarësisht nga përbërësi. Ky stabilitet spektroskopik shpjegon suksesin e tij në lazerë, fosforë dhe standarde kalibrimi.
Si një kuriozitet historik, Ytterby Është "fshati i vogël i katër elementëve": itriumi, terbiumi, erbiumi dhe iterbiumi (dhe jehona e tyre në dhjetëra minerale dhe okside). Është gjithashtu paradoksale që emra si holmium (për "Holmia", Stokholm) ose lutetium (për Lutetia/Paris) na kujtojnë se shkenca është shpesh një aventurë po aq njerëzore dhe gjeografike sa edhe kimike.
Për të mbyllur ciklin teknologjik, Magnetët Nd-Fe-B janë më të lirë dhe më të fuqishëm se magnetët samarium-kobalt. në shumë përdorime, dhe kjo është arsyeja pse ato dominojnë në kufje, disqe të forta dhe sensorë; didymiumi (një përzierje e Pr dhe Nd) ngjyros qelqin dhe mbron shikimin në syzet e saldimit, dhe kristalet e dopuar me Nd janë protagonistë të fotonikës moderne.
E parë në perspektivë, i gjithë ky udhëtim – që nga Mineralogjia nga shekulli i 18-të deri te ekonomia kritike e shekullit të 21-të– tregon pse ne varemi kaq shumë nga këto metale diskrete. Kombinimi i tyre i vetive magnetike, optike dhe katalitike nuk ka një zëvendësim të lehtë, dhe kjo është arsyeja pse zinxhiri i tyre i vlerës, nga minierat deri te riciklimi, meriton kaq shumë vëmendje.
Ideja kryesore për t'u mbajtur mend është se Vlera strategjike e elementëve të rrallë të tokës nuk qëndron vetëm në bollëkun e tyre.por më tepër në përqendrimin e tyre gjeografik, dominimin e rafinimit dhe vështirësinë teknike të ndarjes së tyre. Prandaj, për të forcuar qëndrueshmërinë, na duhen si projekte të reja të përgjegjshme, kapacitet lokal përpunimi, më shumë riciklim dhe dizajne që përdorin më pak materiale pa sakrifikuar performancën.