«Витамины промышленности»: эти 17 элементов правят миром высоких технологий

17 редкоземельных металлов (РЗМ) — дорогостоящие и востребованные элементы, без которых невозможно создание высокотехнологичных технологий в медицине, микроэлектронике, металлургии, машиностроении, зеленой энергетике, аэрокосмической и оборонной промышленности. Их даже называют «промышленными витаминами», потому что они делают все лучше, сильнее, долговечнее и стабильнее. Если эти элементы добываются тоннами, почему их называют «редкими» элементами? Теперь вместе с заведующим кафедрой цветных металлов и золота Российского национального исследовательского технологического университета «МИСиС», доктором технических наук Вадимом Тарасовым мы выясним, откуда взялся весь этот ажиотаж вокруг них.

Кто первым открыл редкоземельные металлы? Почему добыча редкоземельных металлов обходится так дорого?

редкоземельные элементы — это обычно серебристо-белые металлы, которые являются электропроводящими и пластичными. Несмотря на свои названия, эти элементы рассеяны по всей земной коре, просто не в концентрированных, экономически выгодных формах. Термин «редкоземельные элементы» (от лат terra rara) стал популярен в XVIII веке, когда были открыты редкоземельные элементы в составе сложных оксидов, которые затем стали называть «землями» (от лат terra), но «редкими» (от лат rara) их называли потому, что они никогда ранее не встречались и считались необычными.

В науке существует похожее по звучанию понятие, но их не следует путать. Существуют распространенные, но трудноизвлекаемые редкоземельные металлы — группа из 17 элементов: скандий, иттрий и 15 лантаноидов (лантан, самарий, лютеций, диспрозий, гольмий, эрбий, празеодим, тулий, церий, диспрозий, иттербий, тербий, неодим, европий и прометий).

А еще есть 18 редких металлов, которые почти никогда не встречаются в земной коре. Четыре из них можно получить путем обогащения руд: бериллий, ниобий, литий и тантал. Остальные 14 называются сопутствующими микрокомпонентами — рассеянными редкими металлами и пятью радиоактивными редкими металлами.

Первый химический элемент редкоземельных элементов — иттрий — был открыт в 1794 году финским химиком Юханом Гадолином в минерале иттербии, который позднее был переименован в гадолиний. Сам минерал был обнаружен шахтерами в шведской деревне Иттербю, отсюда и название.

В целом, извлечение и переработка редкоземельных элементов обходится очень дорого, поскольку они обычно встречаются в рассеянном виде и в низких концентрациях. Получение больших количеств этого вещества требует значительных ресурсов и масштабных операций. Очистка редкоземельных элементов также является энергоемким, химически сложным процессом, в котором используются опасные вещества, такие как концентрированные кислоты. Сама добываемая руда часто содержит радиоактивный торий и уран.

Поведение некоторых редкоземельных металлов крайне непредсказуемо. На воздухе при комнатной температуре они медленно тускнеют, а при контакте с холодной водой образуют гидроксиды и выделяют водород. Под воздействием пара они быстро превращаются в оксиды, а при нагревании до 500°С самопроизвольно воспламеняются. Разнообразие стран делает их переработку и хранение технически сложной задачей.

Прометий выделяется среди своих «соседей» в периодической таблице. Это нестабильный радиоактивный элемент, который практически полностью встречается в природе и производится только в ядерных реакторах. В 1920-х годах итальянские ученые объявили об открытии нового элемента, Флоренса, а Иллинойсский университет в США объявил, что элементом 61 является иллиний. Но оказалось, что все ошибались. В 1945 году химики Д. Мариинский, Л. Гленденинг и К. Койл получили новое вещество из продуктов деления урана, и спустя пять лет № 61 получил название «прометий». Поскольку он испускает чистое бета-излучение, его используют в радиоактивных батареях, вакуумных контактах (герконах) и в настоящее время изучают в качестве замены актинию в противораковых препаратах. Содержание этого элемента на Земле составляет всего несколько сотен граммов.

Какие редкоземельные элементы наиболее популярны?

Наиболее востребованными в промышленности являются неодим, празеодим (неодим-празеодим) и самарий, используемые для изготовления мощных постоянных магнитов. Эти металлы, а точнее их оксиды, также могут улучшать свойства сверхпроводников, стекол и сплавов, используются в лазерах и при производстве пигментов. Остальные редкоземельные элементы используются в производстве аккумуляторов, специальных сплавов, ветряных турбин, ядерных реакторов, катализаторов для нефтяной промышленности, ЖК-дисплеев, радаров, керамики и т д

Самой сильной магнитной силой обладают неодимовые и самариевые магниты. Они широко используются во многих областях науки и техники, а также в повседневной жизни: магнитно-резонансные томографы, металлоискатели, жесткие диски компьютеров и т д.

Обратите внимание: Неодимовый магнит: особенности применения в быту и иных сферах.

Какая страна имеет самые большие запасы?

Редкоземельные элементы встречаются почти в половине всех месторождений полезных ископаемых по всему миру. Около 250 минералов содержат значительное количество редкоземельных элементов, но лишь немногие из них экономически выгодны: бастнезит, монацит, ксенотим, пироксен и омфацит. Кроме того, обогащенная глина также является источником ценных элементов. Например, церий является 25-м по распространенности элементом в мире, наравне с медью. Далее следуют лантан и неодим; они присутствуют в тех же концентрациях, что и свинец.

Китай является крупнейшим производителем и поставщиком редкоземельных металлов: от 65% до 80% мировых запасов редкоземельных элементов добывается и перерабатывается в Китае. США, Австралия и Мьянма находятся в нижней части рейтинга, однако совокупные резервы этих трех стран составляют всего около 24%. Россия занимает седьмое место по производству. Единственным источником редкоземельного сырья в России является магнезиальный концентрат, который добывается из руды Ловозерского месторождения в Мурманской области и перерабатывается на Соликамском магниевом заводе.

В настоящее время годовая потребность экономики России в редкоземельных металлах составляет около 2000 тонн, а к концу 2026 года она увеличится до 10000 тонн. Основными сферами потребления редкоземельных металлов в России являются: оптическое производство и полировальные порошки; производство катализаторов для нефтепереработки, химической промышленности и автомобильных катализаторов; металлургия, керамическое производство; лабораторные реагенты, а также медицина, электроника, искусственные кристаллы, люминофоры и постоянные магниты.

По оценкам, к 2025 году на Россию будет приходиться 1% рынка редкоземельного сырья. По запасам редкоземельных металлов моя страна занимает второе место в мире с 28,5 млн тонн. Крупнейшие месторождения: Ловозерское месторождение (Мурманская область), Томторское месторождение (Республика Саха, Якутия), Холтосонское месторождение (Забайкальский край), Ковдорское месторождение (Мурманская область), Федорово-Панский массив (Мурманская область), Хибинская группа месторождений (Мурманская область). Всероссийский институт минерального сырья проводит исследования запасов редкоземельных металлов.

Диаграмма взята из Национального доклада о состоянии и использовании минеральных ресурсов в Российской Федерации в 2022 году

Где используются редкоземельные элементы?

Знаете ли вы, почему некоторые смартфоны такие дорогие? Для их производства необходимы девять редкоземельных элементов:

• Гадолиний — используется в дисплеях, динамиках и электронных схемах,

• Диспрозий – добавка к магнитам в электрических цепях для сохранения работоспособности при нагревании и воздействии перепадов температур,

• Европий — красное люминесцентное вещество, используемое в экранах дисплеев,

• Иттрий - используется в дисплеях, светодиодах,

• Лантан - используется в электронных схемах, дисплеях, матовом стекле, оптических линзах,

• Неодим — магниты в схемах и динамиках, изготовленные из сплава железа и бора,

• Празеодим — добавка в неодимовые магниты, мониторы и динамики,

• Тербий — зеленое светящееся вещество, используемое в дисплеях, динамиках, схемах и вибрационных устройствах для защиты крошечных магнитов от высоких температур,

• Церий — используется для изготовления матового стекла.

Можно ли заменить их более дешевыми металлами? конечно! Однако это приведет к снижению качества цветопередачи дисплея, увеличению веса устройства, снижению скорости его работы и устойчивости к перегреву.

Тот же церий отделяется от элементарной смеси экстракцией и хроматографией с последующим электролизом расплавленного CeF3 (фторида церия). Церий используется в быту для изготовления каталитических покрытий для духовок и стекла для плит. При нагревании ускоряется разложение жира и органических загрязнений, что облегчает обслуживание оборудования.

В течение многих лет иттрий и европий использовались в качестве люминофоров, помогающих нам видеть красный цвет на телевизорах с электронными трубками. Соединения гадолиния и тербия использовались для производства желто-зеленых люминофоров. При добавлении в состав очень небольшого количества редкоземельных элементов цвета на экране становятся яркими и приятными для глаз.

Наиболее необычное применение РЗЭ — технология защиты от подделок. Специальные соединения редкоземельных элементов способны отражать ультрафиолетовый свет, что делает их особенно полезными для обнаружения поддельных банкнот.

Лантан (La) улучшает оптические свойства стекла, уменьшая искажения. Его добавляют в линзы дорогих фотоаппаратов, биноклей и даже антибликовых очков. Оксид церия (Ce) или оксид лантана (La) иногда добавляют в солнцезащитный крем для поглощения УФ-лучей.

Празеодим (Pr) используется в сварочных масках и очках для блокировки вредного инфракрасного излучения. Иногда его добавляют в декоративное стекло для придания ему желто-зеленого оттенка.

Самарий (Sm) является одним из компонентов кремневого сплава в зажигалках. Эти кремни чрезвычайно долговечны и будут обеспечивать постоянную искру даже после тысяч использований.

Некоторые ткани пропитаны редкоземельными соединениями для обеспечения защиты от ультрафиолета или антимикробных свойств. Например, спортивная одежда может содержать церий (Ce) для нейтрализации запаха.

Иттрий (Y) может улучшить термостойкость керамики. Его добавляют в посуду, предназначенную для выдерживания экстремальных температур, например, противни или мультиварки.

Редкоземельные металлы окружают нас повсюду: от смартфонов до энергосберегающих лампочек. Их уникальные свойства делают бытовую технику более компактной, эффективной и долговечной. Теперь вы знаете о них больше.

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: «Витамины промышленности»: эти 17 элементов правят миром высоких технологий.