Важный элемент: что такое редкоземельные металлы и для чего они нам нужны

Вопреки названию, редкоземельные элементы не такие уж редкие в природе, однако они очень важны для развития современных технологий. О том, чем они примечательны, где их добывают и в каких областях применяют, порталу Vokrugsveta.ru рассказал Сергей Гребеньков — ведущий инженер кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Что такое редкоземельные элементы

Редкоземельные металлы (РЗМ) — это группа из 17 элементов, включающая лантаноиды (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций), скандий и иттрий.

Несмотря на название, они не являются редкими в земной коре. Свое необычное название эти элементы получили двум причинам.

Изначально считалось, что эти элементы крайне редко встречаются в природе. Это было связано с тем, что их трудно выделить и идентифицировать из-за схожих химических свойств и рассеянности в земной коре.

Первые обнаруженные соединения этих элементов были найдены в виде оксидов, которые в то время (в конце XVIII — начале XIX века) называли «землями» (по аналогии с глиной или почвой).

Где они залегают

Месторождения редкоземельных металлов встречаются по всему миру, но их распределение неравномерно. Рассмотрим основные породы, богатые РЗМ.

• Ионно-адсорбционные глины — эти месторождения, обогащенные тяжелыми РЗМ, образуются в результате выветривания гранитов и других кислых пород. Они залегают в верхних слоях почвы и легко поддаются добыче. Основные регионы: Южный Китай (самые известные и эксплуатируемые), Юго-Восточная Азия (Вьетнам, Мьянма, Лаос), Бразилия.

• Карбонатиты: магматические породы, богатые карбонатами и содержащие значительные концентрации РЗМ, особенно лёгких (лантан, церий, неодим). Основные регионы: Китай (месторождение Баян-Обо — крупнейшее в мире), США (Маунтин-Пасс), Россия (Ковдорское месторождение), Бразилия.

• Монацитовые пески: пляжные россыпи, обогащенные монацитом — фосфатным минералом, содержащим РЗМ и торий. Основные регионы: Индия, Бразилия, Австралия, Южная Африка, Малайзия.

• Бастнезитовые месторождения: карбонаты, содержащие фториды РЗМ. Основные регионы: Китай (Баян-Обо), США (Маунтин-Пасс).

• Лопаритовые месторождения: титаниобаты РЗМ. Основной регион: Россия (Кольский полуостров).

Редкоземельные элементы в природе никогда не встречаются в чистом виде. Они всегда присутствуют в составе различных минералов и руд. Скандий и иттрий, хотя формально и не являются лантаноидами, встречаются в тех же залежах.

РЗМ получают следующим образом: сначала добывается минеральная руда, в которой содержится с некоторой объёмной долей необходимый элемент, далее производится сепарация с целью повышения концентрации РЗЭ, последующим является растворение в химическом растворе и экстракция.

Какими химическими свойствами они обладают?

Редкоземельные элементы — это металлы. Все они серебристо-белые, относительно мягкие (хотя твердость варьируется) и обладают высокой электропроводностью.

Все они легко вступают в реакцию с кислородом, образуя оксиды, поэтому их часто хранят под слоем масла или в инертной атмосфере.

Все лантаноиды обладают очень схожими химическими свойствами из-за близких значений ионных радиусов и аналогичной электронной конфигурации внешних электронных оболочек. Это делает их разделение сложным и дорогостоящим процессом.

РЗМ образуют множество комплексных соединений с различными веществами. Эти комплексы используются в аналитической химии и при разделении этих элементов.

Где применяются РЗМ

Редкоземельные элементы обладают уникальными физическими и химическими свойствами, которые делают их незаменимыми в широком спектре областей применения, от потребительской электроники до оборонной промышленности и «зеленых» технологий.

Их используют при производстве

• Магнитов: неодим (Nd), празеодим (Pr), диспрозий (Dy) и самарий (Sm) используются для производства мощных постоянных магнитов, которые применяются в электромобилях, ветряных генераторах, жёстких дисках, акустических системах, медицинском оборудовании (МРТ) и электроинструментах.

• Катализаторов: церий (Ce) используется в автомобильных каталитических нейтрализаторах для снижения выбросов вредных веществ. Лантан (La) входит в состав катализаторов крекинга нефти.

• Люминофоров: европий (Eu), тербий (Tb) и иттрий (Y) используются в люминофорах для производства цветных дисплеев, энергосберегающих ламп и рентгеновских экранов.

• Стекла и керамики: неодим (Nd), эрбий (Er) и празеодим (Pr) используются для придания стеклу и керамике специальных оптических свойств и цветов. Эрбий используется в оптическом волокне для усиления сигнала. Эта область применения РЗМ, в частности, чрезвычайно важна для разработки лазеров.

• Полироли: оксид церия (CeO₂) используется для полировки стекла, линз и полупроводниковых пластин.

Многие РЗМ находят применение в таких областях, как

• Ядерная энергетика: гадолиний (Gd) и диспрозий (Dy) используются в качестве поглотителей нейтронов в ядерных реакторах.

• Металлургия: РЗЭ используются в качестве легирующих добавок для улучшения свойств стали и других металлов. Например, добавление к алюминию скандия (Sc) на 200% повышает усталостную долговечность материала, иттрий (Y) повышает жаростойкость никеля и хрома, прочность ванадия и т. д.

• Электроника: лантан (La) используется в качестве диэлектрика в микроэлектронике.

• Медицина: гадолиний (Gd) используется в качестве контрастного вещества для МРТ.

РЗМ и прогресс

Со временем значение редкоземельных элементов будет только расти. Это связано с ростом спроса на электромобили и ветряные генераторы — переход к «зеленой» энергетике требует огромного количества РЗЭ для производства магнитов и солнечных батарей, — а также с развитием электроники и информационных технологий: они необходимы для производства дисплеев, микроэлектроники и других «запчастей». Транспорт будущего тоже не сможет обойтись без них, так как РЗМ применяются в производстве легких и прочных материалов для самолетов и космических аппаратов, в системах навигации и связи.