Мы часто слышим о редкоземельных элементах и их значении для современной промышленности. Но что это за минералы и почему их химические свойства делают их такими ценными?
Основы химии
Редкоземельные элементы составляют серию лантаноидов в периодической таблице. Это металлические элементы с атомными номерами от 57 до 71, что соответствует количеству протонов в атомном ядре элементов.
Помимо 15 лантаноидов, ещё два элемента — скандий (атомный номер 21) и иттрий (атомный номер 39) — также считаются редкоземельными элементами, поскольку они обычно встречаются в тех же месторождениях и имеют схожие химические и физические свойства.
«Интересно, что редкоземельные элементы на самом деле не являются редкими», — говорит старший преподаватель химии в Австралийском университете Нового Южного Уэльса Лорен Макреди, беседуя с Cosmos. «Они известны как редкие, однако это связано с тем, что они обычно рассеяны, а не встречаются в больших, концентрированных месторождениях. Они часто встречаются в смеси с другими элементами, образуя „рудные залежи“, и редко встречаются в чистом виде, что делает процесс добычи и очистки сложным и дорогим».
Старший преподаватель горного дела в Университете Кертина в Западной Австралии Джордж Баракос говорит: «Их даже больше, чем золота, но редко можно найти в экономических концентрациях».
Не все они одинаково распространены. Например, Баракос отмечает, что прометий — единственный радиоактивный элемент в ряду лантаноидов. У него период полураспада всего несколько лет, что означает, что его практически невозможно найти в значительных количествах на Земле.
Использование редкоземельных элементов
Несмотря на то что добыча и очистка редкоземельных элементов сложны, они играют решающую роль в современной жизни.
«Эти элементы особенные, поскольку они имеют решающее значение для многих наших повседневных гаджетов, таких как смартфоны, экраны телевизоров и наушники», — говорит Макреди. «Хотя в этих технологиях используется лишь небольшое количество этих элементов, без них многие гаджеты, на которые мы полагаемся, просто перестали бы работать».
Баракос добавляет, что их можно использовать не только в высокотехнологичных продуктах, но и в микрочипах, нефтепереработке, фармацевтике и создании сплавов, таких как магниты. Он говорит, что использование редкоземельных элементов в электронике помогло улучшить качество и долговечность, а также уменьшить размер повседневных предметов.
«Например, в первых мобильных телефонах не использовались эти элементы. Они были очень тяжёлыми, с тяжёлыми батареями, и их время работы составляло час или два. Сейчас у нас есть смартфоны с редкоземельными элементами, конечно, с другими важными минералами. Но именно редкоземельные элементы в основном отвечают за то, чтобы они были легче, батареи работали дольше и так далее», — объясняет Баракос.
Магия магнитов
Ключевая особенность редкоземельных элементов — их роль в создании магнитных сплавов, которые являются важными компонентами современных технологий.
«Сплавы означают смесь некоторых элементов», — объясняет Баракос. «Магниты — самый известный и популярный сплав, получаемый из редкоземельных элементов».
Баракос приводит два примера металлических сплавов с редкоземельными элементами, которые используются из-за их магнитных свойств. «У вас есть магниты, которые позволяют преобразовывать энергию между электрической и механической и наоборот».
«Например, в электродвигателях электромобилей магниты взаимодействуют с электрическими токами и создают вращательное движение», — говорит Баракос.
«У вас также есть генераторы, которые можно использовать в ветряных турбинах», — добавляет он. «В каждой ветряной турбине содержится около 60 кг редкоземельных элементов, а магниты способствуют преобразованию механического движения в электрическую энергию посредством электромагнитной индукции».
«Редкоземельные элементы обладают уникальными свойствами, которые помогают создавать одни из самых сильных магнитов в мире», — говорит Макреди. «Мы используем магниты во многих устройствах каждый день, таких как простые моторы и дверцы холодильников, но некоторым технологиям нужны сверхсильные и мощные магниты для работы (например, МРТ и компьютерные жёсткие диски)».
«Редкоземельные элементы, такие как неодим и самарий, являются ключевыми компонентами для создания постоянных магнитов, которые не только сильнее, но и более устойчивы к размагничиванию, чем обычные магниты. Их атомные структуры позволяют получить больший магнитный выход в меньших размерах, что делает их идеальными для компактных, высокоэффективных приложений», — поясняет Макреди.
Редкость и чистота
Однако для того, чтобы редкоземельные элементы были полезны, их необходимо очистить в очень сложном процессе.
«Вы добываете их и находите вместе в концентрации», — начинает Баракос. «И есть сложный процесс, чтобы разделить их. Как только вы разделите их друг от друга, вам нужно их очистить. Очистка должна быть более чем на 99,9999%, чтобы мы могли использовать весь спектр их свойств».
«Месторождения редкоземельных руд разрабатываются по всему миру», — говорит Макреди. «Крупнейший производитель — Китай, в США, Австралии и России также есть крупные рудники. Однако доступ к этим месторождениям распределён неравномерно, и Китай в течение последних нескольких десятилетий поставлял подавляющую часть мировых продуктов из редкоземельных элементов».
«Это странный мир — редкоземельные элементы», — говорит Баракос.
«Вы знаете, что производство железа или меди может исчисляться миллиардами тонн, — говорит Баракос. — Когда дело доходит до редкоземельных элементов, мы говорим о нескольких сотнях тысяч тонн. Производство в 2023–2024 годах составило около 350 000 тонн, что фактически почти удвоилось по сравнению с несколькими годами ранее».
«Редкоземельные элементы имеют решающее значение для современной промышленности благодаря своим уникальным магнитным и химическим свойствам. Эти свойства необходимы для развития современного промышленного производства при создании высокоэффективных магнитов, люминофоров для наших экранов и ветряных турбин», — говорит Макреди.
«Во многих из этих приложений у редкоземельных элементов нет практических заменителей, поэтому они считаются критически важными материалами», — добавляет Макреди. «Их полезные свойства, позволяющие обеспечить высокую производительность в небольших и лёгких компонентах, делают их ключевыми в стремлении к миниатюризации технологий и повышению энергоэффективности, что является основной задачей будущего производства».
В отличие от стали или железа, подчёркивает Баракос, редкоземельные элементы не являются чем-то осязаемым в повседневной жизни.
«Они спрятаны в гаджетах, которые мы используем», — добавляет он. «Внутри смартфонов мы можем говорить о нескольких граммах. Так что они очень хорошо спрятаны в мире и в обществе, поэтому мы не всегда понимаем их важность».