Семнадцать редкоземельных металлов (РЗМ) — это дорогостоящие и крайне востребованные элементы, которые служат фундаментом для современных высоких технологий. Их уникальные свойства незаменимы в медицине, микроэлектронике, металлургии, машиностроении, зеленой энергетике, а также в аэрокосмической и оборонной отраслях. Неслучайно их называют «промышленными витаминами»: даже в малых количествах они значительно улучшают характеристики материалов, делая их прочнее, долговечнее и стабильнее. Но если их добывают тысячами тонн, почему же они считаются «редкими»? Вместе с заведующим кафедрой цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС», доктором технических наук Вадимом Тарасовым мы разберемся в причинах ажиотажа вокруг этих элементов.
Что такое редкоземельные металлы и почему они так называются?
Редкоземельные элементы — это группа из 17 металлов, обычно серебристо-белого цвета, обладающих хорошей электропроводностью и пластичностью. Парадокс в том, что они не являются геологической редкостью и довольно широко рассеяны в земной коре. Сложность в том, что они редко образуют крупные, экономически выгодные для добычи месторождения. Термин «редкоземельные» (от латинского «terra rara») укоренился еще в XVIII веке, когда эти элементы были впервые обнаружены в составе сложных оксидов, называемых «землями». Определение «редкие» тогда отражало их необычность и редкость встречи в чистом виде.
Важно не путать их с другой группой — редкими металлами, которые действительно встречаются в природе в мизерных количествах. К редкоземельным относятся скандий, иттрий и 15 лантаноидов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.
Отдельно стоит группа из 18 редких металлов, которые почти не встречаются в концентрированном виде. Лишь четыре из них (бериллий, литий, ниобий и тантал) можно получить в промышленных масштабах при обогащении руд. Остальные 14 — это так называемые рассеянные и радиоактивные редкие металлы.
История открытия и сложности добычи
Первым из редкоземельных элементов был открыт иттрий. Это сделал в 1794 году финский химик Юхан Гадолин, изучая минерал из шведской деревни Иттербю (позже названный в его честь гадолинием).
Добыча и переработка РЗМ — чрезвычайно дорогой и сложный процесс. Поскольку их концентрация в руде обычно низка, для получения значимых объемов требуются гигантские масштабы добычи и переработки. Технологии очистки энергоемки, используют концентрированные кислоты и другие опасные реагенты. Кроме того, руда часто содержит радиоактивные элементы, такие как торий и уран, что добавляет экологических и технологических сложностей.
Некоторые РЗМ обладают капризными химическими свойствами: тускнеют на воздухе, реагируют с водой, а при нагреве могут самовоспламеняться. Это делает их обработку и хранение нетривиальной задачей.
Особняком стоит прометий — радиоактивный элемент, который в природе практически не встречается. Его получают искусственно в ядерных реакторах. После нескольких ложных открытий в разных странах, он был окончательно идентифицирован в 1945 году и сейчас находит применение в миниатюрных радиоизотопных источниках энергии и медицине. Общее количество прометия на Земле исчисляется всего сотнями граммов.
Самые востребованные элементы и их применение
Наибольший промышленный спрос приходится на неодим, празеодим и самарий. Они критически важны для производства сверхмощных постоянных магнитов, которые используются повсеместно: от жестких дисков и наушников до электродвигателей автомобилей и генераторов ветряных турбин. Именно эти магниты сделали возможным бум альтернативной энергетики и миниатюризацию электроники. Они обладают феноменальной силой, способной удерживать предметы, в сотни раз превышающие их собственный вес.
Обратите внимание: Неодимовый магнит: особенности применения в быту и иных сферах.
Остальные РЗМ находят применение в производстве аккумуляторов, специальных сплавов, лазеров, катализаторов для нефтепереработки, ЖК-экранов, радаров и керамики.
Мировые запасы и лидеры производства
Редкоземельные элементы встречаются во многих месторождениях по всему миру, но экономически рентабельными являются лишь немногие минералы, такие как бастнезит, монацит и ксенотим. Интересно, что некоторые РЗМ, например церий, довольно распространены в земной коре — примерно как медь.
Безусловным мировым лидером в этой сфере является Китай, на долю которого приходится от 65% до 80% всей добычи и переработки. Значительно меньшие объемы производят США, Австралия и Мьянма. Россия в настоящее время занимает седьмое место по производству, а её ключевым источником сырья является Ловозерское месторождение в Мурманской области.
Потребности российской экономики в РЗМ быстро растут: с текущих 2000 тонн в год до планируемых 10 000 тонн к 2026 году. Они используются в оптике, катализаторах, металлургии, керамике, медицине и, конечно, в производстве постоянных магнитов. При этом по разведанным запасам Россия занимает второе место в мире (около 28,5 млн тонн), уступая только Китаю. Крупнейшие месторождения расположены в Мурманской области, Якутии и Забайкалье. По прогнозам, к 2025 году доля России на мировом рынке сырья может составить около 1%.
Диаграмма взята из Национального доклада о состоянии и использовании минеральных ресурсов в Российской Федерации в 2022 году
РЗМ в повседневной жизни: от смартфона до кухни
Современный смартфон — настоящая кладовая редкоземельных элементов. Для его создания требуется как минимум девять из них:
Гадолиний — используется в дисплеях и микрочипах.
Диспрозий — стабилизирует магниты в схемах при перегреве.
Европий и тербий — создают яркие красные и зеленые цвета на экране.
Иттрий — ключевой компонент светодиодов и дисплеев.
Лантан и церий — улучшают качество оптического стекла (линз, экранов).
Неодим и празеодим — основа для крошечных, но мощных магнитов в динамиках и вибромоторах.
Теоретически, эти элементы можно заменить более дешевыми аналогами, но это неизбежно приведет к ухудшению качества: экран потускнеет, устройство станет тяжелее, а его производительность и стойкость к нагреву снизятся.
Сферы применения РЗМ удивительно разнообразны:
- Бытовая техника: Церий входит в состав самоочищающихся покрытий для духовок. Лантан улучшает линзы фотоаппаратов и биноклей.
- Защита: Празеодим используется в стеклах сварочных масок. Соединения РЗМ применяются в технологиях защиты банкнот от подделок.
- Текстиль и керамика: Ткани с добавлением церия могут обладать антимикробными свойствами. Иттрий повышает термостойкость кухонной посуды.
- Повседневные мелочи: Самарий входит в состав «вечных» кремней для зажигалок.
Таким образом, редкоземельные металлы — это не абстракция из учебника химии, а неотъемлемая часть нашего технологичного мира. Они делают гаджеты компактнее, энергию — чище, а материалы — совершеннее. Теперь вы знаете, что стоит за этим невидимым, но таким важным прогрессом.
[Мои] Ученые Наука и технологии Редкоземельные элементы Наука Популярность МИСиС Длительный пост Производственный рынок Промышленность 2Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: «Витамины промышленности»: эти 17 элементов правят миром высоких технологий.