Месторождения редкоземельных металлов в мире

Обновлено: 16.05.2024

Добыча и переработка редкоземельных металлов (РЗМ) — сложный и опасный процесс, связанный с большими экологическими рисками, что 30 лет назад привело к сворачиванию добычи в США, которые обеспечивали более 60% мировой добычи.

В настоящее время самым крупным мировым продуцентом РЗМ является Китай. Основа его минерально-сырьевой базы — гигантское бастнезитовое месторождение Баян-Обо, где оксиды редких земель (РЗО) добываются из железо-ниобиевых руд в качестве попутного продукта. Кроме того, на юге Китая отрабатываются латеритные месторождения ион-адсорбционных глин, которые являются важным источником тяжелых редкоземельных элементов. Небольшое количество оксидов редких земель производится также в Канаде, США (из отвалов), России (из лопаритовых руд Ловозерского месторождения), Индии, Австралии и Малайзии (из монацита прибрежных россыпей).

Запасы и ресурсы, тыс.т

Производство РЗМ в концентрате, тыс.т

Запасы категорий A+B+C ₁

Запасы категории C₂

Значительная сырьевая база может быть создана в Северной Корее с ее уникальным место¬рождение Чонджу, которое, по предварительным оценкам больше китайского Баян-Обо.

Россия располагает огромными ресурсами и запасами редкоземельных металлов. Наибольшее их количество заключено в апатит-нефелиновых рудах месторождений Хибинской группы, технология переработки которых не позволяет рентабельно извлекать РЗМ. Большинство других месторождений страны представлено сравнительно бедными рудами, разработка которых экономически нецелесообразна. Томторское месторождение, отдельные участки которого сложены богатыми рудами, находится в удаленном регионе, на севере Якутии.

Сокращение китайских поставок РЗМ на внешний рынок в 2010-2011 гг. привело к значительному (в 10-20 раз) повышению цен. Потребители Японии, США и других стран были вынуждены использовать складские запасы и/или начинать новые проекты по разведке и добыче РЗМ. В настоящее время на разных стадиях разведки и подготовки к эксплуатации за пределами Китая находится более 300 проектов. Кроме того, компании, использующие РЗМ, стремятся исключить их применение. Так, Toyota Motor Corp., Renault SA и Tesla Motors Inc. объявили о возможности отказа от редких земель в электронных элементах в своих автомобилей. Успешно реализуются программы по переработке лома, который может обеспечивать до 10% мировых поставок РЗМ. В ближайшей перспективе высокая эффективность применения РЗМ будет поддерживать спрос на них. Среднесрочная перспектива для поставщиков РЗМ также видится благоприятной, но китайская монополия на рынке может пошатнуться.

В России внутреннее потребление редких земель очень невелико, сырьевая база — огромна, но освоение ее требует значительных средств. В среднесрочной перспективе удовлетворение внутренних потребностей возможно за счет ввода в строй небольших рудопроявлений с ураганными содержаниями дефицитных тяжелых РЗМ, расположенных в освоенных районах с развитой инфраструктурой. Такими являются, например, Абрамовское и Бойковское иттриевоземельные проявления на Павловской площади в Приморье.

Месторождения редкоземельных металлов в мире

Национальный Минерально-Сырьевой Университет «Горный»

Развитие высокотехнологичных отраслей промышленности непосредственным образом оказывает влияние на рост добычи различных полезных ископаемых, в частности редкоземельных металлов (РЗМ). По оценкам USGS мировой спрос на РЗМ может увеличиться на 52,4 % по сравнению с 2012 г. и достигнуть к 2015 г. 210 тыс. т, Industrial Minerals Company of Australia (IMCOA) прогнозирует меньший спрос на редкоземельные оксиды - 160 тыс. т в год к 2016 г.

Редкоземельные металлы (РЗМ, РЗЭ, TR) обладаю редкими физическими и химическими свойствами, получившими свое применение в самых различных высокотехнологичных производствах. Своеобразным показателем уровня научно-технического развития той или иной отрасли является использование в ней редкоземельных металлов. Список РЗМ состоит из 17 уникальных элементов «прогресса и инноваций»: скандий Sc, иттрий Y, лантан La и лантаноиды (14 элементов). В странах ЕС были проведены исследования по определению дефицитных металлов, в результате чего был опубликован список из 14 дефицитных металлов, в число которых входят металлы платиновой группы и редкоземельные металлы. В ходе дальнейших исследований были выделены 5 металлов, нехватка которых особо критична для стратегической отрасли энергетики и энергосберегающих технологий, в число которых также входят диспрозий и неодим, относящиеся к РЗМ.

Рисунок 1 - Cкандий Sc, иттрий Y, лантан La и лантаноиды (14 элементов) в периодической системе элементов Д.Я. Менделеева

Основным сырьем для получения РЗМ являются минералы: бастнезит, монацит, лопарит (преобладают элементы цериевой группы), а также ксенотим, эвксенит (преобладают элементы иттриевой группы). Содержание РЗМ в них изменяется в пределах от 3 до 75% (в пересчете на оксиды). В настоящее время разрабатываются в основном монацитовые и бастенизитовые месторождения. На практике ипользуют кислотныий и щелочноий способы их переработки. Поэтому в настоящее время особенно актуальным является поиск альтернативных источников РЗМ, в качестве которых могут рассматриваться отходы производства (фосфогипс, шламы глиноземных производств, золошлаковые отходы, отработанный катализатор крекинга углеводородов нефти). Однако получение из этого сырья продуктов высокой степени чистоты представляет сложную задачу по причине многокомпонентного состава и образования большого количества вторичных отходов.

Значимость РЗМ для промышленности неоценима, а стабильность поставок является залогом экономической безопасности страны. Последнее обстоятельство заставляет серьезно задуматься правительства многих стран мира о сокращении импорта данных металлов из КНР, которая контролирует от 90 до 97% мирового рынка, а также Индии, недавно начавшей освоение этой отрасли, и мобилизировать собственные силы по их добыче. Повышение экономической безопасности страны напрямую зависит от обеспечения бесперебойности поставок дефицитных металлов, что, в свою очередь, возможно только с помощью рационального использования недр на основе комплексной переработки минерального сырья.

Развитие собственной минерально-сырьевой базы может стать решением проблемы дефицита редких и редкоземельных металлов. Но среди РЗМ есть и радиоактивные элементы, извлечения которых ставит под угрозу здоровье и жизнь местного населения. Именно по причине сильного загрязнения районов добычи РЗМ и траты большого объема плодородных почв в свое время США приняли решение сократить добычу такого рода металлов. В настоящее время США опять стремятся к снижению зависимости от импорта РЗМ и начинают реализовать потенциал самообеспечения данным видом сырья, взяв на вооружение новые технологии и достижения науки (структура импорта РЗМ США представлена на рис. 2).

Рисунок 2 – Редкоземельные металлы: Мировые запасы, добыча и производство РЗМ и объемы импорта в США

Наибольшая часть мировых запасов РЗМ заключена в месторождениях бастнезита Китая и США, монацитовые месторождения получили распространение в Австралии, Бразилии, КНР, Индии, Малайзии, ЮАР, Шри - Ланке, Таиланде, США. Остальные ресурсы РЗМ связаны с месторождениями ксенотима, ионно-абсорционных глин, лопарита, фосфоритов, апатитов, вторичного монацита, эвдиалита и др.

В мировых запасах РЗМ превалирует Китай, его доля составляет около 47% (55 млн. т по данным US Geological Survey на 2012 г.). Кроме того, относительно высокими долями характеризуются СНГ (16%; 19 млн. т) и США (11%; 13 млн. т). Запасы всех разведанных месторождений РЗМ по данным USGS составляют 110 млн. т.

Данные о запасах и добыче редкоземельных металлов в 2011-2012 гг.

Добыча (расчетные данные), т

Рисунок 3 – Мировые запасы редкоземельных элементов

Сценарный прогноз добычи РЗМ до 2015-2016 по данным USGS

Прогноз мирового спроса на РЗМ в 2016 году (т, ± 20%)

Япония и Юго-Западная Азия

Рисунок 4 – Спрос и предложение РЗМ: прогноз до 2015-2016 гг.

Среди месторождений Китая выделяется своими запасами месторождение Bayan Obo – 43,5 млн. т РЗМ в пересчете на оксиды. При этом месторождение характеризуется наличием в рудах в основном «легких» РЗМ. Вместе с тем, в ионно-адсорбционных рудах месторождений Китая, наоборот, преобладают «тяжелые» РЗМ. Chinese Rare Earth Industry Association прогнозирует увеличение спроса на РЗМ в Китае до до 130000 т к 2015 г.

В последние десятилетия спрос на редкоземельные металлы имеет устойчивую тенденцию к росту, объемы рынка за последние 50 лет увеличились с 5 до 125 тыс. т в год. Это объясняется применением РЗМ в быстроразвивающихся областях промышленности, связанных с производством гибридных автомобилей, оборонной техники, компьютерной и телевизионной техники, лазеров, сверхпроводников и прочей наукоемкой продукции (производство магнитов – 22%; высококачественная оптика и стекло – 15%; катализаторы – 18%; конструкционные материалы – 19%; прочее – 26%). Свойства РЗМ находят свое применение, в первую очередь, в военно-промышленной и авиационно-космической отраслях экономики и, поэтому, являются стратегическими металлами.

Основной спрос на РЗМ генерируется технологически развитыми странами: Китай (54%), Япония и Южная Корея (24%), Европейские страны (13%) и США (8%). Тем временем предложение РЗМ на мировом рынке ограничено: 97% рынка приходится на поставки из Китая. Благодаря своим сырьевым запасам, низким экологическим требованиям и дешевой рабочей силе, Китай на протяжении 15 лет поставлял РЗМ на мировой рынок по демпинговым ценам, что приводило к нерентабельности производства РЗМ где-либо за пределами Китая. Поэтому цены на данном рынке подвержены значительным колебаниям и определяются в зависимости от экспортных квот Китая.

Так, в 2010 г. Китай резко сократил экспорт РЗМ и заявил о намерении полностью прекратить экспорт РЗМ к 2015-2016 г, в связи с ростом их внутреннего потребления. В результате, в 2011 г. цены на мировом рынке РЗМ выросли в 5-10 раз. В 2012 г. под угрозой принятия санкций ВТО, Китай частичного восстановил экспортные поставки РЗМ, что отразилось на снижении цен до привычного уровня. Дальнейшее развитие ситуации на рынке прогнозируется в таком же неблагоприятном ключе в силу физической нехватки РЗМ на мировом рынке. Перед странами мира встала серьезная проблема обеспечения своих национальных экономик редкоземельными металлами. В странах-потребителях РЗМ, таких как США и Австралия, были приняты экстренные меры по развитию научно-технологической базы для получения РЗМ, в результате чего к 2020 г. доля Китая на рынке РЗМ должна сократиться в два раза.

Источник: IMCOA, 2011, 2013 и METI 2011

С целью «удовлетворения потребностей отечественного оборонно-промышленного комплекса, гражданских отраслей экономики и выхода на зарубежные рынки», как отметил в своем выступлении заместитель Министра промышленности и торговли Российской Федерации Глеб Никитин, в России была разработана программа «Технологии редких и редкоземельных металлов», также на данный момент разработана программа «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 года», в которую входит подпрограмма «Развитие промышленности редких и редкоземельных металлов».

На сегодняшний день Россия занимает второе место после Китая по балансовым запасам РЗМ, которые оцениваются в 28 млн. т оксидов. Прогнозные ресурсы России составляют 5,2 млн. т и являются крупнейшими в мире. Российские запасы РЗМ сосредоточены в 16 месторождениях. Из них наибольший интерес вызывают: Ловозерское лопаритовое месторождение, Томторское месторождение и Хибинская группа месторождений апатитовых руд.

Рисунок 6 – Основные месторождения РЗМ и распределение их запасов (млн т в пересчете на сумму триоксидов РЗМ) и прогнозных ресурсов категории Р1 (тыс. т) по субъектам Российской Федерации

К сожалению, вследствие низкого содержания РЗМ в рудах, их извлечение чаще всего признается нерентабельным. К тому же на внутреннем российском рынке спрос на РЗМ до настоящего времени был не высок, всего около 2 тыс. т/год (2-3% от мирового потребления) и генерируется лишь двумя потребителями: госкорпорацией «Ростехнологии» и предприятиями оборонно-промышленного комплекса. Это лишний раз свидетельствует о техническом отставании ряда отраслей промышленности России от мирового уровня развития. В результате, на сегодняшний день РЗМ в России практически не добываются. В незначительных объемах (менее 2 тыс. т) добыча идет на Ловоозерском месторождении, вся продукция которого идет на экспорт в силу отсутствия в России предприятий промежуточного передела. Существующий внутренний спрос полностью удовлетворяется за счет импортных поставок РЗМ из Китая. В свете сложившейся ситуации на мировом рынке РЗМ, такая зависимость от китайского импорта является фактором риска для национальной безопасности и развития отечественной промышленности.

Поэтому поставленная задача обеспечения российской экономики РЗМ является стратегической. В рамках разработанной Госпрограммы предполагается освоение месторождения РЗМ Томтор в Якутии уже с 2015 г., что стало возможным в результате развития отечественных технологий и инноваций (руды Томтора радиоактивны). В программе предполагается участие двух крупных государственных корпораций – «Ростехнологии» и «Росатом».

Томторское комплексное редкометальное месторождение находится на северо-западе Республики Саха (Якутия) Российской Федерации, в пределах Оленекского улуса, в 400 км к югу от побережья моря Лаптевых, на водоразделе рек Уджа и Чима-ра. Практическая значимость нового типа руд Томтора определяется набором, колоссальными запасами и уникальными концентрациями ниобия (Nb), иттрия (Y), скандия (Sc) и тербия (Tr). Руды участка первоочередной отработки при планировавшихся незначительных объёмах добычи хватит более чем на 100 лет эксплуатации при окупаемости основных фондов предприятия от 4 до 7 лет. Объём кондиционных руд участка Буранный, подсчитанный по бортовому содержанию Nb₂O₅ 1%, составляет колоссальную цифру 42,7 млн. т. На государственный баланс поставлены запасы нового геолого-промышленного типа по категориям В+С, предназначенные для открытой отработки по бортовому содержанию Nb₂O₅ 3,5% и предельном коэффициенте вскрыши 3,5 м/м 3 в объёме около 1,2 млн. т. Таким образом, на сегодняшний день Томторское месторождение по праву является лидером среди редкометалльных гигантов. По запасам и концентрациям Nb₂O₅ и TR₂O₃, оно превышает все известные мировые аналоги и является уникальным. Так, месторождение Араша (Бразилия), дающее более 80% мировой добычи ниобия, содержит руды с концентрациями 2,5% Nb₂O₅, а в крупнейшем редкоземельном месторождении Bayan Obo (Китай) содержатся руды с концентрациями TR₂O₃ около 10%.

Содержания в балансовых рудах Томторского меторождения составляют следующие элементы: Ниобий: Nb₂O₅ - 6,71%; Иттрий: Y₂O₃ - 0,595%; Скандий: Sc₂O₃ - 0,048%; Тербий: Tr₂O₃ 9,53%. В настоящее время свойства и возможности этих элементов по достоинству оценены авиастроением, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой.

Таким образом, Госпрограмма позволит сформировать и создать целую отрасль, которая обеспечит поставку необходимых материалов для авиации, космоса, атомной промышленности и радиоэлектроники, которая на сегодняшний день практически на 100% зависит от импортных материалов. Необходимость и значимость данной программы заключается, прежде всего, в обеспечении стабильности именно этих отраслей промышленности, что позволит повысить инновационность производства и без ограничений присутствовать России на мировом рынке с отечественной наукоемкой продукцией самого высокого качества с высокой добавленной стоимостью.

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ. Мировой рейтинг стран. 2012 год

Редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы – группа из 17 химических элементов таблицы Менделеева. Они обладают одинаковым строением атомов, а также имеют схожие химические и физические свойства. Редкоземельные элементы применяются в различных промышленных сферах: в радиоэлектронике, атомной энергетике, машиностроении, химической промышленности и металлургии.

Металлы, составляющие группу редкоземельных

По состоянию на 2019 г., в список редкоземельных металлов входят следующие химические элементы:

Скандий: назван в честь Скандинавии.
Иттрий: получил наименование в честь населенного пункта Иттербю, расположенного на территории современной Швеции.
Лантан: в переводе с греческого языка наименование этого элемента означает «таинственный, скрытный».
Церий: назван в честь римской богини Цереры и одноименной карликовой планеты в солнечной системе.
Празеодим: в переводе с греческого языка наименование этого элемента обозначает «зеленый близнец».
Прометий: назван в честь древнегреческого мифического персонажа Прометея.
Неодим: в переводе с греческого языка означает «новый близнец».
Самарий: получил наименование в честь минерала самарскит.
Европий: назван в честь одноименной части света.
Гадолиний: получил наименование в честь финского химика Юхана Гадолина.
Диспрозий: в переводе с греческого языка наименование этого элемента означает «труднодоступный».
Гольмий: назван в честь столицы Швеции – Стокгольма.
Эрбий: получил наименование в честь шведской деревни Иттербю.
Лютеций: назван в честь старинного названия столицы Франции, используемого древними римлянами.
Иттербий: получил наименование в честь населенного пункта Иттербю.
Тулий: получил наименование в честь сказочного острова Туле, описанного в скандинавской мифологии.
Тербий: назван в честь деревни Иттербю.

Термин «редкоземельные» образован от словосочетания «редкие земли». Он объединяет химические элементы по следующим признакам:

Вещества редко встречаются в естественной среде. В нынешнее время только 2% редкоземельных металлов добываются в земной коре. Извлечение металлов в большинстве случаев осуществляется из отходов производства минеральных удобрений. Добыча осуществляется с применением инновационных технологий.
При взаимодействии с кислородом элементы образуют тугоплавкие, нерастворимые оксиды, называемые «землями».
Представляют собой серебристо-белые металлы, тускнеющие при взаимодействии с воздухом в результате образования оксидной пленки.

Редкоземельный металл лантан является одним из самых дорогих химических элементов. При взаимодействии с алюминием он образует вещества с повышенной интенсивностью поглощения углерода и азота. Благодаря низкой активности по отношению к H2, его можно применять для изоляции водорода от окружающих газов.

Редкоземельные соединения отличаются между собой по химической активности. Этот параметр возрастает от скандия до лантана. До лютеция химическая активность снижается до минимальных значений. Это явления обусловлено постепенным снижением расстояния между атомами и энергетическими уровнями.

В научной литературе редкоземельные металлы имеют следующие обозначения:

TR: аббревиатура, обозначающая “редкие земли” (Terrae rarae).
REE: сокращение английского словосочетания Rare-earth elements (редкоземельные элементы).
REM: сокращение английского словосочетания Rare-earth metals (редкоземельные металлы).

В российских учебниках редкоземельные элементы обозначаются аббревиатурами РЗЭ или РЗМ.

История открытия редкоземельных металлов

Впервые редкоземельные металлы были изучены финским химиком Юханом Гадолином в конце XVIII столетия. В 1794 г. ученый во время изучения рудных образцов, найденных вблизи деревни Иттербю, открыл “редкую землю”, названную иттриевой. В начале XIX в. немецкий химик Мартин Клапрот создал первую классификацию редкоземельных соединений. Он раздел эти элементы 2 группы: иттриевые и цериевые.

Спустя несколько десятилетий шведский химик Мосандер выявил наличие новых редкоземельных металлов. В 1840-х г. ученый выделил из образцов “редких земель” окись церия, тербиевую и эрбиевую земли. К концу XIX столетия в мире было открыто 16 редкоземельных элементов. В XX в. был открыт последний редкоземельный металл — прометий. Ее исследованием занимались русские химики Маринский и Гленделин. На основе их экспериментов были проведены опыты по использованию осколков деления атомов урана в ядерном реакторе. По состоянию на 2019 г. группа редкоземельных металлов состоит из 17 химических соединений. В таблице Менделеева они расположены в ячейках 21, 39 – 57, 57 – 61.

Запасы редкоземельных элементов

Общее количество по массе редкоземельных металлов в природе составляет не более 0,02%. Чаще всего в недрах Земли находятся церий, лантан и неодим. Наименее распространенным соединением является Европий. Ее процентное содержание в недрах Земли составляет не более 0,0013% от его общей массе.

В мире редкоземельные металлы находятся в 240 минеральных веществах: фторидах, силикатах и фосфатах. 62 минерала используются в качестве промышленного сырья: монацит, апатит, бастнезит и эвксенит. Процентное соотношение РЗЭ в составе минеральных веществ неодинаково. В бастнезитах содержатся преимущественно представители цериевой подгруппы, в апатитах – иттриевой.

Редкоземельные элементы содержаться в естественной среде совместно, образуя сульфиды или галоидные соединения. Валентность веществ составляет не более 3+. В природе церий может образовывать четырехвалентные соединения, что обусловлено особенностями строения его электронной оболочки.

Основные запасы редкоземельных металлов содержатся в следующих странах:

США: 13000000 т;
Австралия: 1600000 т;
Бразилия: 36000 т;
Китай: 55000000 т;
Индия: 3100000 т;
Малайзия: 30000 т.

В России 90% редкоземельных элементов импортируется из других стран. Это обусловлено тем, что на российском рынке наблюдается низкий спрос на данные соединения. Из-за развития научно-технического прогресса наибольшее количество редкоземельных ресурсов потребляется развитыми странами Европы и Северной Америки.

Добыча

Добыча редкоземельных металлов из отходов фосфорных удобрений является одной из самых инновационных технологий. Наличие в породном отвале большого количества гипса обуславливает высокую водостойкость и механическую прочность сырья. Эта технология извлечения РЗМ позволяет добыть до 800 000 ценных химических элементов и утилизировать отходы при производстве фосфорных удобрений. Она представляет собой замкнутый цикл. В результате переработки минеральных удобрений выделяются строительный гипс и оксиды редкоземельных металлов: неодима, тербия, церия, диспрозия, празеодима и лантана.

Существуют 3 метода переработки отходов от производства удобрений:

Разложение материала с помощью плавиковых или серных кислот: позволяет удалять из веществ оксиды азота в процессе реакции обмена.
Хлорирование: атомы неметаллов сменяются на хлор в результате химической реакции замещения.
Сплавление гидроксидами, растворимыми в воде: в результате реакции гидролиза из РЗМ удаляются сульфированные поверхностно-активные вещества.
Химическое восстановление кальцием: осуществляется в бескислородной среде или в атмосфере аргона. Эта процедура позволяет избавиться от самых прочных химических окислов.

В результате образуется хлориды, сульфаты и оксиды, из которых извлекаются редкоземельные соединения. Для очистки РЗЭ от примесей используются технологии вакуумного переплава или дистилляции.

Наибольшее количество РЗМ добывается на территории США, Канады, Австралии и КНР. С 2010 г. спрос на эти химические соединения растет во многих индустриальных отраслях: машиностроении, электронике, ядерной энергетике и химической промышленности. Одним из крупнейших месторождений редкоземельных металлов является Bayan Obo, расположенное в Китае. Здесь содержится 44 млн. оксидов. Китай экспортирует сырье во многие страны Европы, Азии, Северной Америки и Африки. С 2010 г. КНР сокращает экспорт РЗМ, что связано с ростом потребления на внутреннем рынке. В результате во многих странах возникла физическая нехватка редкоземельных ресурсов.

В Российской Федерации добыча РЗМ из горных пород является нерентабельным занятием, что обусловлено низким потреблением этих металлов. Наибольшее количество редкоземельных элементов используют государственная корпорация “Ростехнологии” и предприятия оборонной промышленности. В России РЗМ добываются на территории Мурманской области и Республики Саха (Якутии). В данных регионах находятся крупнейшие месторождения редкоземельных металлов: Ловозерское и Томторское. С 2016 г. в РФ действует госпрограмма по созданию отраслевых предприятий, обеспечивающих российскую промышленность редкоземельными элементами. Она позволила улучшить методы добычи РЗМ и ликвидировала зависимости экономики России от импортных материалов.

Свойства редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы имеют серебристый или желтый окрас. Они поддаются механической обработке и проводят электрический ток. Свойства РЗМ могут изменяться при переходе веществ из металлического состояния в парообразное. При высоком давлении и большой разнице в энергии атомные радиусы уменьшаются, что приводит к увеличению плотности простых веществ.

Физические свойства

Плотность РЗЭ составляет 6000–7000 кг/м 3 . Температура плавления вещества равняется 900 °С. Переход веществ в газообразное состояние осуществляется при температуре от 3500 °С. Наибольшим захватом тепловых нейтронов обладают гадолиний, самарий и европий. При нагревании до высоких температур элементы становятся пластичными и легко поддаются прокатке или ковке.

РЗМ обладают магнитными свойствами. Они относятся к классу парамагнетиков. Магнитная восприимчивость соединений зависит от их температуры. Гадолиний, Диспрозий и Гольмий располагают ферромагнитными свойствами. Они могут увеличить свое магнитное поле в несколько раз при нагреве до критических температур. В естественной среде большая часть редкоземельных металлов являются сверхпроводниками. Переход сверхпроводящее состояние осуществляется при охлаждении веществ до температуры -268,15 °С. Величина данного показателя зависит от избыточного давления.

Механические свойства

Механические свойства РЗЭ находятся в зависимости от количества примесей, содержащихся в веществе: кислорода, серы, азота и углерода. Ими обладают большинство представителей иттриевой и цериевой подгрупп. Чистые металлы, в которых содержится меньше 1% примесей, имеют твердость 500 Мпа. Этот показатель зависит от температуры химического соединения. При охлаждении вещества до 800 °С твердость элемента составляет 30 МПа. Если понизить температуру вещества до 550 °С, то оно полностью размягчится, что обусловлено полиморфным превращением.

При температурах 20-800 °С повышается пластичность редкоземельных металлов. Во время нагревания внутренняя структура элементов переходит на кубическую модификацию. Во время растяжения РЗМ полностью разрушаются при давлении в 150 Мпа. При более низких значениях этого показателя соединения деформируются. Удельное растяжения металлов составляет не менее 12%.

Химические свойства

При взаимодействии с молекулами кислорода РЗЭ покрываются тонкой оксидной пленкой, защищающей металлы от физических деформаций и воздействия иных химических элементов. При высокой влажности вещества начинаются окисляться с большей интенсивностью и превращаются в щелочи. Данный химический процесс осуществляется при температурах до 250 °С. При дальнейшем нагревании в кислородной среде металлы начнут окисляться с выделением большого количества тепловой энергии.

Наибольшей реакционной способностью располагают скандий и иттрий. При нагревании до 400 °С они вступают в реакции с водородом, образуя гидриды. Полученные вещества имеют высокую плотность и могут взаимодействовать с солями. Церий обладает свойством пирофорности. При разрезании этого элемента на воздухе образуется множество искр. В этом случае выделяется до 220 ккал тепла.

Степень окисления редкоземельных соединений равняется +3. Поэтому эти способы образовывать тугоплавкие, твердые и крепкие оксиды. При взаимодействии с водой РЗМ образуют малорастворимые гидроксиды. Растворимость элементов зависит от ряда активности и свойств амфотерности. Из-за высокой активности металлов, соли редкоземельных соединений быстро растворяются в сильных кислотах, относящихся к минеральной группе химических веществ. При взаимодействии РЗМ с неметаллами VI – VII групп получаются галогены. РЗЭ могут вступать в реакцию с селеном, бромом, йодом при нагревании. Они инертны к большинству растворимых гидроксидов.

Применение редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы нашли применение в следующих областях:

Производство винчестеров и звуковых динамиков.
Изготовление фотокамер, телескопических объективов, проекторов, приспособлений для студийного освещения и аккумуляторов.
Переработка сырой нефти.
Разработка усиленных металлов и стекол, применяющихся в авиационных моторах и защитных масках для строителей.
Создание жидкокристаллических дисплеев, аппаратов для МРТ, рентгеновских систем, энергосберегающих ламп и ядерных реакторов.

Также РЗЭ используются для изготовления добавок и эмалей, необходимых для модификации материалов. Они улучшают пластичность и прочность сырья, что увеличивает срок службы различных аппаратов и металлических устройств. Благодаря повышенной скорости поглощения окисей углерода и азота, РЗМ могут применяться в водородных тиратронах в качестве изолирующего материала.

Применение редкоземельных элементов оказывает негативное влияние на экологию планеты. В результате добычи и производства РЗЭ в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ и токсинов, включая углерод. В настоящее время разрабатываются технология определения токсичности РЗМ при помощи биотестирования. Ученые создают биосенсоры, определяющие влияние металлов на организм человека при помощи специальных биосенсоров. При изготовлении тестовых приспособлений используются экологически чистые материалы: Paramecium Bursaria и водоросли Chlorella.

Читайте также: