Редкоземельный металл на и

Обновлено: 04.05.2024

Редкоземы — важные и самые дорогие компоненты магнитных, оптических и электронных устройств, которые производят в оборонной и аэрокосмической промышленности: беспилотников, управляемых ракет, приборов лазерного наведения спутниковой связи и т.д.. Их называют «витаминами промышленности». Ведь эти металлы, хоть и в небольшом количестве, используются в важнейших материалах и процессах.

Редкоземельные элементы: что это такое

В Зеленой книге ИЮПАК (Международного союза прикладной и теоретической химии), представлен перечень из 17 редкоземельных металлов. Это:

скандий,
иттрий,
15 лантаноидов.

В промышленности используют общепринятые аббревиатуры для обозначения редкоземов:

Сокращение

Расшифровка

Где находятся в периодической системе

Обозначение оксидов

Rare earth elements, в переводе редкоземельные элементы

№57-71: от лантана до лютеция, плюс иттрий, №39, скандий, №21

Light rare earth elements, в переводе легкие редкоземельные элементы

№57-62, начиная лантаном и заканчивая самарием

Heavy rare earth elements, в переводе тяжелые редкоземельные элементы

№63-71:, начиная европием и заканчивая лютецием, плюс иттрий

В одну группу эти элементы объединили из-за похожих признаков. Они образуют простые вещества со следующими свойствами

серебристые или серые, с сильным металлическим блеском;
пластичные и мягкие;
активные, особенно при повышенной температуре или тонком измельчении.

Редкоземельные металлы обладают определенными различиями, поэтому и применяются для разных целей. Вот их краткое описание.

Наименование

Цвет

Ценные свойства металла и его соединений

Тугоплавкий, повышает прочность материалов, усиливает свечение

Повышает жаропрочность и долговечность материалов, улучшает качество свечения

Серебристо-белый, похож на кальций

Ускоряет крекинг нефти, повышает пластичность, жаропрочность и химическую устойчивость материалов

Повышает электропроводность и пластичность металлов, придает розоватый оттенок стеклу, катализатор

Улучшает свойства сверхпроводников и сплавов, придает бледно-зеленый оттенок стеклу, используется в лазерах и для получения пигментов

Улучшает качество стекла и сплавов, растворяет плутоний, повышает контрастность изображения, используется в магнитах, лазерах и излучателях

Способен к люменесценции, используется в атомных батарейках, стержнях реакторов, для ионизации воздуха

Улучшает свойства стержней для ядерных реакторов, магнитов, поглощающего инфракрасные лучи стекла, огнеупорность материалов

Повышает качество микрочипов, карт памяти, сверхпроводников, сплавов и керамики

Сильные парамагнитные свойства для получения сверхнизких температур, используется в полупроводниках и рентгеновских аппаратах

Необходим для сверхмощных магнитов и излучателей ультразвука, катализатор реакций окисления

Повышает пластичность и магнитные свойства материалов, катализатор в нефтехимии, для получения красных люминофоров

Придает сверхпроводящие свойства магнитам, применяется в лазерах, активирует люминофоры

Улучшает качество оптоволокна, магнитных сплавов, стекла, специальной керамики

Применяется в лазерах, магнитных носителях, для дефектоскопии, в диагностических приборах

Улучшает термоэлектрические и магнитные свойства материалов, обеспечивает легкость полупроводников

Повышает мощность магнитов, сверхпроводимость, жаропрочность

Но с точки зрения добычи полезных ископаемых они действительно редкоземельные. Потому что не часто встречаются в концентрированной и экономически выгодной форме.

Чем редкие металлы отличаются от редкоземов

Кроме редкоземельных, выделяют еще группу редких металлов. Их всего 18, в том числе 4 таких металла, которые можно после обогащения получать в виде концентратов: бериллий, ниобий, литий, тантал. Остальные 14 называют попутными микрокомпонентами, или рассеянными редкими металлами.

Редкие металлы значительно различаются между собой по объемам производства и областям применения.

Сколько примерно тонн производится в мире в год

Где используется

Добавка к стали и другим сплавам

В виде карбида для строительства, изготовления абразивов, сплавы в ядерных реакторах

Стекло, литье, керамика, батареи для электромобилей, лекарства

Сплавы со свинцом и другими металлами, для производства лекарств

Стекло, пигменты, фотокопировальные устройства, лекарства, удобрения, солнечные батареи

Пиротехника, сверхпроводники, протезы, зубные имплантаты, посуда, фианиты

конденсаторы для электроники, сплавы для турбин самолетов, медицинские импланты

Жидкокристаллические дисплеи, сенсорные и плоские экраны, смартфоны, компьютеры

Атомные реакторы, системы наведения, спутниковое оборудование, рентгеновские аппараты, формы для выдувания

Сплавы, солнечные батареи, полупроводники

Инфракрасная и волоконная оптика, солнечные батареи, японские ПЭТ-бутылки

Полупроводники, лазеры, светодиоды, микросхемы, безопасный заменитель ртути

Теплоносители, электролиты, измерительная техника

Электромобили и гибридные авто, металлогалогенные лампы

Ядерные реакторы, микропроцессоры

Двигатели для самолетов, ракеты, высокооктановый бензин без свинца, рентгеновские снимки, фотовспышки, лечение опухолей

Батарейки, аккумуляторы, антикоррозионные покрытия

Также к редким металлам относится таллий.

Полезные ископаемые с достаточным для добычи содержанием содержанием редкоземов называют редкоземельными минералами. Первый такой минерал обнаружили в шахте возле шведской деревни Иттерби, Это гадолинит. Он состоит из смеси редкоземельных иттербия, церия, других менее ценных веществ.

Лидирующие по мировой добыче источники РЗЭ - следующих минералы:

бастнезит — из него получают лантан, иттрий и церий, местность Маунтин-Пасс в Калифорнии, Байян-Обо в Китае;
монацит — источник церия, празеодима, гадолиния, добыча в Австралии, США, Китае, Бразилии, Красноуфимске (Свердловская область);
лопарит — в основном цериево-лантановый, в меньшей степени неодим и прометий, найден в Карелии, село Ловозеро, в Прибайкалье, Туве;
латеритные ионно-адсорбционные глины — получают иттрий, диспрозий, гадолиний, неодим, месторождения в Китае, на Мадагаскаре, небольшое в Приморье.

Редкоземы есть в ряде ниже перечисленных полезных ископаемых

Минерал

Какие РЗЭ содержит

Месторождения

Празеодим, церий, лантан, неодим, иттрий,

Хибины, Кольский полуостров

Северное Прибайкалье, Монголия

Церий, диспрозий, гольмий

Хабаровский край, Малмыжское месторождение

лютеций, диспрозий, эрбий, гольмий, иттрий, туллий, иттербий

Бразилия, Норвегия, Швеция, Северная Карелия, Южный и Северный Урал, Хабаровский край

Колумбия, Норвегия, Китай, Урал, Северные Саяны

Иттрий, европий, тербий

Южный Урал, Миасс

Кольский полуостров, Тува, Швеция, Норвегия

Эрбий, туллий, иттрий, иттербий

Норвегия, Гренландия, Швеция, Урал, Украина, Зимбабве, США

Дальний Восток, Казахстан

Челябинская область, Монголия, Китай, Кения

Диспризий, гольмий, эрбий

Россия, США, Норвегия, Бразилия, Мадагаскар

Минералы-концентраты с набором разных РЗЭ получают рядом с месторождениями из первичной руды путем ее обогащения. В Мурманской области это лопаритовый концентрат. В мировых масштабах большое всего производится следующих концентрата:

насыщенного раствора сорбционно-ионных руд - до 90% РЗЭ в оксидной форме;
ксенотимового – 25% оксида иттрия;
моноцитового – 55% смеси оксидов РЗЭ;
бастнезитового – 60-85% комплекса редкоземельных оксидов.

Чем определяется стоимость редкоземов

Всего по расчетам 2014 года мировые запасы РЗЭ составляют 147 млн тонн:

Китай 38% всех разведанных редкоземов,
Монголия 21%,
Бразилия 15%,
США 9%,
Япония 5%,
Индия 2%,
Австралия 1%.

Оставшиеся 9% - все остальные страны.

Но далеко не все обладатели запасов РЗЭ готовы к разработке найденных месторождений. Во-первых, получение редкоземельных металлов связано с сильным загрязнением окружающей среды. При производстве 1 тонны РЗЭ из руды по стандартной китайской технологии образуется:

1 тонна радиоактивных отходов;
12000 кубометров газовой смеси с пылью, фтороводородной и серной кислотой, диоксидом серы;
75 кубометров кислотного раствора.

Это приводит к загрязнению сточных вод, а следом за ними пахотных земель и рек. В том числе Хуанхэ, из которой берут питьевую воду полторы сотни миллионов людей. В нее попадает торий, элемент с высокой радиоактивностью.

Во-вторых, для запуска проектов по добыче редкоземов нужны большие стартовые капиталы. В результате расчетная себестоимость очищенных металлов окажется намного больше, чем у китайских конкурентов.

Например, австралийская компания Nothern Minerals собирается получать окись диспрозия и продавать килограмм по 720$. Китай сейчас продает это же сырье по 400$. Похожие проекты есть у канадских компаний Great Vestern Minerals и Tastan Metals. Последняя предполагает продавать все ту же окись диспрозия за 580$. В США Rare Element Resourse планирует цены на оксид этого же редкозема 655$/кг, а на окись европия 950$/кг.

В ближайшие годы другим странам, желающим производить РЗЭ, будет трудно конкурировать с Китаем. Ведь там дешевая рабочая сила и пренебрежение к требованиям экологии позволяют держать цены на достаточно низком уровне.

Редкоземельные элементы и производство гаджетов
Рост потребности в редкоземах растет параллельно тому, как высокотехнологичная техника становится необходимой для всех и каждого, определяет уровень и качество жизни. Часто цена гаджета в значительной доле определяется наличием и количеством редкоземельных и редких металлов в его электронной начинке.

Почему смартфоны Apple такие дорогие? На это есть ряд причин, и одна из них — использование РЗЭ. Причем не одного-двух, а как минимум девяти:

гадолиния — в дисплеях, динамиках и электронных схемах,
диспрозия — добавка в магниты электросхем для для сохранения свойств при нагреве и температурных перепадах,
европия — для красного светящегося вещества дисплея,
иттрия — для дисплеев, светодиодов,
лантана — в электронных схемах, дисплее, шлифованном стекле, для оптических линз,
неодима — магниты в схемах и динамиках из сплава с железом и бором,
празеодима — добавка в неодимовые магниты, дисплей, динамик,
тербия — для зеленого люминесцирующего вещества на дисплее, в динамиках, схемах и вибрационном механизме для защиты мини-магнитов от высоких температур,
церия — для шлифованного стекла.

Из этих редкоземельных элементов только четыре – церий, лантан, празеодим и неодим –поставляются для Apple американской компанией Molycorp и австралийской Lynas Corp. Остальные пять добывают преимущественно в Китае. Если Китай запретит экспортировать свои РЗЭ, то у Apple могут появиться серьезные проблемы.

В каждом из пяти важнейших узлов iPhone — дисплее, микросхеме, динамиках, механизме вибрации и шлифованном стекле — есть как минимум один редкоземельный металл, который на данный момент можно получить только из Китая.

Можно производить iPhone без европия, неодима, диспрозия и тербия, если заменить их более дешевыми и доступными металлами. Но это ухудшит цветовое отображение на дисплее , увеличит вес гаджета, снизит скорость работы и устойчивость к высоким температурам. То есть качество продукции Apple серьезно пострадает.

Если Apple и другие богатые компании, нуждающиеся в редкоземах, такие как Tesla , Intel , HP , материально поддержат американские проекты по добыче РЗЭ, то это поможет снизить зависимость от Китая. Но пока что цена вопроса слишком большая.

Что такое редкоземельные металлы и их использование

Редкоземельные металлы представляют собой группу из 17 химически схожих элементов, имеющих решающее значение для производства многих высокотехнологичных продуктов. Несмотря на свое название, большинство из них в изобилии, но опасны и трудны при извлечении.

Что такое редкоземельные металлы — это 17 химических элементов с неудобными названиями и необычными свойствами. Их атомные номера 57-71, 21 и 39.

Несмотря на свое название, они не являются геологически редкими, но широко рассеяны по всей земной коре. Редкоземельные металлы добываются в немногих местах и несколькими фирмами, как правило, не находятся в высококонцентрированной форме. Мировой рынок этих элементов является скромным (несколько миллиардов долларов в год), неустойчивым, сложным и доминирует в Китае, где не все шахты и экспорт легальны и прозрачны. Один из экспертов пришел к выводу, что около половины мирового производства 2018 года было неофициальным.

По возрастанию атомного веса редкоземельные металлы расположились следующим образом:

21 Sc — Скандий
39 Y — Иттрий
57 La — Лантан
58 Ce — Церий
59 Pr — Празеодим
60 Nd — Неодим
61 Pm — Прометий
62 Sm — Самарий
63 Eu — Европий
64 Gd — Гадолиний
65 Tb — Тербий
66 Dy — Диспрозий
67 Ho — Гольмий
68 Er — Эрбий
69 Tm — Тулий
70 Yb — Иттербий
71 Lu — Лютеций.

Большинство этих элементов используются во многих различных областях.

Использование и добыча

Использование редкоземельных металлов является узкоспециализированным, но разнообразным. Эти элементы использованы в мобильных телефонах, суперсильных магнитах и, следовательно, моторах и генераторах, некоторых катализаторах нефтеперерабатывающего предприятия, лазерах и в люминесцентной лампе или плоских экранах, некоторых батареях и в сверхпроводниках и других технологиях важных в современной жизни. Некоторые редкоземельные металлы особенно полезны в энергетических приложениях.

Ученые предупреждают, что нехватка редкоземельных металлов или почти монополия Китая на них, может подавить переход на возобновляемые источники энергии и другие чистые технологии.

Может ли контроль Китая над этими важнейшими элементами (примерно 97 процентов) блокировать способность Вашингтона производить ракеты Томагавк, самолеты F-35 и очки ночного видения, как предупреждали некоторые ученые, не говоря уже об электрических транспортных средствах и ветровых турбинах?

Неодим

Используется для создания мощных магнитов, используемых в громкоговорителях и жестких дисках компьютеров, чтобы они были меньше и эффективнее. Магниты, содержащие неодим, также используются в экологически чистых технологиях, таких как производство ветровых турбин и гибридных автомобилей.

Лантан

Этот элемент используется в камерах и объективах телескопа. Соединения, содержащие лантан, широко используются в приложениях для освещения углерода, таких как студийное освещение и проекция кино.

Церий

Используется в каталитических нейтрализаторах в автомобилях, что позволяет им работать при высоких температурах и играет решающую роль в химических реакциях в конвертере. Лунтан и церий также используются в процессе переработки сырой нефти.

Иттрий

Иттрий используется в процессе создания цветных дисплеев на таких устройствах, как телевизионные экраны.

Празеодим

Используется для создания крепких металлов для использования в авиационных двигателях. Празеодим также является компонентом особого сорта стекла, используемого для изготовления козырьков для защиты сварщиков и стеклоизготовителей.

Гадолиний

Используется в рентгеновских и МРТ-системах сканирования, а также в телевизионных экранах. Исследования также проводятся в его возможное использование при разработке более эффективных холодильных систем.

Иттрий, тербий, европий

Применяется в экранах телевизоров, компьютеров и в других устройствах, которые имеют визуальные дисплеи, поскольку используются для изготовления материалов, которые выделяют разные цвета. Европий также используется для изготовления контрольных стержней в ядерных реакторах.

Рынок редкоземельных металлов

В настоящее время рынок редкоземельных металлов в упадке, и Китай планирует ограничить годовое производство до 140 000 метрических тонн, начиная с 2020 года, чтобы попытаться снова поднять цены.

Причины падения цен на редкоземельные металлы

Начнем с супермагнитов.

Неодим — редкоземельный элемент, примерно с концентрацией в земной коре, как свинец и хром, но сосредоточен в высокосортных рудах. В 1982 году Дженерал Моторс и японская компания Сумитомо обнаружили, что смешивание одной четвертой неодима по весу с тремя четвертями железа и бора может сделать самое мощное семейство супермагнетиков тогда известным, Nd₂Fe₁₄B и что свойства этих магнитов могут быть дополнительно улучшены путем добавления следов других редкоземельных металлов — празеодима плюс диспрозий или более дорогой тербий.

Китай, обладая большим количеством всех этих элементов и предпочитая добавленную стоимость экспорту сырья, создал индустрию супермагнитов, чьи низкие цены захватили большую часть мирового рынка и закрыли конкурентов. Китай также энергично проводит исследования и разработки, чтобы найти дальнейшее применение своей редкоземельной щедрости.

Даже в 2015 году, на долю Китая приходилось более 80% мирового редкоземельного производства, сейчас около 70 процентов — это неразумный баланс.

Технологические решения по уменьшению спроса

Сейчас двигатели применяют современную управляющую программу и силовую электронику из кремния, самого распространенного твердого элемента на Земле.

Первый вид — это асинхронный двигатель, изобретенный Николой Теслой 130 лет назад и используемый в каждом электромобиле Приус и Тесла сегодня. Без магнитов изготавливают двигатели не только в электрических автомобилях, но также в ветротурбинах, что освобождает тонны неодима. То, что некоторые ветряные турбины и производители используют генераторы с постоянными магнитами, не означает, что другие должны их изготавливать также.

Точно также красные люминофоры в компактных люминесцентных лампах традиционно используют европий. Но эти лампы теперь в значительной степени вытеснены белыми светодиодами, которые используют примерно на 96 процентов меньше европия. Кроме того, новые красные люминофоры не используют редкоземельные металлы, в то время как последний зеленый люминофор сокращает использование тербия более чем на 90 процентов.

Эрбий в волоконно-оптических ретрансляторах — еще один редкоземельный элемент. Эрбий необходим чтобы увеличить емкость волокна. Ширина полосы частот сейчас увеличена путем передачи по мултиплексу и беспроволочными рационализаторствами.

Некоторые гибридные автомобили, такие как Honda Insight 2001 года, использовали никель-металл-гидридные батареи, содержащие лантан, но теперь они в значительной степени заменены более легкими литиевыми батареями, которые обычно не используют лантан. Кроме того, электромобилям с литиевыми батареями требуется в два—три раза меньше батарей по массогабаритным характеристикам.

Лидирующие на рынке литиевые батареи электромобиля в мире, как и их двигатели, вообще не используют редкие металлы. Количество электромобилей в мире растет. Появляются новые технологии в виде мощных потенциальных заменителей батарей (в частности, графеновые суперконденсаторы).

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.

Редкоземельные элементы и минералы список

Читайте также: