Редкоземельные металлы не пользуются уважением. Застряв в самом низу периодической таблицы элементов и получив труднопроизносимые названия, такие как празеодим и иттербий, они не имеют и близкого гламура и популярности, как кислород, азот, углерод и другие лидеры чартов. Черт возьми, даже цирконий, который использовался для создания часто высмеиваемого имитации алмаза кубического циркония, живет лучше, чем редкоземельные элементы. Ирония всего этого в том, что большинство людей ежедневно используют продукты, изготовленные из редкоземельных элементов. Фактически, вы могли бы сказать, что мы не смогли бы жить без них, поскольку они находятся в большинстве высокотехнологичных устройств: мобильных телефонах, компьютерах, iPod и многом другом..
Так что же это за штуки? Существует 17 редкоземельных элементов, согласно общепринятому определению, все из которых проявляют сходные химические свойства: элементы ряда лантанидов - лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций - плюс иттрий и скандий, классифицируемые как "переходные металлы".(Однако некоторые ученые могут исключить скандий или и скандий, и иттрий из группы редкоземельных элементов, в зависимости от того, насколько, по их мнению, эти два элемента похожи на лантаноиды.) Эти элементы, также называемые редкоземельными металлами, были открыты в 1787 г. химик лейтенант Карл Аксель Аррениус, после того, как он нашел странно тяжелый черный камень в карьере в Иттербю, Швеция, который он назвал иттербитом.
Эти металлы на самом деле не редкость - их в изобилии можно найти по всему миру. Однако люди считают их редкими, потому что они разбросаны крошечными кусочками по всей планете, а не сгруппированы в жилы, как медь. На самом деле они встречаются скоплениями - но с другими редкоземельными элементами, а не только с их конкретным видом. Это означает, что их нужно собирать, а затем разделять на отдельные элементы, что сложно и дорого. На самом деле, когда элементы были впервые обнаружены, и ученые еще не знали, что с ними делать, они добывались вместе как группа. Эта мешанина элементов получила название «мишметал». Действительно.
На протяжении десятилетий ученые возились с этими элементами, в конце концов осознав их огромный потенциал. Во-первых, редкоземельные элементы обладают замечательными магнитными и проводящими свойствами, что позволяет нам уменьшать размеры наших технических устройств. Помните Sony Walkman 1970-х годов, первое портативное музыкальное устройство? Этот компактный плеер стал возможен отчасти благодаря тому, что в нем был небольшой сильный магнит из самария. Сегодня магниты на основе самария были заменены еще меньшими и более сильными неодимовыми магнитами - отсюда и миниатюрный потомок Walkman, iPod. Редкоземельные элементы также находят применение в сфере обороны, где они используются для создания всего, от очков ночного видения до высокоточного оружия.
США когда-то лидировали в мире по переработке редкоземельных элементов, но сегодня это отличие принадлежит Китаю, который извлек выгоду из государственных субсидий в 1980-х и 1990-х годах, что позволило им наводнить международный рынок дешевыми редкоземельными элементами. Однако, поскольку собственная потребность Китая в них выросла, они не продают столько же остальному миру, и надвигается дефицит. США перезапустили свои бывшие производственные мощности и, возможно, снова смогут покрывать собственное потребление редкоземельных металлов.
Редкие земли: зеленый или не слишком зеленый?
Уменьшать размеры наших высокотехнологичных игрушек за счет использования редкоземельных элементов - это здорово, но у них есть и другие важные применения, особенно в отношении окружающей среды. Металлы используются при создании многочисленных «зеленых» товаров, в том числе гибридных автомобилей, средств контроля загрязнения воздуха, светодиодных лампочек и ветряных турбин.
В частности, магниты из редкоземельных элементов используются в ветряных турбинах и связанных с ними устройствах, таких как генераторы, что делает их прочными и мощными, но при этом легкими и эффективными. Перезаряжаемые батареи, которые питают все, от крошечных электронных книг до тяжелых гибридных автомобилей, упомянутых выше, также используют эти элементы, в частности лантан. Например, каждая Toyota Prius весит 10 фунтов (4,5 кг).5 килограммов) лантана в своей «никель-металлогидридной» батарее. (Угадайте, к чему относится слово «металл» в названии? Разумеется, к лантану.)
Конечно, редкоземельные элементы не идеальны. Все редкоземельные руды содержат уран и торий - радиоактивные элементы, которые при добыче становятся отходами и должны быть тщательно утилизированы. Кроме того, для разделения урана и тория требуется больше химикатов, чем для разделения неблагородных металлов, таких как медь, цинк и свинец, что не очень хорошо для окружающей среды.
В Китае и других странах слабое регулирование и незаконная добыча редкоземельных металлов привели к загрязнению земли и воды и даже к отравлению местных жителей, что, безусловно, является серьезной проблемой. Процесс добычи полезных ископаемых также требует много энергии и может вызвать деградацию и эрозию верхнего слоя почвы. И, наконец, многие высокотехнологичные гаджеты, сделанные из редкоземельных элементов, выбрасываются на свалки, когда они больше не нужны, и исследователи еще не знают, попадут ли со временем редкоземельные элементы обратно в окружающую среду - и если да., что это может означать для нашей планеты.
В конечном счете производство редкоземельных элементов продолжает расти, что позволяет предположить, что, по крайней мере на данный момент, их бесчисленные экологические и социальные преимущества перевешивают затраты. Так что похоже, что эти элементы никуда не денутся - по крайней мере, до тех пор, пока не будет обнаружено следующее лучшее.
Примечание автора: что такое редкоземельные элементы и какое отношение они имеют к окружающей среде?
Я признаю: я ненавижу науку. (Математика тоже, если хочешь знать.) Так что поначалу эта тема меня не волновала. Пока я не понял, что это означает, что у меня наконец-то есть что обсудить с моей старшей дочерью, которая только что получила степень бакалавра наук. в химии. Моя дочь была знакома с редкоземельными элементами и помогла мне полностью понять, что они собой представляют. Этот личный контакт сделал тему более интересной для меня, и я надеюсь, что этот интерес отразится в этой статье.
Часто задаваемые вопросы
Какие семь редкоземельных элементов?
Семь редкоземельных элементов: иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, самарий и гадолиний.
Что такое 17 редкоземельных элементов?
17 редкоземельных элементов: скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.