Почему редкоземельные элементы такие редкие?

Редкоземельные элементы обладают рядом полезных свойств, которые делают их высоко востребованными в технологической и энергетической отраслях. Наиболее ценными являются неодим, празеодим, тербий и диспрозий, которые действуют как сверхсильные миниатюрные магниты -  жизненно важный компонент электроники, включая смартфоны, аккумуляторы для электромобилей и ветряные турбины. Однако их ограниченные мировые запасы вызывают большое беспокойство у правительств и корпораций, которым эти металлы нужны для продолжения производства.

Но почему редкоземельные элементы так редки?

Оказывается, на самом деле они не так уж редки. Исследование геологической службы США о "кристаллическом изобилии" различных элементов, то есть о том, сколько их доступно, если усреднить земную кору, показало, что большинство редкоземельных элементов "находятся в том же порядке величины, что и обычные металлы, такие как медь и цинк, - рассказывает Аарон Нобл, профессор и глава департамента горного дела и разработки полезных ископаемых в Virginia Tech. – Более того, они встречаются чаще, чем серебро, золото и платина".

Хотя эти элементы довольно распространены, их очень трудно извлечь из их природных источников.

"Проблема в том, что они не сконцентрированы в одном месте. Во всех сланцах Соединенных Штатов содержится около 300 миллиграммов редкоземельных элементов на килограмм. Из них можно получить объем металлов, равный небольшой яме", - говорит Пол Земкевич, директор Научно-исследовательского института водных ресурсов Западной Вирджинии.

Необычный химический состав редкоземельных элементов означает, что эти металлы не собираются в одном месте во время тектонических процессов. Следовательно, следы этих элементов разбросаны по всей планете, что делает обычную добычу этих материалов неэффективной.

Иногда чрезвычайно кислотные условия под землей могут немного увеличить количество редкоземельных элементов, присутствующих в определенных районах. Но найти эти неуловимые обогащенные участки - только первая задача.

В природе металлы существуют в виде соединений, называемых рудами, которые содержат частицы металла, связанные с другими неметаллическими веществами (называемыми противоионами) сильной ионной связью. Чтобы получить чистый металл, эти связи должны быть разорваны и противоионы должны быть удалены — но сложность этого разделения зависит от металла и противоиона, о котором идет речь.

Руды существуют для всех видов металлов, а не только для редкоземельных элементов. Например, медь и железо также могут образовывать руды.

"Медная руда обычно встречается в виде сульфида. Вы нагреваете руду до такой степени, что сульфиды выделяются в виде газа, и чистая медь выпадает на дно вашего реакционного сосуда. Это довольно простое извлечение, - объясняет Земкевич. - Другие, такие как оксиды железа, нуждаются в добавке, чтобы выделить металл. Но редкоземельные элементы гораздо сложнее отделить". 

Редкоземельные металлы естественным образом имеют три положительных заряда и образуют невероятно прочные ионные связи с противоионами фосфата, каждый из которых обладает тремя отрицательными зарядами. Поэтому процесс извлечения должен преодолеть очень сильное притяжение между положительным металлом и отрицательным фосфатом. Это непростая задача.

"Редкоземельные руды —химически стабильные минералы - вам потребуется много энергии и химической интенсивности, чтобы расщепить их", – говорит Ноубл. Именно эта трудность извлечения чистого элемента и дала редкоземельным элементам их название.