Редкоземельные металлы: что такое, почему редкие и зачем нужны людям

Они в свою очередь подразделяются еще на две группы:

Вопреки названию, они относительно распространены в земной коре. Но из-за своих геохимических свойств эти элементы, как правило, достаточно рассеяны. Это означает, что они редко встречаются в пригодной для добычи концентрации. Такое низкое содержание металлов в земле — лишь одна из причин названия группы.

Сгорая, редкоземельные металлы образуют весьма тугоплавкие и плохо растворимые в воде оксиды — в конце 18 века их называли «землями» (как, например, глину или почву).

Месторождения этих металлов можно найти по всему миру, но, как уже было сказано, распределены они неравномерно.

Путь к открытию редкоземельных металлов был долгим — около ста лет. Первый элемент, иттрий, открыл шведско-финский химик Юхан Гадолин в 1794 году. Через время после этого минерал, из которого был извлечен иттрий, назвали гадолинитом — в честь исследователя.

Изучение рудных образцов происходило недалеко от шведской деревни Иттербю, по названию которой позже получили имена редкоземельные элементы — иттрий, тербий, эрбий и иттербий.

Позднее немецкий ученый Мартин Клапрот поделил эти образцы на две группы — иттриевую и цериевую. Некоторое время спустя шведскому химику Карлу Мосандеру удалось извлечь из того же образца еще несколько элементов. Каждый из них был оксидом новых элементов, которые стали называться редкоземельными.

Выделение оксидов оказалось сложной задачей, а потому в то время было множество ложных объявлении об открытиях все новых и новых редкоземельных элементов. Объединив усилия, к 1907 году ученые предоставили итоговое заключение — всего идентифицировано 16 таких элементов.

Позже в ходе экспериментов с ураном и исследования продуктов его деления был выделен новый элемент — прометий. Он стал 17-м и последним участником группы редкоземельных элементов.

Редкоземельные элементы, как правило, трехвалентны, но некоторые имеют и другие валентности. Например, самарий, европий и иттербий могут быть двухвалентными, а церий, празеодим и тербий — четырехвалентными.

В некоторых научных книгах редкоземельные элементы изучаются как химически настолько похожие друг на друга, что в целом их можно рассматривать как один элемент. В каком-то смысле это верно — около 25% их применения в нашей жизни как раз основано на этом близком сходстве. Однако остальные 75% использования базируются именно на уникальных свойствах каждого элемента. И это еще не все! Тщательное изучение этих элементов показывает просто огромные различия в их поведении и свойствах.

Например, температура плавления лантана («начальника» ряда лантаноидов) — 918 °C. Это намного ниже температуры плавления лютеция, последнего элемента этого семейства, примерно 1663 °C. Эта разница намного больше, чем большинство других, которые встречаются группах периодической таблицы. Например, температуры плавления меди, серебра и золота отличаются всего на 100 °C.

Возможно, вы никогда об этом не задумывались, но сложно придумать какое-нибудь устройство, которое не содержало бы редкоземельных элементов. Даже такой простой продукт, как кремень для зажигалки — это преимущественно сплав церия, лантана и железа. Что уж говорить о более технически сложных вещах.

Автомобилестроение — крупнейший потребитель редкоземельных продуктов. Десятки электродвигателей в типичном автомобиле, а также динамики звуковой системы используют постоянные магниты из неодима, железа и бора. Электрические датчики используют стабилизированный иттрием цирконий для измерения и контроля содержания кислорода в топливе. Люминофоры в оптических дисплеях содержат оксиды иттрия, европия и тербия. Лобовое стекло, зеркала и линзы полируются с использованием оксидов церия. Даже бензин или дизельное топливо, которые, собственно, приводят в движение авто, были очищены с использованием катализаторов редкоземельных элементов, содержащих лантан, церий или смешанные оксиды редкоземельных элементов. А гибридные автомобили питаются от перезаряжаемой батареи на основе никель-лантанового металлгидрида и электродвигателя тяги с постоянными магнитами, содержащими редкоземельные элементы.

Более того, современные медиа и коммуникационные устройства — мобильные телефоны, телевизоры и компьютеры — все они тоже используют редкоземельные элементы в качестве магнитов для динамиков и жестких дисков и люминофоров для оптических дисплеев. Количество используемых редкоземельных элементов сравнительно небольшое — всего 0,1–5 % от общей массы. Однако они критически важны — любое из этих устройств работало бы гораздо хуже или было намного тяжелее без использования редкоземельных элементов.

Огромную роль эти элементы играют и в военном деле — системы радаров и наведения, а также лазеры требуют большого количества «редких земель». В медицине они — гаранты корректной работы аппаратов МРТ.

Оглянитесь вокруг. Посчитайте количество технологических устройств. Скорость работы и удобство всех этих штучек — заслуга свойств редкоземельных металлов.