Редкие и редкоземельные металлы: какие они и для чего нужны

С каждым годом в промышленное использование вовлекаются все новые элементы, включая редкоземельные. Их применение приводит к технической революции во многих областях жизни человека, а значит, на «редкие земли» большой спрос. Но интересно, что история их изучения насчитывает более двухсот лет, с тех самых пор, как финский химик Юхан Гадолин в 1794 году открыл первый химический элемент группы редкоземельных металлов – иттрий – в минерале иттербите, позже переименованном в гадолинит. Впервые такой минерал обнаружили в шахте возле шведской деревни Иттерби, а состоял он из смеси иттербия, церия и других, менее ценных, веществ.

Спустя столетия, разработанные учеными аналитические методы помогли выявлять все новые элементы. Так что же это такое – редкоземельные металлы – для чего они нужны и где их находят?

Такое название они получили потому, что промышленно добыть их непросто, они редко встречаются в концентрированном виде, при этом название «редкие земли» (Terra Rara – TR) сложилось исторически и обозначает только группу элементов, не связывая ее с распространенностью их в природе.

_{Лопарит – главный на сегодня источник редкоземельных металлов в России. Из лопаритового концентрата, помимо редкоземельных металлов, незаменимых при производстве автомобильных каталитических нейтрализаторов выхлопных газов, получают тантал, титан и ниобий. Первый нужен при производстве электроники, химического оборудования, оптики. Второй – в авиации и ракетостроении. Третий – при легировании сталей, изготовления полупроводников, в атомной промышленности.}

Редкоземельные элементы имеют широкое применение в современных высоких технологиях, входят в состав самых важных и дорогих компонентов магнитных, оптических, лазерных, электронных устройств.

Возьмем современный смартфон. Для его производства необходимы сразу несколько редкоземельных элементов: гадолиний, европий, иттрий – для дисплеев, динамиков и электронных схем, диспрозий и тербий — для сохранения свойств при температурных перепадах, лантан – для электросхем, неодим и празеодим для магнитов, церий — для шлифованного стекла.

Редкоземельные скандий, иттрий и 15 лантаноидов применяют для самых разных целей. Тугоплавкий скандий повышает прочность материалов, усиливает свечение, иттрий – жаропрочность и долговечность материалов, улучшает качество свечения, лантан – пластичность и химическую устойчивость материалов, церий – электропроводность, работает как катализатор.

Празеодим улучшает свойства сверхпроводников и сплавов, его используют в лазерах и для получения пигментов, а неодим – в магнитах, лазерах и излучателях. Сверхмощные постоянные магниты на основе сплава неодима необходимы для двигателей электромобилей, генераторов ветряков, небольших электро- и гидростанций. Любопытно, что неодим и празеодим необходимы для производства горной техники мощнейшей грузоподъемностью – аккумуляторы на их основе позволят избавить от дизеля, который задымляет карьеры, машина с электродвигателями такого типа будет легче, экономичней и экологичней.

Есть элемент прометий – его используют в атомных батарейках, стержнях реакторов, для ионизации воздуха. Самарий улучшает свойства стержней для ядерных реакторов, влияет на огнеупорность материалов; европий повышает качество микрочипов, карт памяти, сверхпроводников, сплавов и керамики. Гадолиний обладает сильными парамагнитными свойствами для получения сверхнизких температур, его используют в полупроводниках и рентгеновских аппаратах. Тербий необходим для сверхмощных магнитов и излучателей ультразвука, работает как катализатор реакций окисления. Диспрозий повышает пластичность и магнитные свойства материалов, используется в нефтехимии, а также для получения красных люминофоров. Гольмий придает сверхпроводящие свойства магнитам, его применяют в лазерной технике. Эрбий влияет на качество оптоволокна, магнитных сплавов, стекла, керамики. Тулий задействуют в лазерах, магнитных носителях, а также используют для дефектоскопии и в диагностических приборах. Иттербий улучшает термоэлектрические и магнитные свойства материалов, обеспечивает легкость полупроводников, ну а лютеций повышает мощность магнитов, сверхпроводимость и жаропрочность материалов.

Редкоземельные элементы содержатся в минералах, а если содержания их достаточно для добычи, то такие минералы становятся полезными ископаемыми. Сегодня лидируют по добыче в качестве источников редкоземельных элементов такие минералы:

бастнезит — из него получают лантан, иттрий и церий, а находят в США и Китае;

монацит — источник церия, празеодима, гадолиния, добыча идет в Австралии, США, Китае, Бразилии, и в России – в Свердловской области;

лопарит — источник церия, лантана, неодима и прометия, добывается в Ловозерском массиве, в Карелии, в Прибайкалье и Туве;

особые глины в Китае, на Мадагаскаре и в Приморье позволяют получить получают иттрий, диспрозий, гадолиний, неодим.

Большие запасы иттрия и лантаноидов сосредоточены в апатитовых рудах месторождений хибинских тундр и в эвдиалитовых рудах месторождения Аллуайв – в них новый, еще нигде в мире не освоенный вид иттриево-циркониевого сырья.

Чем редкие металлы отличаются от редкоземельных? Редких металлов всего 18, в том числе четыре таких, которые можно после обогащения получать в виде концентратов: бериллий, ниобий, литий, тантал. Редкие металлы различаются между собой по объемам производства и областям применения.

Ниобий используют как добавку к сплавам – для России он критически важен, поскольку дает возможность производить особые стали, в том числе для газо- и нефтепроводов. Вольфрам пригодится для строительства, изготовления абразивов, сплавов для ядерных реакторов. Литий необходим для производства стекол, лекарств, батарей для электромобилей. Висмут также используют для лекарств и сплавов. Селен работает в солнечных батареях, удобрениях, лекарствах, для фотокопировальных устройств, цирконий – в пиротехнике, сверхпроводниках, протезах.

Тантал позволяет производить конденсаторы для электроники, сплавы для турбин самолетов, медицинские импланты. Индий отвечает за жидкокристаллические дисплеи, сенсорные и плоские экраны, смартфоны, компьютеры. Бериллий необходим для атомных реакторов, спутникового оборудования, рентгеновских аппаратов. Германий позволяет производить инфракрасную и волоконную оптику, солнечные батареи. Теллур – это также солнечные батареи, сплавы, полупроводники. И галлий отвечает за полупроводники, а также лазеры, светодиоды, микросхемы, он же безопасный заменитель ртути. Рубидий – это теплоносители, электролиты, измерительная техника. Диспрозий нужен для производства электромобилей и гибридных автомобилей, металлогалогенных ламп. Гафний – для ядерных реакторов и микропроцессоров. Рений – для двигателей самолетов, ракет, производства высокооктанового бензина без свинца, рентгеновских снимков, современной медицины. Кадмий используют для производства аккумуляторов, антикоррозионных покрытий. Также к редким металлам относится и таллий, который используется в оптике, электронике, ядерной медицине.

Подготовила специалист по ЭВД Наталья Чернова.

_{Источники: «Национальный атлас России», том 2; «Ежегодник-2019». Труды Института геологии и геохимии им акад. Заварицкого Уральского отделения РАН, вып. 167; интервью с научным руководителем Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева Сибирского отделения РАН академиком РАН Николай Похиленко в журнале «Стимул»; «Геология месторождений редких элементов» Гинзбург А.И., Лавренев Ю.Б., Нечаева Е.А., Пожарицкая Л.К. Государственного научно-технического издательства литературы по геологии и охране недр, Москва.}