История редкоземельных элементов

Редкоземельные элементы — это 17 металлических элементов, расположенных в середине периодической таблицы (атомные номера 21, 39 и 57–71). Эти металлы обладают необычными флуоресцентными, проводящими и магнитными свойствами, что делает их очень полезными при сплавлении или смешивании в небольших количествах с более распространенными металлами, такими как железо.


С геологической точки зрения редкоземельные элементы не являются особенно редкими. Месторождения этих металлов встречаются во многих местах по всему миру, причем некоторые элементы встречаются в земной коре примерно в таком же количестве, как медь или олово. Но редкоземельные элементы никогда не встречаются в очень высоких концентрациях и обычно встречаются в смеси друг с другом или с радиоактивными элементами, такими как уран и торий.

Химические свойства редкоземельных элементов затрудняют их отделение от окружающих материалов и друг от друга. Эти качества также затрудняют их очистку. Современные методы производства требуют большого количества руды и создают большое количество вредных отходов для извлечения даже небольшого количества редкоземельных металлов. Отходы от методов обработки включают радиоактивную воду, токсичный фтор и кислоты.

 Редкоземельные элементы являются компонентами многих известных технологий, включая смартфоны, светодиодные фонари и гибридные автомобили. Несколько редкоземельных элементов используются в нефтепереработке и ядерной энергетике; другие важны для ветряных турбин и электромобилей; и более специализированные применения происходят в медицине и производстве. Редкоземельные элементы стали критически важными для современной жизни




Термин «редкая земля» был придуман, когда необычный черный камень был обнаружен шахтером в Иттербю, Швеция, в 1788 году. Руда была названа «редкой», потому что ее никогда раньше не видели, а «землей» потому что это был геологический термин 18-го века для горных пород, которые могли растворяться в кислоте.
 В 1794 году химик Йохан Гадолин назвал эту ранее неизвестную «землю» иттрием, в честь города, где она была обнаружена. Со временем в шахтах вокруг Иттербю добывали породы, которые давали четыре элемента, названных в честь города ( иттрий , иттербий , тербий и эрбий ).
Лампа на нефтяных парах Керосиновая лампа с несгоревшей калильной сеткой. Этан Дж. Таль/Wikimedia Commons

Идентификация новых элементов была престижной, но спорной деятельностью для европейских химиков в 19 веке.
 Йенс Якоб Берцелиус выделил и назвал церий в 1803 году и торий в 1828 году.
 В 1839 году шведский химик Карл Густав Мосандер начал систематически анализировать смешанные редкоземельные элементы, открыв и назвав лантан , эрбий и тербий .
Во второй половине 19 века химики Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен разработали спектроскопию как метод идентификации элементов путем изучения световых спектров. Главной проблемой в химии редкоземельных элементов — как тогда, так и сейчас — был поиск способов их разделения.

Карл Ауэр фон Вельсбах был учеником Роберта Бунзена — изобретателя горелки Бунзена — в Гейдельбергском университете в Германии в 1880 году.
Там Вельсбах начал работать с редкоземельными элементами. Как опытный лабораторный химик он показал, что дидим, который тогда считался элементом, на самом деле является сплавом двух редкоземельных элементов, которые он назвал неодимом и празеодимом . Когда Вельсбах обратил свое внимание на промышленные проблемы, он стал первым человеком, который разработал коммерческое использование редкоземельных элементов.

Он понял, что раскаленные свойства редкоземельных элементов могут быть полезны. («Раскаливание» описывает свечение видимого света, испускаемое при нагревании материала.) Вельсбах разработал газовую калильную сетку (лампу) с использованием раскаленного материала, которая давала яркий свет и могла производиться массово. К 1935 году было произведено более пяти миллиардов калильных сеток, но это изобретение создало проблемы: лампы было трудно зажигать, а кучи отходов редкоземельных элементов, остававшиеся после производства, были склонны к возгоранию. Вельсбах нашел способ сплавлять или смешивать эти отходы редкоземельных элементов с железом, создавая «кремень», который искрил при ударе, который он назвал ферроцерием. Этот материал широко использовался в зажигалках, а также в устройствах зажигания в автомобилях.
Руда для поставки этих редкоземельных элементов в основном поступала из Бразилии, Индии и Северной Каролины, тем самым создавая первую международную торговлю редкоземельными элементами.

Редкоземельные элементы в атомный век

Редкоземельные элементы приобрели новое научное, а затем и геополитическое значение с достижениями атомной физики в XX веке.

Проблема отделения редкоземельных элементов от руды и друг от друга сделала неясным, сколько именно редкоземельных элементов может быть.
В 1913 году британский физик Генри Мозели с помощью рентгеновской спектроскопии определил, что в ряду лантаноидов (атомные номера от 57 до 71) находится 15 элементов.

Редкоземельные элементы приобрели новый статус в 1939 году после того, как Отто Ган, Лиза Мейтнер и Фриц Штрассман открыли ядерное деление урана — открытие, приведшее к созданию атомной бомбы — и определили редкоземельные элементы в продуктах деления.

 В Соединенных Штатах план по созданию атомной бомбы под кодовым названием Манхэттенский проект опирался на опыт ведущего американского химика по редкоземельным элементам Фрэнка Спеддинга для решения ключевой проблемы. Редкоземельные элементы были примесями, которые предотвращали цепную ядерную реакцию, поглощая нейтроны.

Редкоземельные элементы необходимо было отделить и удалить в процессе очистки урана. Из работы Спеддинга во время войны родилась Лаборатория Эймса в Университете штата Айова, которая теперь является ведущим исследовательским центром правительства США по редкоземельным элементам.

Учимся использовать редкоземельные элементы

Поиск источников урана в Соединенных Штатах привел к разработке рудника Mountain Pass в пустыне Мохаве в Калифорнии, недалеко от границы с Невадой. Хотя месторождения урана и тория на руднике не оказались полезными, его месторождения редкоземельных элементов оказались полезными. В начале 1950-х годов рудник и разделительный завод извлекли европий , который использовался для производства красных фосфоров для недавно разработанной технологии цветного телевидения. Позднее производство расширилось и включило церий , лантан , неодим и празеодим . Этот рудник, принадлежащий Molybdenum Corporation of America, или Molycorp, доминировал в мировом производстве и экспорте редкоземельных элементов примерно с 1960 по 2000 год.

Гонка вооружений между Соединенными Штатами и Советским Союзом во время Холодной войны (1945-1991) привела к огромному росту финансируемых правительством исследований и разработок во многих областях, включая редкоземельные элементы.

 Исследователи ВВС США разработали самариево -кобальтовые магниты в 1960-х годах. Этот материал сохранял свои мощные магнитные свойства даже при очень высокой температуре, что делало возможным создание более мощных радиолокационных приборов.
Советские металлурги использовали скандий , чтобы сделать алюминий прочнее и легче в 1980-х годах, что повысило производительность истребителей МиГ-29. Лазерные исследования привели к разработке лазеров на иттриево -алюминиевом гранате, используемых для лазерных дальномеров или целеуказателей для управляемого оружия.

Корпоративные и промышленные исследования создали новые продукты для потребителей, которые использовали редкоземельные элементы. Исследования аккумуляторов в 1970-х и 1980-х годах привели к разработке никель-металл-гидридной батареи, в которой использовался лантан и неодим .

 Эти батареи можно было многократно перезаряжать, сохраняя при этом много энергии относительно их объема (размера). Они стали популярными для использования в портативной электронике, такой как видеокамеры в 1990-х годах, и широко использовались в гибридных автомобилях, таких как Toyota Prius, выпущенная в 2001 году. Исследователи из General Motors запатентовали неодим -железо-боровые магниты в 1980-х годах и создали компанию Magnequench, которая производила легкие, мощные постоянные магниты, используемые в электрических стеклоподъемниках и дверных замках, двигателях стеклоочистителей и электростартерах двигателей.
Magnequench вскоре нашла ценный рынок по продаже крошечных магнитов для жестких дисков компьютеров, поскольку персональные компьютеры получили широкое распространение в американских домах и офисах в 1990-х годах.

Использование редкоземельных элементов в электронике расширялось в 1990-х и 2000-х годах. В начале 1990-х годов Bell Labs разработала усилитель на основе волокон, легированных эрбием , для усиления сигнала в оптоволоконных кабелях. Эти небольшие устройства сделали возможным создание глобальной сети длинных оптоволоконных кабелей, что снизило стоимость междугородних телефонных звонков и теперь передает интернет-данные по всему миру. Выпуск первого iPhone в 2008 году показал, насколько далеко продвинулись достижения в области редкоземельной металлургии и ее применения.

Смартфоны используют лантан для уменьшения искажений в своих крошечных стеклянных линзах камеры, неодимовые магниты для улучшения звука из крошечных динамиков и иттриевые и эрбиевые люминофоры для создания ярких цветов на энергоэффективном экране.
Изменения в мировой торговле

В то же время, когда разрабатывались новые приложения редкоземельных элементов, изменения в мировой экономике привели к сдвигам в местах производства редкоземельных элементов и высокотехнологичного производства. Соединенные Штаты были ведущим мировым экспортером промышленных товаров на протяжении большей части 20-го века. В течение десятилетий после Второй мировой войны должностные лица правительства США продвигали международные торговые соглашения, чтобы открыть иностранные рынки для американских производителей.

По мере того, как правительства по всему миру снижали ограничения на торговлю, а глобальные расходы на доставку и связь снижались, производственные компании начали открывать заводы везде, где товары можно было производить дешевле всего. Начиная с 1980-х годов и ускоряясь в течение 1990-х годов, многие американские компании переместили свое производство в страны, где платили гораздо более низкую заработную плату, имели меньше мер по охране труда и технике безопасности для рабочих и менее строгие экологические нормы. Эти действия снизили цены на товары для американских потребителей, но привели к закрытию заводов и потере рабочих мест в Соединенных Штатах.

За пределами Соединенных Штатов другие правительства стремились увеличить торговлю и производство для продвижения своих стран. В Азии правительства Японии и так называемых азиатских тигров (Гонконг, Сингапур, Тайвань и Южная Корея), которые имели мало природных минеральных или энергетических ресурсов, поощряли импорт сырья со всего мира с целью производства продукции для мирового экспорта. В Европе лидеры работали над интеграцией национальных экономик, гармонизируя трудовые и экологические нормы и поощряя легкую миграцию граждан между европейскими странами. Это нашло наиболее яркое отражение в создании Европейского Союза в 1993 году.

Китай развивает свою промышленность редкоземельных элементов

К концу 1970-х годов коммунистическое правительство Китая начало развивать свои производственные и мировые торговые возможности как способ обеспечения политической стабильности, установления внутреннего процветания и преодоления катастрофических событий истории 20-го века. В 1976 году Дэн Сяопин стал лидером Коммунистической партии Китая. Он стремился восстановить процветание страны посредством тщательно контролируемых рыночных и экономических реформ, не снижая политического контроля Коммунистической партии. Развитие промышленности редкоземельных элементов Китая тесно связано с возвращением Китая в мировую торговлю после 1978 года и успешными усилиями его правительства по превращению страны в мировую производственную державу.