Редкоземельные элементы

Редкоземельные элементы — что это?

В ХХI веке не может не казаться странным, отчего это металлы скандий, иттрий и группа от лантана до лютеция зовут «землями»? И почему ископаемые, добываемые сотнями тысяч тонн в год, именуются редкими? Ответы кроются в прошлом…

Сила традиций

Науке прошлых тысячелетий было свойственно делить материю на четыре элемента: землю, огонь, воду и воздух. Со временем «огонь» стали величать «плазмой» и отнесли к особым состояниям вещества. «Воду» научились отличать от иных жидкостей. Понятие «воздуха» развилось в разнообразие газов.

И только «земля» тихой сапой пробралась к границам современности: в не столь уж и далеком ХIХ веке оксиды металлов по старинке звали не иначе как «землями»…

При этом несколько металлов – а именно скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций – имели репутацию неуловимых. Ученые с трудом добывали граммы этих веществ!

Оксиды этих металлов по тем временам вполне обоснованно звались «редкими землями», вследствие чего и сами химические элементы обрели название редкоземельных.

Хх век – век борьбы за редкоземельные металлы

Парижская выставка всемирных достижений состоялась в 1900-м году. Ценители научных достижений искренне восхищались неброскими брусочками слитков.

Химики с гордостью поглядывали на обывателей: еще бы! Ученым наконец-то удалось выделить лантан и его металлических собратьев в чистом (как тогда считалось) виде! Достижение преподносилось как успех академической науки. Практического применения редкоземельным металлам в ту пору не находилось.

Возможно, во многом поэтому выделение гольмия, лютеция и тулия в чистом виде припоздало почти на столетие и состоялось уже в конце ХХ века.

Где прячутся редкоземельные элементы

Столп отечественной химии, Дмитрий Менделеев, оценивал распространенность «редких земель» в земной коре как исчезающе малую. Современная наука опровергает опасения Менделеева: подсчитано, что из всех доступных к освоению металлов не менее 20% приходится на редкоземельные элементы. Минералогия описывает 250 минералов, содержащих в себе редкоземельные металлы.

Но лишь четверть из них имеют промышленное значение. Добыча и переработка руд, содержащих менее 5% металла, является убыточной. Самым известным рудным минералом «редких земель» считается монацитовый песок. Монацит – это фосфат одного (самария) или сразу нескольких редкоземельных металлов. Россыпи раздробленного волнами моноцита нередки для морских побережий.

Чаще всего монациты становятся источником церия и радиоактивного тория. В суровые годы монацитовые пески собирают и вывозят прямо с морских пляжей, где они намываются в метровые пласты. В спокойные времена добыча редкоземельных металлов ведется из руд, разрабатываемых промышленно.

Например, широко известные з апатиты могут содержать до трех процентов соединений редкоземельных элементов.

Статистический анализ дает поразительную картину. Свинца на Земле вдесятеро меньше, чем редкоземельных металлов. Запасы сурьмы меньше залежей редкоземельных элементов уже в 320 раз…

При этом самые «раритетные» из редкоземельной группы, а именно европий, тулий и лютеций, по объему запасов превышают многие востребованные металлы. Серебро и ртуть, которые уж никак не относятся к особенно редким, а также золото и платиноиды, даже в сумме не могут соперничать с одним только европием!

Просто долго не умели добывать..

И в наши дни извлечение редкоземельных металлов из рудных соединений – задача технологически сложная, решаемая с огромными энергозатратами. Столетие назад изготовление слитков к выставке в Париже требовало и вовсе титанических затрат труда.

К примеру, Жорж Урбэн, выдающийся французский химик и первооткрыватель лютеция, истратил десять лет на получение очищенной от примесей окиси тулия! Призывы присвоить редкоземельным металлам статус официальных сокровищ, предложения использовать их как удобное средство накопления звучали на заре прошлого века вполне логично.

Но развитие науки и совершенствование техники не оставило от подобных идей даже следа.

Редкоземельные металлы в наше время

Первый «щелчок по носу» дороговизна редкоземельных элементов получила от геологии. Активное и тщательное исследование месторождений полезных ископаемых вывело «редкие земли» из класса минералогической аристократии в разряд часто встречающихся соединений.

Правда, распределение местностей залегания редкоземельных руд неравномерно. Китай владеет наибольшими разведанными запасами. Америка и Россия менее богаты, но все же богаты востребованными редкоземами.

Многие другие страны могли бы добывать хотя бы некоторые из этих металлов, однако не обладают технологиями выделения искомого продукта из смесей.

Технологические сложности

Не менее полутора веков ученые работают над проблемой получения чистых металлов редкоземельной группы, но до преодоления всех препятствий еще далеко.

В рудных соединениях всегда присутствует по нескольку редкоземельных элементов, и выплавление сплава из руды еще не означает получения беспримесного вещества.

Производственные циклы для каждого из РЗМ (принятое в промышленности сокращение) отличаются своими особенностями, но всегда характеризуются многоэтапностью и сложностью.

Для выделения химических элементов в чистом виде используются последовательное хлорирование, фторирование с последующим восстановлением в раскаленных газах. Расплавы солей редкоземельных металлов подвергаются электролизу. В некоторых случаях эффективна вакуумная возгонка. Очистка расплавов подразумевает всем известную дистилляцию – вот только работать химикам приходится с температурами порядка 2000°С.

Применение редкоземельных металлов

Первые десятилетия близкого знакомства с человечеством для редкоземельных металлов являлись настоящим отпуском. Ценные материалы не использовались в ту пору никак – кроме как для демонстрации прогресса науки! Как только себестоимость редкоземов снизилась, ими заинтересовались металлурги.

Высокая химическая активность лантаноидов позволила найти способы избавления чугуна и стали от вредных примесей. Вскоре выяснилось, что минимальная добавка церия и его природных спутников увеличивает жаропрочность и коррозионную устойчивость стали. Экономический эффект использования РЗМ в черной металлургии недосягаемо велик.

Однако еще больший итог дало использование редкоземов в цветной металлургии. Титано-магниевый сплав при добавлении лантаноидов обретает прочность, позволяющую изготавливать из материала несущие конструкции сверхзвуковых самолетов. Еще более нуждается в «редких землях» космическая техника.

Производство стекла и керамики с особыми параметрами устойчивости к излучениям было бы невозможным без редкоземельных элементов.

Редкоземельные элементы

17.07.2016 12:29

Редкоземельными металлами называют некоторую группу элементов, обладающих определёнными сходными свойствами. При нагревании они способны образовывать оксиды, которые не растворяются при соприкосновении с водой. На сегодняшний день насчитывается 17 данных элементов: лютеций, церий, иттрий, лантан и т.д.

Открытие 16 из них произошло к 1907 году, и чуть позже добавился последний — прометий, который был получен в 1945 году, хотя о его существовании говорили с 1907 года.

Техническая классификация редких металлов

Использование редкоземельных металлов

Редкоземельные элементы (РЗЭ) представляют собой очень востребованную на сегодняшний день группу элементов. Их используют во многих областях, активно развивающихся в настоящее время.

Очень сложно переоценить значение данных веществ. Новые исследования позволяют предположить, что развитие технологий с применением РЗЭ позволять снизить или даже полностью ликвидировать энергетическую зависимость государств.

На их основе разрабатываются технологии будущего в таких сферах как, здравоохранение, оборона, компьютерная промышленность и всевозможные гаджеты для связи.

К тому же они позволяют применять «зеленые технологии» (электрические автомобили, очищение воды, солнечная энергия, катализаторы).

Сплав с использованием РЗЭ позволяет создавать несущие конструкции, которые можно использовать в самолетостроении, причем при производстве сверхзвуковых моделей. Данные элементы весьма востребованы в космической отрасли. Иллюминаторы, изготавливаемые при добавлении РЗЭ способны выдерживать просто невероятные механические нагрузки.

Отраслевое потребление редкоземельных металлов в мире

Запасы РЗЭ

Основными добытчиками РЗЭ являются США, Китай, Индия, Австралия и Россия. Причем около 85% приходится на Китай среди первой десятки лидеров. В основном благодаря крупному месторождению и тому, что снижены требования к экологической безопасности производства, а также самой дешевой рабочей силой.

Россия по запасам ценного ресурса расположилась на втором месте. Последние данные были получены в 1993 году. В основном разработка и оценка не производится из-за труднодоступности РЗЭ. Поэтому на сегодняшний день бесспорным лидером является Китай по запасам (~40%) и производству.

На сегодняшний день разработка и добыча РЗЭ является основным из приоритетных направлений всех развитых стран.

Мировые запасы редкоземельных металлов

Сложности производства

Стоит заметить, что название не отражает сути, и данные материалы нередко встречаются в природе. Основная проблема заключается в их добыче, так как их составляющая в рудах не предполагает выгодного извлечения для дальнейшего использования.

Кроме того, есть сложности при разделении этих элементов. Для того, чтобы осуществить разделение используются токсичные и дорогие вещества. К тому же сам цикл производства чистого вещества весьма значителен и многоэтапен. Как только будет разработан эффективный метод разделения РЗЭ его добыча, несомненно, значительно увеличится.

Причем РЗЭ разделены на две подгруппы — тяжёлые и легкие элементы. При этом наиболее труднодоступными являются как раз тяжелые РЗЭ. Они способны выдержать высокие температуры, и по этой причине очень востребованы в сфере современной энергетики. Развитие энергетики – основное перспективное направление, в котором используют редкоземельные элементы.

Редкоземельные элементы – основные производители

В настоящее время основным разработчиком, а также потребителем РЗЭ, является Китай. Около 95% РЗЭ добывается в этой стране. Данные элементы двигают технический прогресс вперед, и помогают создавать новые, более совершенные технические новинки, приносящие несомненную пользу человечеству.

Это позволяет Китаю регулировать цены на данное сырье, а также устанавливать квоты на потребление. Китай активно наращивает запас данного ресурса для своих собственных нужд.

Ранее США также весьма активно разрабатывали месторождения, но сейчас практически прекратили добычу. Элементы добываются открытым способом и наносят непоправимый ущерб почве и здоровью рабочих, именно по этой причине многие месторождения перестали разрабатываться.

На сегодняшний день Россия находится на втором месте как поставщик редкоземельных элементов.

Редкоземельные элементы сегодня

Редкоземельные металлы сегодня используются более широко, чем любые другие металлы. Прежде всего, это вызвано добавлением новых сфер производства, где их применение предпочтительнее.

Например, в последнее время их используют для изготовления оптоволокна, аккумуляторов и топливных элементов.

Их применение позволяет избежать излишнего загрязнения при производстве множества товаров в промышленных масштабах.

При этом отпускаемое сырье резко ограничилось в объеме. Сложно переоценить столь востребованный ресурс на сегодняшний день. Единственным способом избежать зависимости от ресурсов Китая является собственная разработка месторождений.

Несмотря на то, что в 2016 году были отменены экспортные пошлины и сам объем добываемого сырья из Китая увеличился, стоимость редкоземельных элементов не снизилась, но еще и возросла. Такой эффект получился в результате того, что горнодобывающие компании снизили объем производства сырья и было принято решение об увеличении запасов самого Китая столь ценным ресурсом.

Рзэ в россии

В России было подписано распоряжение, в котором есть пункты о развитии промышленности РЗЭ в 2013 году и выделены средства из Федерального бюджета.

Государственная поддержка в данной отрасли является определяющим для развития данной отрасли, так как практически все приходится создавать с нуля и кроме иностранных инвесторов на данном этапе перспективным направлением вряд ли заинтересуются российские инвесторы.

Основными задачами данной программы является:

— разработка добычи концентратов РЗЭ, а также разделение на чистые элементы;

— исследования, позволяющие получать РЗЭ высокой очистки, а также их соединения;

— создание новых высокотехнологических материалов с применением РЗЭ и производство продукции нового поколения в таких сферах как: автомобильная промышленность, металлургия, магниты и т.д.

В итоге при выполнении программы в России должны создаваться производства, позволяющие получать сырье и производить готовый высокотехнологичный продукт. Данная промышленность в России находится в зачаточном состоянии и отставание в этой области от Китая составляет примерно 40 лет. Нет специалистов в данной области, отсутствуют предприятия и эффективная добыча сырья.

Очень тяжело наладить производство по причине малого использования в производстве РЗЭ, в том числе такая промышленность отрицательно влияет на экологию, так как соседствуют редкоземельные элементы в основном с такими радиоактивными элементами как уран и торий. Поэтому связываться со столь рискованным предприятием частный российский инвестор вряд ли будет. Именно по этой причине участие государства в разработках и финансировании очень важная составляющая успеха.

В России на сегодняшний день учтено 16 месторождений РЗЭ. Выдели основные перспективные:

— Томторское месторождение по своему содержанию элементов является уникальным, но пока всего лишь перспективным в связи отсутствием инфраструктуры в данном районе;

— Чуктуконское месторождение страдает тем же недостатком, что и томторское – слабой инфраструктурой и кроме того требует дополнительной разведки;

— Павловское месторождение в своем роде является уникальным источником РЗЭ, так как содержание радиоактивных элементов здесь минимально, что позволит обойтись без захоронений данных элементов.

Новости по добыче редкоземельных элементов.Российские специалисты разработали новый метод получения редкоземельных элементов из производственных отходов. Причем сама технология получения является безотходной.

Из фосфогипса посредством новой технологии получают гипс, который активно используется в строительстве. А концентраты редкоземельных элементов в свою очередь будут разделены и обогащены.

Производство по данной технологии уже запущено, и первые результаты появятся к концу 2016 года.

В ближайшем будущем данное открытие приведет Россию к полному обеспечению необходимым материалом, что позволит не закупать РЗЭ в Китае.

Данное открытие повлияет на ценовую политику редкоземельных металлов. Переоценить значение уникальной разработки вряд ли возможно.

В России необходимо развивать технологии использования ценного ресурса, иначе ставится под угрозу национальная безопасность государства.

Для того чтобы сократить возникающий дефицит редкоземельных элементов из-за ценовой политики основного поставщика сырья, а также снять ограничения по объемам поставки на внешний рынок, необходимо приступить к разработке месторождений в других странах, а также наладить повторное использование РЗЭ, что уже успешно выполняется во многих странах.

Сократить потребление столь ценного ресурса не получится в силу его использования во всех высокотехнологических производствах. И в дальнейшем спрос будет только расти, поэтому добычу РЗЭ стоит увеличить.

Ученные из США также ищут пути извлечения РЗЭ. Последняя разработка касается добычи металлов из угля. Благодаря использованию сульфата аммония удалось извлечь 89% из общего содержания в используемых образцах. Данный метод рассматривается для получения РЗЭ в промышленных масштабах в будущем.

Согласно прогнозов потребление редкоземельных металлов будет только увеличиваться из года в год, поэтому открытия в данной области подстегнут экономическое развитие и помогут развить высокотехнологическую промышленность.

При удешевлении процессов добычи и разделения РЗЭ государство увеличит свой потенциал на мировой рынке. Главное условие успеха не останавливаться на достигнутом, развивать не только добычу, но и использование в производстве.

Редкоземельные металлы ценный стратегический ресурс на сегодняшний день.

Что такое редкоземельные металлы и их использование

Редкоземельные металлы представляют собой группу из 17 химически схожих элементов, имеющих решающее значение для производства многих высокотехнологичных продуктов. Несмотря на свое название, большинство из них в изобилии, но опасны и трудны при извлечении.

Что такое редкоземельные металлы — это 17 химических элементов с неудобными названиями и необычными свойствами. Их атомные номера 57-71, 21 и 39.

Несмотря на свое название, они не являются геологически редкими, но широко рассеяны по всей земной коре. Редкоземельные металлы добываются в немногих местах и несколькими фирмами, как правило, не находятся в высококонцентрированной форме.

  Мировой рынок этих элементов является скромным (несколько миллиардов долларов в год), неустойчивым, сложным и доминирует в Китае, где не все шахты и экспорт легальны и прозрачны.

Один из экспертов пришел к выводу, что около половины мирового производства 2017 года было неофициальным.

Большинство этих элементов используются во многих различных областях.

Использование и добыча

Использование редкоземельных металлов является узкоспециализированным, но разнообразным.

Эти элементы использованы в мобильных телефонах, суперсильных магнитах и, следовательно, моторах и генераторах, некоторых катализаторах нефтеперерабатывающего предприятия, лазерах и в люминесцентной лампе или плоских экранах, некоторых батареях и в сверхпроводниках и других технологиях важных в современной жизни. Некоторые редкоземельные металлы особенно полезны в энергетических приложениях.

Ученые предупреждают, что нехватка редкоземельных металлов или почти монополия Китая на них, может подавить переход на возобновляемые источники энергии и другие чистые технологии.

В середине 1990-х годов Китай укрепил свой контроль над большей частью мирового рынка и добычу редкоземельных металлов в мире, а последний американский рудник и мельница, когда-то доминирующие в мире закрылись в 2002 году, потому что это было невыгодно.

Китай начал вводить экспортные квоты в 2006 году и ограничил экспорт в Японию (основной потребитель для высокотехнологичных миниатюрных двигателей) поэтому мировые цены взлетели.

Правительственные ведомства США опубликовали срочные сообщения о редкоземельном кризисе и его угрозе национальной безопасности.

Может ли контроль Китая над этими важнейшими элементами (примерно 97 процентов) блокировать способность Вашингтона производить ракеты Томагавк, самолеты F-35 и очки ночного видения, как предупреждали некоторые ученые, не говоря уже об электрических транспортных средствах и ветровых турбинах?

Неодим

Используется для создания мощных магнитов, используемых в громкоговорителях и жестких дисках компьютеров, чтобы они были меньше и эффективнее. Магниты, содержащие неодим, также используются в экологически чистых технологиях, таких как производство ветровых турбин и гибридных автомобилей.

Лантан

Этот элемент используется в камерах и объективах телескопа. Соединения, содержащие лантан, широко используются в приложениях для освещения углерода, таких как студийное освещение и проекция кино.

 Церий

Используется в каталитических нейтрализаторах в автомобилях, что позволяет им работать при высоких температурах и играет решающую роль в химических реакциях в конвертере. Лунтан и церий также используются в процессе переработки сырой нефти.

 Иттрий

Иттрий используется в процессе создания цветных дисплеев на таких устройствах, как телевизионные экраны.

 Празеодим

Используется для создания крепких металлов для использования в авиационных двигателях. Празеодим также является компонентом особого сорта стекла, используемого для изготовления козырьков для защиты сварщиков и стеклоизготовителей.

 Гадолиний

Используется в рентгеновских и МРТ-системах сканирования, а также в телевизионных экранах. Исследования также проводятся в его возможное использование при разработке более эффективных холодильных систем.

 Иттрий, тербий, европий

Применяется в экранах телевизоров, компьютеров и в других устройствах, которые имеют визуальные дисплеи, поскольку используются для изготовления материалов, которые выделяют разные цвета. Европий также используется для изготовления контрольных стержней в ядерных реакторах.

Рынок редкоземельных металлов

В настоящее время рынок редкоземельных металлов в упадке, и Китай планирует ограничить годовое производство до 140 000 метрических тонн, начиная с 2020 года, чтобы попытаться снова поднять цены.

Причины падения цен на редкоземельные металлы

Начнем с супермагнитов.

Неодим — редкоземельный элемент, примерно с концентрацией в земной коре, как свинец и хром, но сосредоточен в высокосортных рудах.

В 1982 году Дженерал Моторс и японская компания Сумитомо обнаружили, что смешивание одной четвертой неодима по весу с тремя четвертями железа и бора может сделать самое мощное семейство супермагнетиков тогда известным, Nd2Fe14B и что свойства этих магнитов могут быть дополнительно улучшены путем добавления следов других редкоземельных металлов — празеодима плюс диспрозий или более дорогой тербий.

Китай, обладая большим количеством всех этих элементов и предпочитая добавленную стоимость экспорту сырья, создал индустрию супермагнитов, чьи низкие цены захватили большую часть мирового рынка и закрыли конкурентов. Китай также энергично проводит исследования и разработки, чтобы найти дальнейшее применение своей редкоземельной щедрости.

Даже в 2015 году, на долю Китая приходилось более 80% мирового редкоземельного производства, сейчас около 70 процентов — это неразумный баланс.

Технологические решения по уменьшению спроса

С 2010 года промышленники предупредили, что рынок редкоземельных металлов с монополией Китая на элементы супермагнитов могут сделать растущий глобальный переход на электрические автомобили и ветряные турбины невозможным — потому что их двигатели и генераторы якобы требовали супермагнитов и, следовательно, этих элементов. Некоторые такие сообщения были даже в 2017 году. Но это все подвергается сомнению. Все, что делают такие вращающиеся машины с постоянными магнитами, также может быть сделано или лучше двумя другими видами двигателей, которые не имеют магнитов.

Сейчас двигатели применяют современную управляющую программу и силовую электронику из кремния, самого распространенного твердого элемента на Земле.

Первый вид — это асинхронный двигатель, изобретенный Николой Теслой 130 лет назад и используемый в каждом электромобиле Приус и Тесла сегодня.

То, что некоторые ветряные турбины и производители используют генераторы с постоянными магнитами, не означает, что другие должны их изготавливать также.

Точно также красные люминофоры в компактных люминесцентных лампах традиционно используют европий.

Но эти лампы теперь в значительной степени вытеснены белыми светодиодами, которые используют примерно на 96 процентов меньше европия.

Кроме того, новые красные люминофоры не используют редкоземельные металлы, в то время как последний зеленый люминофор сокращает использование тербия более чем на 90 процентов.

Эрбий в волоконно-оптических ретрансляторах — еще один редкоземельный элемент. Эрбий необходим чтобы увеличить емкость волокна. Ширина полосы частот сейчас увеличена путем передачи по мултиплексу и беспроволочными рационализаторствами.

Некоторые гибридные автомобили, такие как Honda Insight 2001 года, использовали никель-металл-гидридные батареи, содержащие лантан, но теперь они в значительной степени заменены более легкими литиевыми батареями, которые обычно не используют лантан. Кроме того, электромобилям с литиевыми батареями требуется в два—три раза меньше батарей по массогабаритным характеристикам.

Лидирующие на рынке литиевые батареи электромобиля в мире, как и их двигатели, вообще не используют редкие металлы. Количество электромобилей в мире растет.  Появляются новые технологии в виде мощных потенциальных заменителей батарей (в частности, графеновые суперконденсаторы).

Редкоземельные металлы: список

Вначале 19 века редкоземельные металлы были окружены таинственным культом. Они показывались на выставках. С их появлением связывали научный прогресс. О них говорили рядовые люди и писали газеты. Но с чем был связан такой ажиотаж? Так ли редки эти металлы как об этом говорит их название? Давайте разбираться.

Виды и история открытия

К категории редкоземельных металлов (РЗМ) относятся 15 химических элементов. В таблице Менделеева они находятся под порядковыми номерами от 57 до 71. Схожие по своим химическим характеристикам, в это же время этим редкоземельным элементам присуще четко выраженная уникальность. Каждому свойственны свои технологические особенности.

Редкоземельные элементы имеют 2 семейства: иттербия и церия:

1. Семейство Иттербия: Тулий, Гольмий, Иттербий, Гадолиний, Диспрозий, Тербий, Эрбий, Лютеций.
2. В группу Церия входят: Самарий, Неодим, Лантан, Европий, Церий, Прометий, Празеодим

Такое деление производят на основании того, как растворяются выбранные компоненты в солях серных кислот.

Немного позже к списку добавились элементы: Иттрий, Скандий, Лантан, Лютеций. Таким образом список металлов редкоземельной группы состоит из 16 элементов.

Редкоземельные металлы обладают длинной историей открытия. Первое изучение «иттриевых земель» было проведено профессором химии Гандолином в 1790-х годах. В качестве объекта исследования он использовал минерал, найденный в горах Швеции. Позже этот вид горного образования получил название в его честь — гандолинит.

Открытия редкоземельной группы металлов закончились лишь в середине 20 столетия, но эффективные промышленные методы их разделения развиваются до сих пор.

Самыми ценными и дорогими из списка редкоземельной группы являются:

1. Тербий;
2. Неодим;
3. Европий;
4. Лютеций.

Распространение редкоземельных металлов

Суммарное количество по массе редкоземельных элементов в недрах Земли равняется 0,01%, что относительно немало. Это больше, чем титан и свинец, вместе взятые. Наиболее часто встречаемыми из РЗМ являются церий, неодим и лантан.

Самым мало распространённым редкоземельным металлом является европий. Его содержание на Земле составляет 0,0012% от ее массы, что сравнимо с таким элементом как ртуть.

На сегодня обнаружено примерно 240 минералов, в химическом составе которых можно найти редкоземельные металлы. В 62 из них суммарный процент РЗМ достигает 10%.

По своей природе они представляют собой разного вида фториды, силикаты и фосфаты. Несмотря на такое огромное количество минералов для нужд производства годятся только некоторые из них.

Главным образом это монацит, бастнезит, апатит и эвксенит.

Процент соотношения между отдельными редкоземельными металлами в горных образованиях достаточно изменчив. В монацитах и бастнезитах преобладают элементы цериевой подгруппы; в апатитах — иттриевой.

Добыча

Главные месторождения РЗМ находятся на территории современного Китая, Соединенных Штатов Америки и России. Согласно экспертным данным, мировые запасы РЗМ составляют порядка 120 млн. тонн. Стоит отметить, что половина этой массы приходится на Китайскую народную республику.

Некоторые ученые заявляются, что океанское дно изобилует минералами на основе редкоземельных металлов. По их расчетам там скрывается около 130 млрд. тонн их запасов. Пока не ясно, как верно их предположение. Производство на данном этапе развития не располагает оборудованием, которое смогло бы работать на таких глубинах.

Получение

Существует несколько вариантов переработки минералов:

1. Разложение плавиковой и серной кислотами.
2. Хлорирование.
3. Сплавление щелочами.

Продуктом данных реакций являются разнообразные виды хлоридов, оксидов и сульфатов, которые служат исходными материалами для получения чистых редкоземельных металлов.

С этой целью используется методы химического восстановления кальцием, магнием и калием. Под этим подразумевается осаждение, ионный обмен и фракционная кристаллизация.

Для очистки редкоземельных металлов от примесей применяют дистилляцию и вакуумный переплав.

Физические свойства

Плотность РЗМ колеблется в пределах 6 000 – 7 000 кгм3. Процессы плавления начинаются при температуре около 900 – 1000 ºC; кипения — при 3500 ºC. Большинство редкоземельных металлов относятся к группе парамагнетиков, магнитная восприимчивость которых находится в обратной зависимости от температуры.

Редкоземельные металлы по своей природе — сверхпроводники. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у них происходит при 4-5 К. Данный показатель можно снизить за счет увеличения избыточного давления до 0,2 МПа.

Механические свойства

Редкоземельные металлы с чистотой до 98% при комнатной температуре обладают твердостью 300-500 МПа по шкале Бринелля. С повышением температуры это значение понижается. Так при 800 ºC твердость лантана уже составляет 35 МПа. Особенно сильно металлы размягчаются при 550 ºC, что связано с их полиморфным превращением.

При испытании на растяжении гантелеобразные образцы редкоземельных металлов разрушаются при 150-200 МПа. Деформироваться они начинаются уже при 100-125 МПа. Относительное удельное растяжение для них составляет 8-12%. Отметим, что в интервале 20-800 ºC наблюдается резкое возрастание пластичности. Причина этого — переход внутренней структуры металлов на кубическую модификацию.

Химические свойства

Редкоземельные металлы в сухом воздухе покрываются тонкой пленкой, в основе которой лежат их оксиды. Она служит эффективной защитой как от механического, так и химического воздействия.

Во влажной среде они начинают медленно окисляться и трансформируются в гидроксиды. Данные процессы имеют место при температуре окружающей среды более 250 ºC. При 450 ºC редкоземельные металлы в кислородной среде сгорают до оксидов с активным выделением тепла.

Редкоземельные металлы растворяются в кислотах минеральной группы. Инертны по отношению к большинству видов щелочей.

Технологические свойства

При комнатной температуре редкоземельные элементы хорошо обрабатываются ковкой и прессованием. Стоит заметить, что производить данные операции необходимо крайне аккуратно, т.к. РЗМ не отличаются высокой вязкостью.

Из редкоземельных металлов производят металлопрокат различного типа. Это главным образом прутки диаметром от 1 до 5 мм, лента и фольга. Для предохранения от окисления заготовки металлов предварительно нагревают в среде инертных газов. Обычно это либо аргон, либо гелий.

Применение

Сплавы лантана с алюминием характеризуются повышенной скоростью поглощения окиси углерода и азота, но низко активен по отношению к водороду. Это делает возможным его применение в геттерах водородного тиратрона, где требуется максимальное изолирование водорода от окружающих газов.

Добавками церия эффективно модифицируют структуру чугунов и сталей. Такое легирование улучшает их пластичность и свариваемость, уменьшает процент выхода брака.

Празеодим высокой чистоты применяется в изготовлении эмали, стекла и глазури. Добавление празеодима в керамику придает ей особый желтоватый оттенок. Большинство высококачественных оптических стекол содержат в своем составе оксиды празеодима. На их базе изготавливают искусственные драгоценные камни — рубины, аметисты, топазы и т.д.

Прометий используется в качестве основного материала для атомных мини-батарей. Его изотопы дают мягкое излучение, не требующей специальной защиты.

Европий благодаря широте поперечного сечения захвата тепловых нейронов используется в производстве экранов защиты направляющих стержней ядерного реактора. Люминофор цветного телевизора на базе окиси иттрия активизируется европием, что повышает примерно на 50% качество его изображения. Также европий применяется в производстве магнитных сплавов.

Как видно, металлы редкоземельной группы уже активно используются в разного рода промышленных отраслях. Но исследование их возможностей только набирает обороты и несет в себе множество перспективных способов применения. Что из этого выйдет, покажет время. Нам же лишь остается только ждать.

Редкоземельные металлы

Редкие и редкоземельные металлы получили свое название из-за их небольшой массовой доле в структуре земной коры по сравнению с другими элементами.

Это название впервые было озвучено в начале XIX века, когда месторождения были еще не до конца разведаны. В итоге оказалось, что металлы данной группы отнюдь не являются настолько редкими, как считалось ранее.

Но название уже крепко вошло в литературу и научную терминологию, поэтому менять его не стали.

Какие металлы отностясяк группе редкоземельных?

В группу входит 17 металлов, которые имеют сходные химические свойства. Например, все они образуют с кислородом трехвалентные оксиды, которые не растворяются в воде. Редкоземельные металлы достаточно активные химические элементы.

Особенно возрастает их активность при температуре свыше 300 градусов по Цельсию. В этих условиях они реагируют даже с чистым водородом, образуя двухатомные и трехатомные гидриды.

Реакция горения данных металлов сопровождается выделением большого количества тепла в атмосферу.

Наименьшую температуру плавления имеет церий — 797 градусов по Цельсию, а наивысшую — лютеций — 1652 градуса по Цельсию. Эти же элементы являются наиболее и наименее распространенными среди всех металлов, входящих в группу.

Добыча редкоземельных металлов в мире

Лидером по добыче редкоземельных металлов является Китай. В этой стране ежегодно извлекается из недр около 100 тысяч тонн чистых элементов, что составляет более половины от общего количества, добываемого во всем мире. Основная часть запасов находится в районе Баян-Обо.

На втором месте по данному показателю идет США, производящее около 13% мировой продукции. Несмотря на столь скромный показатель, Америка располагает довольно внушительными запасами. Но она, в отличие от многих других стран не спешит разрабатывать свои месторождения, предпочитая импортировать сырье.

Расчет ведется исходя из исчерпаемости природных ресурсов. С каждым годом их становится все меньше и меньше, а цена на них соответственно возрастает. Поэтому сейчас есть возможность покупать более дешевое сырье, а когда придет момент, можно будет продавать уже свое, но гораздо дороже.

Отличная с экономической точки зрения политика.

Довольно большие запасы редкоземельных металлов и в России. По оценкам геологов на сегодняшний момент наша страна занимает по имеющимся запасам второе место в мире после Китая.

Более 70% месторождений сосредоточено в Мурманской области, остальные приходятся на Республику Коми, Республику Сахи и Красноярский край. Пока что главным стратегическим сырьем для Российской Федерации являются нефть и газ. Основные силы добычной промышленности направлены именно на них.

Но в дальнейшем, чем меньше будет их оставаться в недрах, тем более важное место будет занимать добыча редкоземельных металлов в России.

Запасы редкоземельных металлов в мире оцениваются в 110 миллионов тонн. По подсчетам ученых это примерно 80% из всех разведанных наземных месторождений. Около 48% приходится на Китай. Также последние исследования позволяют сделать предположение, что на дне мирового океана имеются огромные запасы редкоземельных металлов на уровне 80-100 миллиардов тонн.

Сейчас продолжаются дополнительные исследования данных фактов. Если они подтвердятся, это станет настоящим прорывом в отрасли. Но быстро наладить их добычу все равно не получится.

На сегодняшний день не существует технологии, позволяющей вести разработку полезных ископаемых на огромной глубине.

И могут понадобиться десятилетия на поиски наиболее эффективного и рентабельного метода освоения месторождений редкоземельных металлов под водой.

Как уже было сказано выше, основным игроком на рынке редкоземельных металлов является Китай. От него испытывают зависимость практически все остальные государства.

И очень многие крупные экспортеры полезных ископаемых стали лоббировать свои интересы в мировой политике при помощи данного вида воздействия.

Так что развитые страны стараются вырваться из сырьевой зависимости и освоить альтернативные виды материалов. Еще 8 лет назад производство редкоземельных металлов в Китае удовлетворяло до 97% мирового рынка.

Всего за 7 лет удалось отвоевать около 40% от указанной цифры. Но в ближайшее время не предвидится предпосылок для дальнейшего сохранения тенденции.

Скорее всего, еще 10-15 лет Китай будет иметь около 60% доли рынка.

Особенности получения редкоземельных металлов

Извлечение редкоземельных металлов из земли в чистом виде не возможно. Это связано с их высокой химической активностью. В природных условиях они образуют многоатомные сложные соединения, входящие в состав горных пород.

Всего на сегодняшний день известно около 250 минералов, содержащих в составе редкоземельные элементы. При этом не более 60 из них имеют промышленное значение.

В остальных доля чистого металла составляет менее 5% и их переработка не рентабельна.

Металлы редкоземельной группы очень часто встречаются в одном и том же месторождении. Поэтому при поступлении сырья на завод редкоземельных металлов, сначала проводится исследование на процентное содержание различных элементов в минерале. Полученные результаты помогут определить, какой именно обработке подвергнуть сырье для получения максимальной экономической выгоды.

Получение редкоземельных металлов разделяется на несколько этапов. В первую очередь раскладывают на составные части сложные соединения. Для этого применяются реакции термического разложения.

Они позволяют выделить двухатомные соединения металлов, которые подвергаются дальнейшей обработке. Наиболее часто проводят реакцию восстановления хлорида или фторида более активным металлом (кальцием, натрием, литием).

Также используют процедуру электролиза, ионной хроматографии или экстракции.

Применение редкоземельных металлов охватывает многие отрасли промышленности. В стекольном производстве применяют оксиды лантана, церия, празеодима и неодима для повышения прозрачности стекла.

Также при помощи металлов данной группы изготавливают термостойкие и невосприимчивые к воздействию кислоты стекла. Редкоземельные элементы входят в состав пигментов, применяемых в лакокрасочной промышленности.

В автомобильном производстве лантан используется при производстве аккумуляторов для гибридных машин.

Редкоземельные элементы в качестве присадок добавляют в некоторые виды сплавов для придания им необходимых свойств. В частности данные металлы придают материалу жаростойкость и повышенную защиту от воздействия коррозии.

В чистом виде они практически не используются в виду своей дороговизны.