Редкоземельные элементы и минералы список

Редкоземельные элементы и минералы

Редкоземы — важные и самые дорогие компоненты магнитных, оптических и электронных устройств, которые производят в оборонной и аэрокосмической промышленности: беспилотников, управляемых ракет, приборов лазерного наведения спутниковой связи и т.д.. Их называют «витаминами промышленности». Ведь эти металлы, хоть и в небольшом количестве, используются в важнейших материалах и процессах.

Редкоземельные элементы: что это такое

В Зеленой книге ИЮПАК (Международного союза прикладной и теоретической химии), представлен перечень из 17 редкоземельных металлов. Это:

• скандий,
• иттрий,
• 15 лантаноидов.

В промышленности используют общепринятые аббревиатуры для обозначения редкоземов:

Сокращение	Расшифровка	Где находятся в периодической системе	Обозначение оксидов
REE (РЗЭ)	Rare earth elements, в переводе редкоземельные элементы	№57-71: от лантана до лютеция, плюс иттрий, №39, скандий, №21	TREO
LREE (ЛРЗЭ)	Light rare earth elements, в переводе легкие редкоземельные элементы	№57-62, начиная лантаном и заканчивая самарием	LREO
HREE (ТРЗЭ)	Heavy rare earth elements, в переводе тяжелые редкоземельные элементы	№63-71:, начиная европием и  заканчивая лютецием, плюс иттрий	HREO

В одну группу эти элементы объединили из-за похожих признаков. Они образуют простые вещества со следующими свойствами

• серебристые или серые, с сильным металлическим блеском;
• пластичные и мягкие;
• активные, особенно при повышенной температуре или тонком измельчении.

Редкоземельные металлы обладают определенными различиями, поэтому и применяются для разных целей. Вот их краткое описание.

Наименование	Цвет	Ценные свойства металла и его соединений
Скандий	Серебристый	Тугоплавкий, повышает прочность материалов, усиливает свечение
Иттрий	Светло-серый	Повышает жаропрочность и долговечность материалов, улучшает качество свечения
Лантан	Серебристо-белый, похож на кальций	Ускоряет крекинг нефти, повышает пластичность, жаропрочность и химическую устойчивость материалов
Церий	Светло-серый	Повышает электропроводность и пластичность металлов, придает розоватый оттенок стеклу, катализатор
Празеодим	Серебристо-белый	Улучшает свойства сверхпроводников и сплавов, придает бледно-зеленый оттенок стеклу, используется в лазерах и для получения пигментов
Неодим	Серебристо-серый	Улучшает качество стекла и сплавов, растворяет плутоний, повышает контрастность изображения, используется в магнитах, лазерах и излучателях
Прометий	Серебристо-белый	Способен к люменесценции, используется в атомных батарейках, стержнях реакторов, для ионизации воздуха
Самарий	Светло-серый	Улучшает свойства стержней для ядерных реакторов, магнитов, поглощающего инфракрасные лучи стекла, огнеупорность материалов
Европий	Серебристо-белый	Повышает качество микрочипов, карт памяти, сверхпроводников, сплавов и керамики
Гадолиний	Серовато-бежевый	Сильные парамагнитные свойства для получения сверхнизких температур, используется в полупроводниках и рентгеновских аппаратах
Тербий	Серебристо-белый	Необходим для сверхмощных магнитов и излучателей ультразвука, катализатор реакций окисления
Диспрозий	Серебристо-серый	Повышает пластичность и магнитные свойства материалов, катализатор в нефтехимии, для получения красных люминофоров
Гольмий	Светло-серый	Придает  сверхпроводящие свойства магнитам, применяется в лазерах, активирует люминофоры
Эрбий	Серебристо-белый	Улучшает качество оптоволокна, магнитных сплавов, стекла, специальной керамики
Тулий	Серебристо-белый	Применяется в лазерах, магнитных носителях, для дефектоскопии, в диагностических приборах
Иттербий	Светло-серый	Улучшает термоэлектрические и магнитные свойства материалов, обеспечивает легкость полупроводников
Лютеций	Серебристо-белый	Повышает мощность магнитов, сверхпроводимость, жаропрочность

Но с точки зрения добычи полезных ископаемых они действительно редкоземельные. Потому что не часто встречаются в концентрированной и экономически выгодной форме.

Чем редкие металлы отличаются от редкоземов

Кроме редкоземельных, выделяют еще группу редких металлов. Их всего 18, в том числе 4 таких металла, которые можно после обогащения получать в виде концентратов: бериллий, ниобий, литий, тантал. Остальные 14 называют попутными микрокомпонентами, или рассеянными редкими металлами.

Редкие металлы значительно различаются между собой по объемам производства и областям применения.

№	Наименование	Сколько примерно тонн производится в мире в год	Где используется
	ниобий	62000	Добавка к стали и другим сплавам
	вольфрам	38000	В виде карбида для строительства, изготовления абразивов, сплавы в ядерных реакторах
	литий	26000	Стекло, литье, керамика, батареи для электромобилей, лекарства
	висмут	7500	Сплавы со свинцом и другими металлами, для производства лекарств
	селен	2000	Стекло, пигменты, фотокопировальные устройства, лекарства, удобрения, солнечные батареи
	цирконий	1200	Пиротехника, сверхпроводники, протезы, зубные имплантаты, посуда, фианиты
	тантал	1160	конденсаторы для электроники, сплавы для турбин самолетов, медицинские импланты
	индий	600	Жидкокристаллические дисплеи, сенсорные и плоские экраны, смартфоны, компьютеры
	бериллий	440	Атомные реакторы, системы наведения, спутниковое оборудование, рентгеновские аппараты, формы для выдувания
	теллур	380	Сплавы, солнечные батареи, полупроводники
	германий	118	Инфракрасная и волоконная оптика, солнечные батареи, японские ПЭТ-бутылки
	галлий	100	Полупроводники, лазеры, светодиоды, микросхемы, безопасный заменитель ртути
	рубидий	100	Теплоносители, электролиты, измерительная техника
	диспрозий	100	Электромобили и гибридные авто, металлогалогенные лампы
	гафний	65	Ядерные реакторы, микропроцессоры
	рений	50	Двигатели для самолетов, ракеты, высокооктановый бензин без свинца,  рентгеновские снимки, фотовспышки, лечение опухолей
	кадмий	23	Батарейки, аккумуляторы, антикоррозионные покрытия

Также к редким металлам относится таллий.

Редкоземельные минералы

Полезные ископаемые с достаточным для добычи содержанием содержанием редкоземов называют редкоземельными минералами. Первый такой минерал обнаружили в шахте возле шведской деревни Иттерби, Это гадолинит. Он состоит из смеси редкоземельных иттербия, церия, других менее ценных веществ.

Лидирующие по мировой добыче источники РЗЭ - следующих минералы:

• бастнезит — из него получают лантан, иттрий и церий, местность Маунтин-Пасс в Калифорнии, Байян-Обо в Китае;
• монацит — источник церия, празеодима, гадолиния, добыча в Австралии, США, Китае, Бразилии, Красноуфимске (Свердловская область);
• лопарит — в основном цериево-лантановый, в меньшей степени неодим и прометий, найден в Карелии, село Ловозеро, в Прибайкалье, Туве;
• латеритные ионно-адсорбционные глины — получают иттрий, диспрозий, гадолиний, неодим, месторождения в Китае, на Мадагаскаре, небольшое в Приморье.

Редкоземы есть в ряде ниже перечисленных полезных ископаемых

Минерал	Какие РЗЭ содержит	Месторождения
Апатит	Празеодим, церий, лантан, неодим, иттрий,	Хибины, Кольский полуостров
Бритолит	Иттрий и церий	Северное Прибайкалье, Монголия
Гадолинит	Церий, диспрозий, гольмий	Швеция, Иттерби
Давидит	Лантан, празеодим	Хабаровский край, Малмыжское месторождение
Ксенотим	лютеций, диспрозий, эрбий, гольмий, иттрий, туллий, иттербий	Бразилия, Норвегия, Швеция, Северная Карелия, Южный и Северный Урал, Хабаровский край
Паризит	церий, тербий	Колумбия, Норвегия, Китай, Урал, Северные Саяны
Самарскит	Иттрий, европий, тербий	Южный Урал, Миасс
Таленит	Диспрозий	Кольский полуостров, Тува, Швеция, Норвегия
Фергюсонит	Эрбий, туллий, иттрий, иттербий	Норвегия, Гренландия, Швеция, Урал, Украина, Зимбабве, США
Флуоцерит	Лантан	Дальний Восток, Казахстан
Эшинит	Празеодим, самарий	Челябинская область, Монголия, Китай, Кения
Эвксенит	Диспризий, гольмий, эрбий	Россия, США, Норвегия, Бразилия, Мадагаскар

Минералы-концентраты с набором разных РЗЭ получают рядом с месторождениями из первичной руды путем ее обогащения. В Мурманской области это лопаритовый концентрат. В мировых масштабах большое всего производится следующих концентрата:

• насыщенного раствора сорбционно-ионных руд - до 90% РЗЭ в оксидной форме;
• ксенотимового – 25% оксида иттрия;
• моноцитового – 55% смеси оксидов РЗЭ;
• бастнезитового – 60-85% комплекса редкоземельных оксидов.

Чем определяется стоимость редкоземов

Всего по расчетам 2014 года мировые запасы РЗЭ составляют 147 млн тонн:

• Китай 38% всех разведанных редкоземов,
• Монголия 21%,
• Бразилия 15%,
• США 9%,
• Япония 5%,
• Индия 2%,
• Австралия 1%.

Оставшиеся 9% - все остальные страны.

Но далеко не все обладатели запасов РЗЭ готовы к разработке найденных месторождений.  Во-первых, получение редкоземельных металлов связано с сильным загрязнением окружающей среды. При производстве 1 тонны РЗЭ из руды по стандартной китайской технологии образуется:

• 1 тонна радиоактивных отходов;
• 12000 кубометров газовой смеси с пылью, фтороводородной и серной кислотой, диоксидом серы;
• 75 кубометров кислотного раствора.

Это приводит к загрязнению сточных вод, а следом за ними пахотных земель и рек. В том числе Хуанхэ, из которой берут питьевую воду полторы сотни миллионов людей. В нее попадает торий, элемент с высокой радиоактивностью.

Во-вторых, для запуска проектов по добыче редкоземов нужны большие стартовые капиталы. В результате расчетная себестоимость очищенных металлов окажется намного больше, чем у китайских конкурентов.

Например, австралийская компания Nothern Minerals собирается получать окись диспрозия и продавать килограмм по 720$. Китай сейчас продает это же сырье по 400$. Похожие проекты есть у канадских компаний Great Vestern Minerals и Tastan Metals. Последняя предполагает продавать все ту же окись диспрозия за 580$. В США Rare Element Resourse планирует цены на оксид этого же редкозема 655$/кг, а на окись европия 950$/кг.

В ближайшие годы другим странам, желающим производить РЗЭ, будет трудно конкурировать с Китаем. Ведь там дешевая рабочая сила и пренебрежение к требованиям экологии позволяют держать цены на достаточно низком уровне.

Редкоземельные элементы и производство гаджетов
Рост потребности в редкоземах растет параллельно тому, как высокотехнологичная техника становится необходимой для всех и каждого, определяет уровень и качество жизни. Часто цена гаджета в значительной доле определяется наличием и количеством редкоземельных и редких металлов в его электронной начинке.

Почему смартфоны Apple такие дорогие? На это есть ряд причин, и одна из них — использование РЗЭ. Причем не одного-двух, а как минимум девяти:

• гадолиния — в дисплеях, динамиках и электронных схемах,
• диспрозия — добавка в магниты электросхем для для сохранения свойств при нагреве и температурных перепадах,
• европия — для красного светящегося вещества дисплея,
•  иттрия — для дисплеев, светодиодов,
• лантана — в электронных схемах, дисплее, шлифованном стекле, для оптических линз,
• неодима — магниты в схемах и динамиках из сплава с железом и бором,
• празеодима — добавка в неодимовые  магниты, дисплей, динамик,
• тербия — для зеленого люминесцирующего вещества на дисплее, в динамиках, схемах  и вибрационном механизме для защиты мини-магнитов от высоких температур,
• церия — для шлифованного стекла.

Из этих редкоземельных элементов только четыре – церий, лантан, празеодим и неодим –поставляются для Apple американской компанией Molycorp и австралийской Lynas Corp. Остальные пять добывают преимущественно в Китае. Если Китай запретит экспортировать свои РЗЭ, то у Apple могут появиться серьезные проблемы.

В каждом из пяти важнейших узлов iPhone — дисплее, микросхеме, динамиках, механизме вибрации и шлифованном стекле — есть как минимум один редкоземельный металл, который на данный момент можно получить только из Китая.

Можно производить iPhone без европия, неодима, диспрозия и тербия, если заменить их более дешевыми и доступными металлами. Но это ухудшит цветовое отображение на дисплее , увеличит вес гаджета, снизит скорость работы и устойчивость к высоким температурам. То есть качество продукции Apple серьезно пострадает.

Если Apple и другие богатые компании, нуждающиеся в редкоземах, такие как Tesla, Intel, HP, материально поддержат американские проекты по добыче РЗЭ, то это поможет снизить зависимость от Китая. Но пока что цена вопроса слишком большая.