Редкоземельные металлы

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.

Самый активный металл из данной группы – лантан. Его приходится хранить под слоем парафина, так как на открытом воздухе он мгновенно образовывает оксид. Редкоземельные элементы хорошо реагируют со всеми галогенами с образованием трехатомных соединений. Их гидроксиды очень плохо растворимы в воде. Соли редкоземельных металлов хорошо растворяются в кислотах.

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.

История открытий

Золотые и серебряные самородки были обнаружены человечеством несколько тысяч лет назад, то есть до наступления нашей эры. Разработки их природных месторождений успешно велись на территории почти всего земного шара еще во времена древности.

Несколько примитивные приспособления и методы добычи не мешали древним людям достигать поставленных целей и проникать в недра земли. Полученные золото и серебро переплавлялись и обрабатывались. Их использовали для производства самых разных предметов. Об этом свидетельствуют исторические сведения и разнообразные изделия из этих металлов, обнаруженные при археологических раскопках древних захоронений.

Платиновое «серебришко»

В отличие от золота и серебра, третий основной благородный элемент — платина — был открыт людьми только в 16 веке. Тяжелые белые самородки, которые плохо плавились, были найдены испанскими колонизаторами в виде примеси в золотых месторождениях в Новой Гранаде. За внешнюю схожесть с серебром (по-испански — plata) первооткрыватели прозвали обнаруженный металл словом platina, что буквально на испанском языке значит «серебришко».

До находки испанцев платина, разумеется, существовала и даже была известна людям. Ее называли белым золотом и использовали для изготовления фальшивых золотых монет и драгоценностей. В результате подобных махинаций, прокатившихся по всему миру, этот металл был официально объявлен запрещенным, в результате чего его начали топить в морской пучине.

Остальные представители группы

Оставшиеся представители, элементы платиновой группы, были открыты один за другим в XIX веке. Они прекрасно символизируют эпоху научных исследований и открытий.

Родий и палладий были получены в ходе химических опытов англичанином Уильямом Хайдом Уолластоном в 1803 году. Ровно через год таким же образом были открыты осмий и иридий, но уже другим английским химиком — Смитсоном Теннантом.

История открытия рутения более длинная, чем у его «родственников». Впервые он был извлечен из платиновой руды в 1808 году видным польским научным мужем Анджеем Снядецким. Полученному новому химическому элементу ученый дал название вестий.

Под таким именем металл просуществовал до 1844 года, когда профессор университета Казани, русский ученый Карл Клаус начал масштабное изучение этого элемента. По окончании всестороннего исследования Клаус переименовал вещество в рутений — в честь великой Руси.

Ведущая роль на рынке редких металлов

Хотя на первый взгляд Китай играет ведущую роль на рынке этих материалов, есть неизвестная сторона очевидной гегемонии. Основные импортеры, получающие выгоду от производства их в Китае, такие как США, Южная Корея и Япония, а также производители и бренды, которые используют редкоземельные металлы в своей продукции, часто выходят на значительный черный рынок. Каждый год десятки тысяч тонн редкоземельных руд незаконно добываются и продаются через черный рынок Китая. Добыча редкоземельных полезных ископаемых, будь то легальная или нет, влечет за собой шокирующие экологические издержки. Исследования показали, что при добыче одной тонны редкоземельной руды (в пересчете на оксиды) образуется 200 кубических метров кислых сточных вод.

Производство элементов, необходимых для удовлетворения спроса Китая на ветровые турбины до 2050 года (в сценарии радикального расширения ветроэнергетики), приведет к выпуску 80 миллионов кубических метров сточных вод – достаточно, чтобы заполнить среднее озеро. Не говоря уже о выбросах от остальной части жизненного цикла продукта: выплавка, разъединение, обработка, транспорт.
Бизнесу, политикам и потребителям необходимо еще раз подумать: какие действия мы можем предпринять, чтобы обеспечить достижение наших низкоуглеродных целей таким образом, чтобы они были более благоприятными как для окружающей среды, так и для климата? В конце концов, как противоречиво, так и несправедливо жертвовать общественным здравоохранением и окружающей средой в ресурсодобывающей области ради низкоуглеродного развития.

Это означает, что настало время снова взглянуть на связь между редкими ресурсами Китая и чистыми, низкоуглеродными и интеллектуальными технологиями, опираясь на них.

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.

И пусть себе лежат…

Россия, судя по всему, пока не стремится войти в число лидеров мировой РЗМ-индустрии: реальная добыча идет только в Мурманской области на Ловозерском месторождении. При этом в целом на начало 2019 г. запасы редкоземельных металлов в стране (лантаноиды + иттрий), заключенные в 20 месторождениях, оценивались в 34 млн т, запасы скандия (9 месторождений) – 13.9 тыс. т. При освоении хотя бы части восточносибирских запасов мощность переработки руд может превысить 2 тыс. т/год. Но Сибирь далеко, РЗМ – глубоко, а воз пока и ныне там.

Что касается потребления, то за 2018 г. в пересчете на оксиды оно составило 1.2 тыс. т, тогда как в Китае – более 100 тыс. т. (см. рис. 1)

Это свидетельствует, что внутренний рынок РЗМ по-прежнему остается слабым. Рост потребления эксперты видят за счет сферы катализаторов, а также металлургической отрасли. Сейчас российские предприятия импортируют как индивидуальные металлы, так и мишметалл.

От теории к практике, или чего ждать дальше

Сейчас Россия не производитель, а скорее, импортер РЗМ – но есть шансы, что расстановка сил поменяется. На это направлена разрабатываемая «Стратегия производства редких и редкоземельных металлов до 2035 года». Ее основным результатом должно стать формирование полной производственной цепочки для удовлетворения потребностей внутреннего рынка и «несырьевого» экспорта. Если конкретнее – к 2035 г. наша страна может занять до 10-15% на мировом рынке, снизив импорт с текущих 80-85% до 40%. Это станет возможным за счет увеличения количества источников сырья и создания разделительных мощностей по РЗМ. Также прогнозируется экспорт продукции более высокого передела (разделенные соединения и/или конечная продукция).

Сложно, но можно

Но это – дело будущего (надеемся, не столь далекого). Пока же российские компании, работающие с РЗМ, можно пересчитать по пальцам – но все же они есть (и производители, и потребители).

Таким образом, хоть лидерство Китая на мировом рынке РЗМ и бесспорно, но место для новых игроков все же найдется. Если мощности по разделению появятся где-то еще (почему бы не в России?), незыблемые позиции КНР могут пошатнуться: ведь электронике все равно, чьи РЗМ потреблять. Значит, пора «ловить волну»! Вспомогательную информацию о структуре и состоянию рынка металлургического рынка можно найти тут.

В заключении напомним, что подробный перечень всех отраслевых мероприятий в области химической промышленности и ряда смежных областей всегда можно найти в нашем разделе “Календарь“.

Список редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы – группа 17 элементов из таблицы Менделеева, которые были открыты в XVIII в. Их получают путем восстановления соответствующих оксидов, фторидов, электролизом безводных солей и другими методами. Они образуют тугоплавкие, очень прочные соединения – оксиды (оксиды раньше назывались «землями»).

Название «редкоземельные» вводит немного в заблуждение, так как эти металлы не являются редкими, а просто встречаются они в рассеянном состоянии. Впрочем, значительные рудные залежи, которые имеет смысл разрабатывать, и в самом деле очень редки.

Проблема заключается в их обнаружении, добыче и обработке с приемлемым уровнем затрат. Большинство из них находят вместе с ураном. Во многих урановых шахтах редкоземельные металлы просто остаются в виде шлаков, поскольку их очистка для большинства добытчиков экономически неоправданна.

Иттрий

Элемент периодической системы III группы V периода  №39. Обозначен как Y.  Это светло-серый металл. Добывают его главным образом в Китае, Австралии, Канаде, США, Индии, Бразилии, Малайзии.

Иттрий добывается из смеси лантаноидов путем экстракции и ионного обмена. Сам этот металл не является лантаноидом, но имеет очень схожие с ними свойства, за что и был отнесен к группе редкоземельных металлов. Его используют для изготовления лазеров, высокотемпературных сверхпроводников, микроволновых фильтров.

Лантан

Химический элемент периодической системы III группы VI периода под атомным номером — 57. Обозначается как La. Редкоземельный металл серебристого цвета. Это один из наиболее часто встречаемых элементов.

Лантан добывается вместе с другими редкоземельными элементами: церием, празеодимом и неодимом. Получают его путем деления исходного сырья на фракции. Сначала из смеси выделяют церий, затем экстракцией разделяют оставшиеся элементы. Применяют лантан для изготовления линз, стекла с высоким показателем преломления и в процессе нефтеочистки.

Неодим

Химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 60. серебристо-белый блестящий  металл, лантаноид. Легко окисляется на воздухе. В1885 году австрийский химик К. Ауэр фон Вельсбах разделил элемент дидим, который раньше считался самостоятельным элементом, на неодим и празеодим. Месторождения неодима находятся в России, США, Казахстане, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии.

Металлический неодим получают из безводных галогенидов электролизом ихрасплава. Неодим — один из наиболее широко применяемых металлов из группы лантаноидов наряду с самарием, церием, лантаном и др. Его используют для производства мощных постоянных магнитов. Соединения неодима применяется в сельском хозяйстве (обработка семян с целью ускорения всхожести, урожайности).

Тербий

Химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 65. Металл серебристо-белого цвета, при нагревании покрывается окисной пленкой. Выделяют тербий из смеси редкоземельных элементов методами ионной хроматографии или экстракции.

Тербий входит в состав лантаноидов, которые часто встречаются в США, Казахстане, России, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии. Элемент редкий, дорогой и используемый пока главным образом для изучения его же собственных свойств. Тербий в ограниченных количествах используют для изготовления лазеров и ламп дневного света.

Использование цветных металлов

Цветными называют не только сами металлы, но и их сплавы. Исключение составляет так называемый “чермет”: железо и, соответственно, его сплавы. В странах Европы цветные металлы носят название нежелезистых. Цветные металлы, список которых немаленький, нашли широкое применение в разных отраслях во всем мире, в том числе и в России, где являются основной специализацией. Производятся и добываются на территориях всех регионов страны. Легкие и тяжелые цветные металлы, список которых представлен большим разнообразием наименований, составляют отрасль промышленности под названием «Металлургия». Это понятие включает в себя добычу, обогащение руд, выплавку как металлов, так и их сплавов.

В настоящее время отрасль цветной металлургии получила широкое распространение. Качество цветных металлов очень высокое, они отличаются долговечностью и практичностью, применяются в строительной индустрии: ими отделывают здания и сооружения. Из них производят профильный металл, проволоку, ленты, полосы, фольгу, листы, прутки различной формы.

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.

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. Это позволяет диктовать свои условия, угрожая так называемой «сырьевой войной». Данный термин стал очень популярен в последнее время. 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.

Металлы, составляющие группу редкоземельных

По состоянию на 2019 г., в список редкоземельных металлов входят следующие химические элементы:

  1. Скандий: назван в честь Скандинавии.
  2. Иттрий: получил наименование в честь населенного пункта Иттербю, расположенного на территории современной Швеции.
  3. Лантан: в переводе с греческого языка наименование этого элемента означает «таинственный, скрытный».
  4. Церий: назван в честь римской богини Цереры и одноименной карликовой планеты в солнечной системе.
  5. Празеодим: в переводе с греческого языка наименование этого элемента обозначает «зеленый близнец».
  6. Прометий: назван в честь древнегреческого мифического персонажа Прометея.
  7. Неодим: в переводе с греческого языка означает «новый близнец».
  8. Самарий: получил наименование в честь минерала самарскит.
  9. Европий: назван в честь одноименной части света.
  10. Гадолиний: получил наименование в честь финского химика Юхана Гадолина.
  11. Диспрозий: в переводе с греческого языка наименование этого элемента означает «труднодоступный».
  12. Гольмий: назван в честь столицы Швеции – Стокгольма.
  13. Эрбий: получил наименование в честь шведской деревни Иттербю.
  14. Лютеций: назван в честь старинного названия столицы Франции, используемого древними римлянами.
  15. Иттербий: получил наименование в честь населенного пункта Иттербю.
  16. Тулий: получил наименование в честь сказочного острова Туле, описанного в скандинавской мифологии.
  17. Тербий: назван в честь деревни Иттербю.

Термин «редкоземельные» образован от словосочетания «редкие земли». Он объединяет химические элементы по следующим признакам:

  1. Вещества редко встречаются в естественной среде. В нынешнее время только 2% редкоземельных металлов добываются в земной коре. Извлечение металлов в большинстве случаев осуществляется из отходов производства минеральных удобрений. Добыча осуществляется с применением инновационных технологий.
  2. При взаимодействии с кислородом элементы образуют тугоплавкие, нерастворимые оксиды, называемые «землями».
  3. Представляют собой серебристо-белые металлы, тускнеющие при взаимодействии с воздухом в результате образования оксидной пленки.

Редкоземельный металл лантан является одним из самых дорогих химических элементов. При взаимодействии с алюминием он образует вещества с повышенной интенсивностью поглощения углерода и азота. Благодаря низкой активности по отношению к H2, его можно применять для изоляции водорода от окружающих газов.

Редкоземельные соединения отличаются между собой по химической активности. Этот параметр возрастает от скандия до лантана. До лютеция химическая активность снижается до минимальных значений. Это явления обусловлено постепенным снижением расстояния между атомами и энергетическими уровнями.

В научной литературе редкоземельные металлы имеют следующие обозначения:

  1. TR: аббревиатура, обозначающая “редкие земли” (Terrae rarae).
  2. REE: сокращение английского словосочетания Rare-earth elements (редкоземельные элементы).
  3. REM: сокращение английского словосочетания Rare-earth metals (редкоземельные металлы).

В российских учебниках редкоземельные элементы обозначаются аббревиатурами РЗЭ или РЗМ.

Борьба за месторождения

Эксперты считают, что за месторождения редкоземельных металлов будет идти такая же конкурентная борьба, как и за углеводороды.

В 2013 году британская частная компания SRE Minerals заявила, что на территории КНДР, в провинции Пхёнан-Пукто, находится одно из крупнейших в мире месторождений редкоземельных элементов. Компания подписала с северокорейским правительством соглашение о его разработке на 25 лет. Также предусмотрено строительство перерабатывающего завода. По предварительным оценкам, запасы РЗЭ в этом районе превышают 200 млн тонн. Стоимость таких объёмов сырья исчисляется триллионами долларов. 

Также по теме


Индустрия без подзаряда: почему взлёт цен на кобальт угрожает производству смартфонов и электрокаров

Производство электрокаров, смартфонов и высокотехнологичных гаджетов может оказаться под угрозой. Всё дело в стремительном удорожании…

В 2014 году несколько российских компаний, включая НПО «Мостовик», начали переговоры с властями КНДР о сотрудничестве. Российская сторона должна была взяться за модернизацию и реконструкцию железнодорожной сети КНДР, получив в обмен доступ к разработке полезных ископаемых в стране. Речь, в первую очередь, шла о добыче редкоземельных элементов и строительстве горно-обогатительных комбинатов. Совместный проект, в который планировалось вложить более $25 млрд, получил название «Победа».

Ещё один регион, располагающий большими запасами редкоземельных элементов, — Африка. Одна только ЮАР занимает шестое место в мире по запасам редкозёмов.

Такие сырьевые богатства не могли не привлечь иностранцев. В конце 2017 года британская компания Rainbow Rare Earths начала добычу редкоземельных элементов на руднике Gakara в Бурунди.

В 2016 году власти другой африканской страны, Зимбабве, предложили России сотрудничество в сфере добычи редкоземельных металлов. С такой инициативой выступил министр шахт и развития горно-рудной промышленности страны Уолтер Чидаква.

Однако и Россию, и другие страны на африканском континенте теснит Китай: Пекин уже давно активно развивает своё экономическое присутствие в Африке.

Ещё один регион, где могут столкнуться интересы крупных держав, — Афганистан. Эта страна — настоящая кладовая минерального сырья, включая редкоземельные металлы. Речь, в частности, идёт о празеодиме — этот металл применяют для улучшения свойств ряда сплавов и изготовления специальных стёкол. Также в Афганистане можно добывать церий, неодим, лантан и самарий. Работы по разведке афганских недр начали ещё советские специалисты, продолжили искать РЗЭ здесь уже американцы в 2000-х годах. 

  • Джелалабад, Афганистан
  • AFP

Недавно Дональд Трамп и президент Афганистана Ашраф Гани договорились о добыче редкоземельных металлов американскими компаниями на территории республики. Американский лидер решил поколебать монополию КНР на рынке редкозёмов, и развитие зарубежных проектов играет приоритетную роль в этой стратегии, считают эксперты.

Соглашение с Канберрой также закономерно для Вашингтона, ведь страны близки в политическом отношении, а Австралия располагает богатыми запасами природных ресурсов, включая РЗЭ.

Важную роль на рынке редкоземельных элементов играет и Казахстан, богатый разнообразными природными ресурсами. Как пояснил Бельчук, за право разрабатывать казахстанские месторождения борются компании из Японии, Южной Кореи, Китая.

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. Без магнитов изготавливают двигатели не только в электрических автомобилях, но также в ветротурбинах, что освобождает тонны неодима. 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).

Свойства редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы имеют серебристый или желтый окрас. Они поддаются механической обработке и проводят электрический ток. Свойства РЗМ могут изменяться при переходе веществ из металлического состояния в парообразное. При высоком давлении и большой разнице в энергии атомные радиусы уменьшаются, что приводит к увеличению плотности простых веществ.

Физические свойства

Плотность РЗЭ составляет 6000–7000 кг/м3. Температура плавления вещества равняется 900 °С. Переход веществ в газообразное состояние осуществляется при температуре от 3500 °С. Наибольшим захватом тепловых нейтронов обладают гадолиний, самарий и европий. При нагревании до высоких температур элементы становятся пластичными и легко поддаются прокатке или ковке.

РЗМ обладают магнитными свойствами. Они относятся к классу парамагнетиков. Магнитная восприимчивость соединений зависит от их температуры. Гадолиний, Диспрозий и Гольмий располагают ферромагнитными свойствами. Они могут увеличить свое магнитное поле в несколько раз при нагреве до критических температур. В естественной среде большая часть редкоземельных металлов являются сверхпроводниками. Переход сверхпроводящее состояние осуществляется при охлаждении веществ до температуры -268,15 °С. Величина данного показателя зависит от избыточного давления.

Механические свойства

Механические свойства РЗЭ находятся в зависимости от количества примесей, содержащихся в веществе: кислорода, серы, азота и углерода. Ими обладают большинство представителей иттриевой и цериевой подгрупп. Чистые металлы, в которых содержится меньше 1% примесей, имеют твердость 500 Мпа. Этот показатель зависит от температуры химического соединения. При охлаждении вещества до 800 °С твердость элемента составляет 30 МПа. Если понизить температуру вещества до 550 °С, то оно полностью размягчится, что обусловлено полиморфным превращением.

При температурах 20-800 °С повышается пластичность редкоземельных металлов. Во время нагревания внутренняя структура элементов переходит на кубическую модификацию. Во время растяжения РЗМ полностью разрушаются при давлении в 150 Мпа. При более низких значениях этого показателя соединения деформируются. Удельное растяжения металлов составляет не менее 12%.

Химические свойства

При взаимодействии с молекулами кислорода РЗЭ покрываются тонкой оксидной пленкой, защищающей металлы от физических деформаций и воздействия иных химических элементов. При высокой влажности вещества начинаются окисляться с большей интенсивностью и превращаются в щелочи. Данный химический процесс осуществляется при температурах до 250 °С. При дальнейшем нагревании в кислородной среде металлы начнут окисляться с выделением большого количества тепловой энергии.

Наибольшей реакционной способностью располагают скандий и иттрий. При нагревании до 400 °С они вступают в реакции с водородом, образуя гидриды. Полученные вещества имеют высокую плотность и могут взаимодействовать с солями. Церий обладает свойством пирофорности. При разрезании этого элемента на воздухе образуется множество искр. В этом случае выделяется до 220 ккал тепла.

Степень окисления редкоземельных соединений равняется +3. Поэтому эти способы образовывать тугоплавкие, твердые и крепкие оксиды. При взаимодействии с водой РЗМ образуют малорастворимые гидроксиды. Растворимость элементов зависит от ряда активности и свойств амфотерности. Из-за высокой активности металлов, соли редкоземельных соединений быстро растворяются в сильных кислотах, относящихся к минеральной группе химических веществ. При взаимодействии РЗМ с неметаллами VI – VII групп получаются галогены. РЗЭ могут вступать в реакцию с селеном, бромом, йодом при нагревании. Они инертны к большинству растворимых гидроксидов.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий