Retųjų žemių elementai (REE) - tai septyniolika cheminių elementų. Jiems priklauso penkiolika lantanidų ir skandis bei itris. Skandis ir itris yra retųjų žemių elementai, nes dažnai randami tuose pačiuose rūdų telkiniuose kaip ir lantanidai ir pasižymi panašiomis cheminėmis savybėmis.

Nors vadinami retaisiais, retųjų žemių elementai Žemėje nėra itin reti. Taip jie vadinami todėl, kad Žemėje yra pasiskirstę labai tolygiai, todėl vienoje vietoje jų sunku rasti daug. Prometis yra retas, nes yra radioaktyvus ir skyla.

Ceris, vienas iš lantanidų, yra 25-as pagal paplitimą elementas Žemės plutoje. Tačiau dauguma retųjų žemių elementų nėra koncentruoti arba gryni.

Ką sudaro retųjų žemių elementai ir kodėl jie išskiriami

Retųjų žemių elementai (REE) apima 17 elementų: 15 lantanidų serijos elementų (nuo lantano iki luterio) bei skandį ir itrį. Jie sugrupuojami dėl panašių elektroninių konfigūracijų ir fizikinių bei cheminių savybių, ypač dėl dažniausiai pasitaikančios trivalentinės oksidacijos būsenos (3+). Dėl lantanoidų kontrakcijos (mažėjant atomo spinduliams su didėjančiu atominiu skaičiumi) keičiasi jų cheminės savybės ir naudojimo galimybės.

Geologija, mineralai ir išgavimas

Retųjų žemių elementai paprastai nesikaupia vienoje grynoje formoje, jie yra susiję su tam tikrais mineralais. Svarbiausi REE turintys mineralai yra:

  • monazitas (dažnai kartu su toriju ir uranu);
  • bastnäzitas (vienas iš svarbiausių ekonominių šaltinių);
  • ksenotimas ir kiti fosfatai bei karbonatai.

Išgavimas dažnai vyksta atvirųjų kasyklų būdu arba per žemės plutos skydų apdorojimą. Po pradinių koncentracijos procesų seka ekstrakcija ir rafinavimas: hidrometalurginės procedūros, tirpiklių ekstrakcija, jonų mainai ir kiti procesai, skirti atskirti artimai susijusius elementus.

Fizinės ir cheminės savybės

  • Dauguma REE turi panašias elektronines savybes ir dažniausiai randami 3+ oksidacijos būsenoje.
  • Jie pasižymi aukštais magnetiniais (pvz., neodimis), optiniais (pvz., europis, terbis kaip fosforai) ir kataliziniais (pvz., ceris) efektais.
  • Fizinės savybės: kieti, blizgūs metalo formos elementai, dažnai jautrūs oro ir drėgmės poveikiui paviršiuje (oksidavimui).

Panaudojimas

Retųjų žemių elementai yra būtini daugelyje šiuolaikinių technologijų:

  • Galingi magnetai: neodimis (Nd) ir pradimiai naudojami aukštos energijos tankio magnetuose elektromobiliams, vėjo turbinoms, kietiems diskams ir kitur.
  • Elektromotorai ir generatoriai: REE magnetai gerina efektyvumą ir kompaktiškumą.
  • Fosforai ir optika: europis, terbis ir kiti naudojami televizorių, LED lempų ir lazerių fosforuose bei ekranuose.
  • Katalizatoriai: ceris plačiai naudojamas automobilių katalizatoriuose ir naftos perdirbime dėl raudonųjų oksidų mainų savybių.
  • Medicinos prietaisai: gadolinio junginiai — kontrastui magnetinio rezonanso tomografijoje (MRT).
  • Poliravimo ir stiklo pramonė: cerio dioksidas naudojamas stiklo poliravimui ir cheminiam apdorojimui.
  • Gynybos pramonė: įvairūs tikslūs komponentai, sensoriai ir lazeriai priklauso nuo REE.

Aplinkos ir saugumo aspektai

REE kasyba ir apdirbimas gali turėti reikšmingą aplinkos poveikį: dirvožemio ir vandens tarša (ypač jei monazitas lydimas radioaktyviųjų elementų, pvz., torio), didelis energijos suvartojimas ir cheminės atliekos. Kai kuriuose atvejuose reikalingos specialios sanitarinės priemonės ir radioaktyviųjų atliekų tvarkymas.

Cheminė toksikologija yra įvairi: dauguma REE turi žemą akutinį toksiškumą, tačiau ilgesnis poveikis gali sukelti sveikatos problemų; pavyzdžiui, laisvi gadolinio jonai yra kenksmingi, todėl medicininėse procedūrose naudojami stabilizuoti junginiai. Gamybos darbuotojams būtinos apsaugos priemonės prieš dulkes ir cheminių tirpalų poveikį.

Tiekimo grandinė, geopolitika ir perdirbimas

Retųjų žemių tiekimas yra strategiškai svarbus: daug pasaulinės gamybos koncentracijos yra vienoje ar keliuose regionuose, todėl kyla tiekimo rizikos ir geopolitinės įtampos. Dėl to daug dėmesio skiriama žaliavų diversifikavimui, atsargoms ir perdirbimui.

Perdirbimas ir medžiagų sugrąžinimas iš elektronikos, magnetų ir katalizatorių yra svarbus siekiant sumažinti aplinkos žalą ir didinti tiekimo saugumą. Technologijų pažanga tiria efektyvesnes REE atskyrimo ir perdirbimo technologijas.

Išvados

Retųjų žemių elementai nėra fiziškai itin reti, bet jie dažnai būna išskaidyti ir sudėtingi išgauti. Dėl unikalių magnetinių, optinių ir katalizinių savybių jie yra neatsiejama šiuolaikinių technologijų — nuo atsinaujinančios energijos iki elektronikos ir medicinos — dalis. Tolesnė pažanga išgavime, perdirbime ir alternatyvių medžiagų kūrime padės sumažinti ekologinę naštą ir geopolitinę priklausomybę.