ГеологияПопулярная наука

Редкоземельные металлы: что это такое и причем здесь сверхновые?

Редкоземельные металлы (РЗМ) — это группа из 17 элементов периодической таблицы, которая включает скандий (Sc), иттрий (Y) и 15 элементов, известных как лантаноиды (от лантана до лютеция). Хотя они получили название «редкоземельные», они на самом деле не так редки.

Их называют так потому, что они редко встречаются в форме концентрированных месторождений. В природе они обычно присутствуют в низких концентрациях и часто добываются в составе других минералов. Однако по запасам сырья редкоземельные элементы не являются редкими, по суммарной распространённости они превосходят свинец в 10 раз, молибден — в 50 раз, вольфрам — в 165 раз.

Основные РЗМ и их свойства

К редкоземельным металлам относят:

  • Лантан (La) – используется в сплавах, в производстве стекол и в некоторых видах катализаторов.
  • Церий (Ce) – применяется в катализаторах для автомобильных выхлопов и в полировке стекол.
  • Празеодим (Pr) и Неодим (Nd) – важны для производства сильных магнитов, которые используются в электронике и альтернативной энергетике.
  • Самарий (Sm) – используется в производстве постоянных магнитов и специальных материалов для ядерных реакторов.
  • Гадолиний (Gd) – его применяют в медицинской диагностике (в частности, в МРТ) и в производстве высокотемпературных сверхпроводников.
  • Диспрозий (Dy) – необходим в производстве магнитов, которые могут работать при высоких температурах, что важно для электромобилей и ветряных турбин.

Другие редкоземельные элементы также имеют различные применения в оптике, электронике и химической промышленности.

17 редкоземельных элементов из Системы элементов
17 редкоземельных элементов из Системы элементов.

Роль редкоземельных металлов в промышленности

Редкоземельные металлы играют ключевую роль в высокотехнологичных устройствах. Они используются в смартфонах, компьютерах, гибридных и электрических автомобилях, системах возобновляемой энергетики (солнечные панели и ветрогенераторы), а также в оборонной промышленности (лазеры, авиационная техника, системы навигации).

Особенно важны они для производства сильных постоянных магнитов, которые применяются в электромоторах, генераторах и различной электронике. Магниты на основе неодима и диспрозия имеют высокую силу и устойчивость к нагреву, что делает их незаменимыми в технологиях возобновляемой энергии и электромобильности.

Добыча и переработка

Несмотря на то, что редкоземельные металлы не столь редки, их добыча и переработка сопряжены с рядом сложностей.

Проблема заключается в том, что они обычно встречаются в смеси с другими элементами, и их выделение требует сложных химических процессов, часто вредных для окружающей среды. Китай в настоящее время является крупнейшим производителем РЗМ, занимая более 70% мирового рынка.

РЗМ встречаются в земной коре, но они редко образуют богатые рудные месторождения, пригодные для коммерческой добычи. Вместо этого они обычно распределены в виде примесей в других минералах.

Экологические и социальные аспекты

Процесс добычи и переработки редкоземельных металлов вызывает множество экологических и социальных проблем. Месторождения редкоземельных металлов часто находятся в отдаленных или уязвимых районах, что может негативно сказываться на экосистемах и местных сообществах. Кроме того, переработка этих металлов требует использования агрессивных химикатов, что приводит к загрязнению воздуха, воды и почвы.

Разработка новых методов добычи и переработки, а также переработка использованных материалов и устройств, содержащих РЗМ, может смягчить эти последствия.

Сверхновые звезды

Элементы тяжелее железа, включая многие редкоземельные металлы, обязаны своим происхождением взрывам сверхновых — мощным космическим событиям, которые происходят, когда массивные звезды завершают свой жизненный цикл.

Взрыв сверхновой
Взрыв сверхновой

Как сверхновые способствуют образованию тяжелых элементов

В ядрах звезд происходят процессы термоядерного синтеза, где элементы легче железа образуются в результате слияния ядер более легких атомов. Однако, для того чтобы синтезировать элементы тяжелее железа, энергии, выделяемой при обычном ядерном синтезе, уже недостаточно.

Железо — это наиболее стабильный элемент, и дальнейший синтез требует больше энергии, чем выделяет.

Когда звезда с массой значительно превышающей массу Солнца исчерпывает топливо (в основном водород и гелий), ее ядро коллапсирует, и происходит катастрофический взрыв — сверхновая. В этом процессе выделяется огромное количество энергии, которая и служит источником для образования более тяжелых элементов через так называемый процесс захвата нейтронов (процессы r- и s-захвата нейтронов):

  • R-процесс (быстрый захват нейтронов) — происходит в экстремальных условиях, когда большое количество нейтронов захватывается атомными ядрами за очень короткое время, что ведет к образованию тяжелых элементов, таких как уран, золото, и многие редкоземельные металлы.
  • S-процесс (медленный захват нейтронов) — происходит при более медленном захвате нейтронов в менее экстремальных условиях, например, в ядрах больших звезд на поздних стадиях их жизни.

Таким образом, элементы, тяжелее железа, включая золото, платину, торий, уран и многие редкоземельные металлы, синтезируются именно в результате взрывов сверхновых и других космических катаклизмов, таких как слияние нейтронных звезд.

Роль сверхновых в формировании химических элементов

Когда сверхновая взрывается, она выбрасывает во Вселенную большое количество различных элементов.

Эти вещества в дальнейшем входят в состав межзвездных облаков пыли и газа, которые в свою очередь могут формировать новые звезды и планетные системы. Таким образом, все тяжелые элементы, из которых состоит Земля, и в том числе наше тело, образовались в ходе таких звездных взрывов.

10 интересных фактов

Редкоземельные металлы — это важные и уникальные элементы, которые играют ключевую роль в современной технологии и промышленности. Помимо их значимости, есть несколько интересных и удивительных фактов, которые делают их ещё более примечательными.

1. Редкоземельные металлы не так уж редки

Несмотря на название, редкоземельные металлы вовсе не являются редкими в природе. Многие из них встречаются в земной коре чаще, чем золото или платина. Например, церий, один из самых распространенных РЗМ, встречается чаще, чем медь. Однако их называют «редкими», потому что они редко образуют концентрированные месторождения и часто присутствуют в природе в сложных соединениях с другими элементами.

2. Редкоземельные металлы — ключевые компоненты смартфонов

Ваш смартфон содержит несколько редкоземельных металлов. Например, неодим используется в производстве мощных магнитов для динамиков, гадолиний применяется в микрофонах, а европий и тербий используются для создания ярких красок на дисплее. Без этих элементов современные смартфоны не могли бы быть такими компактными и функциональными.

3. Магниты из РЗМ — самые мощные в мире

Магниты, изготовленные на основе неодима (NdFeB), являются одними из самых сильных постоянных магнитов на Земле. Эти магниты играют важнейшую роль в электронике, электромоторах, генераторах и ветрогенераторах, так как они сохраняют свою силу даже при высоких температурах и в сложных условиях.

4. Редкоземельные металлы находятся не только на Земле, но и в космосе

Недавно ученые обнаружили, что астероиды и другие космические объекты могут содержать значительные запасы редкоземельных металлов. Некоторые астероиды в поясе между Марсом и Юпитером богаты элементами, такими как неодим и церий. В будущем добыча редкоземельных металлов в космосе может стать реальностью и существенно повлиять на их рынок, особенно в условиях дефицита на Земле и растущего спроса на высокотехнологичные устройства.

5. Некоторые редкоземельные металлы светятся в темноте

Некоторые РЗМ, такие как европий и тербий, обладают уникальными люминесцентными свойствами. Они могут излучать яркий свет при воздействии определённых условий. Например, европий используется в люминофорах, которые помогают создавать яркие и чистые цвета в телевизорах и дисплеях. Этот же элемент применяют для защиты евро-купюр от подделок: его флуоресцентные свойства помогают обнаруживать фальшивые банкноты.

6. Неодимовые магниты стали основой для «зелёной» энергетики

Сильные магниты на основе неодима играют ключевую роль в производстве ветрогенераторов и электромобилей. Они делают электродвигатели более компактными, легкими и эффективными, что способствует развитию возобновляемых источников энергии и экологически чистого транспорта. Например, один ветрогенератор может содержать до 600 килограммов редкоземельных магнитов.

7. Историческое применение в стекле

Еще до того, как редкоземельные металлы начали широко использовать в электронике, они применялись в производстве стекла. Например, оксид церия использовали для полировки стекла и создания защитных линз для сварочных масок. Также редкоземельные элементы добавляли в стекло для создания устойчивых к нагреву материалов и для фильтрации ультрафиолетового света.

8. Иттрий делает красные цвета на экранах яркими

Иттрий — один из ключевых элементов, используемых для создания ярких красных цветов на экранах телевизоров и мониторов. Это его оксиды, активированные европием, отвечают за насыщенные оттенки, которые мы видим на современных ЖК- и OLED-экранах.

9. Использование в ядерной энергетике

Некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий и гадолиний, применяются в ядерных реакторах. Гадолиний обладает способностью поглощать нейтроны, поэтому его добавляют в ядерное топливо для контроля за реакцией. Это важно для безопасности работы атомных станций.

10. На редкоземельные металлы возложены большие надежды в космических технологиях

РЗМ применяются в космических технологиях, особенно в производстве компонентов для спутников и космических аппаратов. Например, мощные магниты на основе РЗМ используются в реактивных двигателях и системах стабилизации, что помогает поддерживать курс и стабильность спутников на орбите.

Поделиться в соцсетях
Показать больше
Подписаться
Уведомление о
guest
2 Комментарий
Первые
Последние Популярные
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Геннадий Григорьевич
Геннадий Григорьевич
Гость
20 дней назад

Пропущено ещё четыре очень редкоземельных металлов, следующих после лютеция. Окончательная версия таблицы химических элементов. https://dzen.ru/a/ZfxDgDZSlBcULKXu

nazvaniya-1
RobinzoNN
RobinzoNN
Гость
Ответить на  Геннадий Григорьевич
20 дней назад

А википЕдия говорит, что редкоземельные металлы — это группа из 17 элементов, к которым относятся 15 лантаноидов, а также скандий и иттрий. 🙃

Back to top button