Elemente de pământuri rare

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 29 mai 2022; verificarea necesită 1 editare .
elemente de pământuri rare
Nume scurt/titlu ree și rem
 Fișiere media la Wikimedia Commons

Elemente de pământ rare (Pământ rare [1] ; prescurtare REE , engleză  TR , REE , REM ) - un grup de 17 elemente , inclusiv scandiu , ytriu , lantan și lantanide ( ceriu , praseodim , neodim , prometiu , samariu , europiu , gadoliniu ) , terbiu , disproziu , holmiu , erbiu , tuliu , iterbiu , lutetiu ).

Elementele pământurilor rare prezintă o mare similitudine între ele în ceea ce privește proprietățile chimice și unele fizice, ceea ce se explică prin structura aproape identică a nivelurilor electronice exterioare ale atomilor lor . Toate sunt metale alb-argintiu , în timp ce toate au proprietăți chimice similare (cea mai caracteristică stare de oxidare este +3). Elementele pământurilor rare sunt metale , acestea sunt obținute prin reducerea oxizilor corespunzători , fluorurilor, electroliza sărurilor anhidre și alte metode.

În funcție de proprietățile chimice și de co-apariția în natură, acestea sunt împărțite în subgrupe:

Pe baza masei lor atomice, lantanidele sunt împărțite în:

Termenul

Denumirea de „pământ rar” (din lat.  terrae rarae - „ pământ  rar ”) a fost dat datorită faptului că:

Denumirea „elementelor pământurilor rare” s-a dezvoltat istoric la sfârșitul secolului al XVIII -lea  - începutul secolului al XIX-lea, când se credea în mod eronat că mineralele care conțin elemente din două subfamilii - ceriu (lumină - La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu). ) și ytriul (grele - Y , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) sunt rare în scoarța terestră. Cu toate acestea, în ceea ce privește rezervele de materii prime, elementele pământurilor rare nu sunt rare; în ceea ce privește abundența totală, ele depășesc de 10 ori plumbul , molibdenul  de 50 de ori și wolfram  de 165 de ori.

Abrevieri acceptate în literatura științifică modernă:

Istorie

În 1794, chimistul finlandez Johan Gadolin , explorând mostre de minereu în apropierea orașului suedez Ytterby (mai târziu, elementele de pământ rare ytriu , terbiu , erbiu și iterbiu au fost numite după acest sat ), a descoperit un „pământ rar” necunoscut până acum, pe care l-a numit după locul descoperirii ytriu .

Mai târziu, chimistul german Martin Klaproth a împărțit aceste probe în două „pământuri”, pentru unul dintre ele l-a lăsat numele de ytriu, iar celălalt l-a numit ceriu (în cinstea micii planete Ceres descoperită în 1801 , care, la rândul său, a fost numită după vechea zeiță romană Ceres ).

Puțin mai târziu, omul de știință suedez Karl Mosander a reușit să izoleze mai multe „terenuri” din aceeași probă. Toți s-au dovedit a fi oxizi de elemente noi, numite pământuri rare. Din cauza dificultății de separare a oxizilor, anunțurile false despre descoperirea de noi elemente de pământuri rare au fost numerotate cu zeci. Împreună, până în 1907, chimiștii au descoperit și identificat un total de 16 astfel de elemente . Pe baza studiului proprietăților razelor X, tuturor elementelor li s-au atribuit numerele atomice 21 ( scandiu ), 39 (itriu) și 57 ( lantan ) până la 71 ( lutețiu ), cu excepția 61.

În ordinea creșterii greutății atomice, acestea sunt aranjate după cum urmează:

Z Simbol Nume Etimologie
21 sc Scandiul în cinstea Scandinaviei
39 Y ytriu după satul suedez Ytterby
57 La Lantan din greaca "secret"
58 Ce ceriu în onoarea planetei minore Ceres , numită la rândul său după zeița Ceres
59 Relatii cu publicul Praseodimiu din greaca „geamăn verde”, datorită liniei verzi din spectru
60 Nd neodim din greaca "nou geamăn"
61 P.m Prometiu în numele eroului mitic Prometeu , care a furat focul de la Zeus și l-a dat oamenilor.
62 sm Samariul numit după mineralul samarskite , în care a fost descoperit
63 UE Europiu în cinstea Europei
64 Gd Gadoliniu în cinstea lui Johan Gadolin
65 Tb terbiu după satul suedez Ytterby
66 Dy Disprosiu din greaca "greu de atins"
67 Ho Holmiu în cinstea Stockholmului
68 Er Erbiu după satul suedez Ytterby
69 Tm Tuliu din vechiul nume pentru Scandinavia
70 Yb Iterbiu după satul suedez Ytterby
71 lu lutețiu de la vechiul nume roman al Parisului

Inițial, celula numărul 61 era goală, ulterior acest loc a fost luat de prometiu, izolat din produsele de fisiune a uraniului și devenind al 17-lea membru al acestei familii.

Proprietăți chimice

Scandiul, ytriul și lantanidele sunt foarte reactive. Activitatea chimică a acestor elemente este vizibilă în special la temperaturi ridicate. Când sunt încălzite la 300-400 ° C, metalele reacționează chiar și cu hidrogenul , formând RH 3 și RH 2 (simbolul R exprimă un atom al unui element de pământ rar). Acești compuși sunt suficient de puternici și au un caracter de sare. Când sunt încălzite în oxigen, metalele reacţionează uşor cu acesta, formând oxizi: R 2 O 3 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , Tb 4 O 7 (doar Sc şi Y , prin formarea unei pelicule protectoare de oxid, sunt rezistente la aer). , chiar și atunci când este încălzit până la 1000 °C). În timpul arderii acestor metale într-o atmosferă de oxigen, se eliberează o cantitate mare de căldură. La arderea a 1 g de lantan, se eliberează 224,2 kcal de căldură. Pentru ceriu, o trăsătură caracteristică este proprietatea piroforicității - capacitatea de a scântei atunci când metalul este tăiat în aer.

Lantanul, ceriul și alte metale aflate deja la temperaturi obișnuite reacționează cu apa și acizii neoxidanți, eliberând hidrogen. Datorită activității ridicate a oxigenului atmosferic și a apei, bucăți de lantan, ceriu, praseodim, neodim și europiu trebuie depozitate în parafină, restul metalelor pământurilor rare se oxidează slab (cu excepția samariului, care este acoperit cu o peliculă). de oxizi, dar nu este complet corodat de acesta) și poate fi depozitat în condiții normale fără antioxidanți.

Activitatea chimică a metalelor pământurilor rare nu este aceeași. De la scandiu la lantan, activitatea chimică crește, iar în seria lantanul - lutețiu - scade. Rezultă că cel mai activ metal este lantanul. Acest lucru se datorează unei scăderi a razelor atomice ale elementelor de la lantan la lutețiu, pe de o parte, și de la lantan la scandiu, pe de altă parte.

Efectul „contracției lantanidelor” (compresiei) duce la faptul că următoarele elemente după lantanide (hafniu, tantal, wolfram, reniu, osmiu, iridiu, platină) au razele atomice reduse cu 0,2-0,3 Å, de unde foarte asemănătoare lor. proprietăți cu proprietățile elementelor corespunzătoare din perioada a cincea.

În elementele - scandiu, ytriu, lantan - învelișul d - a penultimului strat de electroni tocmai începe să se formeze, astfel încât razele atomilor și activitatea metalelor din acest grup cresc de sus în jos. Prin această proprietate, grupul diferă de alte subgrupe secundare de metale, în care ordinea schimbării activității este opusă.

Deoarece raza atomului de ytriu (0,89 Å) este aproape de raza atomului de holmiu (0,894 Å), acest metal ar trebui să ocupe unul dintre penultimele locuri în ceea ce privește activitatea. Scandiul, datorită activității sale, ar trebui să fie localizat după lutețiu. În această serie, efectul metalelor asupra apei este slăbit.

Elementele pământurilor rare prezintă cel mai adesea o stare de oxidare de +3. Din această cauză, cei mai caracteristici sunt oxizii R 2 O 3  - compuși solizi, puternici și refractari. Fiind oxizi bazici, pentru majoritatea elementelor sunt capabili să se combine cu apa și să creeze baze - R (OH) 3 . Hidroxizii metalelor pământurilor rare sunt puțin solubili în apă. Capacitatea lui R 2 O 3 de a se combina cu apa, adică funcția principală, și solubilitatea lui R (OH) 3 scad în aceeași succesiune ca și activitatea metalelor: Lu (OH) 3 și în special Sc (OH ). ) 3 , prezintă unele proprietăţi amfotere . Deci, pe lângă o soluție de Sc (OH) 3 în NaOH concentrat , s-a obținut o sare: Na 3 Sc (OH) 6 2H 2 O.

Deoarece metalele acestui subgrup sunt active, iar sărurile lor cu acizi tari sunt solubile, ele se dizolvă ușor atât în ​​acizi neoxidanți, cât și în acizi oxidanți.

Toate metalele pământurilor rare reacţionează puternic cu halogenii, creând RHal 3 (Hal este halogen ). Ele reacționează și cu sulful și seleniul, dar când sunt încălzite.

Fiind în natură

De regulă, elementele pământurilor rare apar împreună în natură. Ele formează oxizi foarte puternici, compuși halogeni, sulfuri. Pentru lantanide, compușii elementelor trivalente sunt cei mai caracteristici. O excepție este ceriul, care se transformă ușor în stare tetravalentă. Pe lângă ceriu, compușii tetravalenți formează praseodimiu și terbiu. Compușii divalenți sunt cunoscuți din samariu, europiu și iterbiu. Proprietățile fizico-chimice ale lantanidelor sunt foarte apropiate unele de altele. Acest lucru se datorează particularității structurii învelișurilor lor de electroni.

Conținutul total de elemente de pământ rare este mai mare de 100 g/t. Sunt cunoscute peste 250 de minerale care conțin elemente de pământuri rare. Cu toate acestea, doar 60-65 de minerale în care conținutul de Me 2 O 3 depășește 5-8% pot fi clasificate drept minerale de pământuri rare. Principalele minerale pământuri rare sunt monazit (Ce, La)PO 4 , xenotime YPO 4 , bastnäsite Ce[CO 3 ](OH, F), parizit Ca(Ce, La) 2 [CO 3 ] 3 F 2 , gadolinit Y 2 FeBe 2 Si 2 O 10 , ortit (Ca, Ce) 2 (Al, Fe) 3 Si 3 O 12 (O, OH), loparit (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb) O 3 , aeschinit (Ce, Ca, Th)(Ti , Nb ) 206 . Cel mai comun în scoarța terestră este ceriul , cel mai puțin - tuliu și lutețiu . Conform regulilor Comisiei pentru noi minerale și denumiri de minerale (CNMNM) a Asociației Mineralogice Internaționale (IMA), mineralele cu o cantitate mare de element pământ rar (sau aproape de ytriu și scandiu pământuri rare ) în compoziție primesc un sufix special, „Rafinatorul lui Levinson” [2] , de exemplu, sunt cunoscute două minerale: gagarinitul dominat de ytriu- (Y) și gagarinitul dominat de ceriu-(Ce).

În ciuda izomorfismului nelimitat, în grupul pământurilor rare, în anumite condiții geologice, este posibilă o concentrare separată de pământuri rare din subgrupurile de ytriu și ceriu. De exemplu, cu roci alcaline și produse postmagmatice asociate se dezvoltă predominant subgrupa ceriu, în timp ce cu produse postmagmatice ai granitoizilor cu alcalinitate crescută se dezvoltă subgrupul ytriu. Majoritatea fluorocarbonaților sunt îmbogățiți cu elemente din subgrupul ceriu. Mulți tantalo-niobați conțin un subgrup de ytriu, în timp ce titanați și titan-tantalo-niobați conțin un subgrup de ceriu. O oarecare diferențiere a pământurilor rare se remarcă și în condiții exogene. Înlocuirea izomorfă a pământurilor rare între ele, în ciuda diferenței dintre numerele lor de serie, se datorează fenomenelor de „compresie lantanide”: odată cu creșterea numărului de serie, orbitele electronilor interne, mai degrabă decât externe, sunt finalizate, ca un rezultat din care volumul ionilor nu crește.

Acumularea selectivă a elementelor pământurilor rare în minerale și roci se poate datora diferențelor razelor ionilor acestora. Faptul este că razele ionilor de lantanide scad în mod natural de la lantan la lutețiu. Ca urmare, este posibilă substituția izomorfă predominantă, în funcție de gradul de diferență a dimensiunilor ionilor de pământ rare substituiți. Deci, în mineralele de scandiu, zirconiu și mangan pot fi prezente doar pământuri rare din seria lutețiu-disproziu; mineralele din mijlocul seriei (itriu, disproziu, gadoliniu) se acumulează predominant în mineralele de uraniu; elementele grupului ceriu trebuie concentrate în minerale de toriu; mineralele de stronțiu și bariu pot conține doar elemente din seria europiu-lantan.

Producție

Până la începutul anilor 1990, Statele Unite au fost principalul producător [3] ( Mountain Pass field ). În 1986, lumea a produs 36.500 de tone de oxizi ai metalelor pământurilor rare. Dintre acestea, 17.000 de tone se află în SUA, 8.500 de tone în URSS și 6.000 de tone în China. În anii 1990, industria a fost modernizată în China, cu participarea statului. De la mijlocul anilor 1990, China a devenit cel mai mare producător. În 2007-2008, lumea a produs 124 de mii de tone de elemente de pământuri rare pe an. China a fost în frunte , producând până la 120 de mii de tone în câmpul Bayan-Obo , deținut de compania de stat Inner Mongolia Baotou Steel Rare-Earth. În India 2.700 de tone, Brazilia 650 de tone. În anii 2010, China a dus o politică de restricționare a extracției și exportului de metale din pământuri rare, ceea ce a stimulat creșterea prețurilor și a crescut producția în alte țări [4] .

La sfârșitul anului 2008, datele privind rezervele sunt următoarele: China 89 milioane tone, CIS 21 milioane tone, SUA 14 milioane tone, Australia (5,8 milioane tone), India 1,3 milioane tone, Brazilia 84 mii tone [5] .

În 2011, o echipă japoneză a descoperit zăcăminte de minereu de pământ rare pe podeaua Oceanului Pacific, testând mostre de sol din 80 de locații de la adâncimi de 3,5 până la 6 km. Potrivit unor estimări, aceste zăcăminte pot conține până la 80-100 de miliarde de tone de materiale de pământuri rare [6] [7] . Concentrația de elemente din minereu a fost estimată la 1-2,2 părți la mie pentru ytriu și până la 0,2-0,4 părți la mie pentru REE grele; cele mai bune zăcăminte subterane au o concentrație de ordin de mărime mai mare [8] [9] .

În URSS și Rusia

În URSS, extracția industrială a metalelor pământurilor rare se desfășoară încă din anii 1950 în RSFSR, în Kazahstan, Kârgâzstan, Estonia și Ucraina și a ajuns la 8.500 de tone pe an [3] . După prăbușirea URSS și colapsul industrial, lanțurile de producție pentru obținerea pământurilor rare au început să se destrame [10] . Acest lucru a fost facilitat de sărăcia relativă a minereurilor din principalele zăcăminte.

Vasta bază internă de materii prime de metale pământuri rare este legată în principal de zăcămintele de apatit - nefelină din regiunea Murmansk [11] .

Principalul producător de produse din pământuri rare din Rusia este uzina de magneziu Solikamsk . Întreprinderea produce efectiv semifabricate - carbonați și oxizi de samariu, europiu, gadoliniu, lantan, neodim, prometiu, ceriu [11] .

În 2010, Rosatom și Rostec au înființat un grup de lucru pe elementele pământurilor rare [3] . În 2013, Ministerul Industriei și Comerțului adoptă un program de dezvoltare a extracției elementelor pământurilor rare în valoare de 145 de miliarde de ruble. pana in 2020. În 2016, taxa de extracție a mineralelor pentru elementele pământurilor rare este resetata la zero [12] .

În 2014, a început dezvoltarea proiectelor de dezvoltare a celui mai mare zăcământ Tomtor din lume din Yakutia și construcția unei noi uzine hidrometalurgice Krasnokamensk în Teritoriul Trans-Baikal [13] . Începutul producției este programat pentru 2023. Se preconizează producerea a aproximativ 14.000 de tone de feroniob și aproximativ 16.000 de tone de oxizi REM [14] . În 2016, la uzina Novgorod a companiei Acron a fost lansat un magazin de prelucrare a minereurilor de apatită cu o capacitate de 200 de tone de oxizi separați ai elementelor pământurilor rare pe an [15] [16] [17] . În 2018, în orașul Korolev de lângă Moscova , a fost lansată o producție experimentală cu producerea de oxizi ai elementelor individuale: La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Nd 2 O 3 cu o capacitate de 130 de tone [18] . Este planificată reluarea producției unui ciclu complet cu o capacitate de până la 3600 de tone de oxizi separați pe baza fabricii de magneziu Solikamsk din regiunea Perm [19] .

Aplicație

Elementele pământurilor rare sunt utilizate în diferite ramuri ale tehnologiei: în radioelectronica , fabricarea de instrumente , inginerie nucleară, inginerie mecanică , industria chimică , metalurgie etc. La, Ce, Nd, Pr sunt utilizate pe scară largă în industria sticlei sub formă de oxizi. și alți compuși. Aceste elemente cresc transluciditatea sticlei . Elementele din pământuri rare fac parte din ochelarii cu scop special care transmit razele infraroșii și absorb razele ultraviolete , ochelarii rezistenti la acizi și la căldură. Elementele pământurilor rare și compușii acestora au câștigat o mare importanță în industria chimică, de exemplu, în producția de pigmenți, lacuri și vopsele și în industria petrolului ca catalizatori . Elementele din pământuri rare sunt folosite la producerea unor explozivi , oţeluri speciale şi aliaje , ca gettere . Compuși monocristalnici ai elementelor din pământuri rare (precum și ochelari) sunt utilizați pentru a crea laser și alte elemente optic active și neliniare în optoelectronică. Pe baza Nd, Y, Sm, Er, Eu cu Fe-B, se obțin aliaje cu proprietăți magnetice record (forțe de magnetizare și coercitive mari) pentru a crea magneți permanenți de o putere enormă, în comparație cu feroaliaje simple.

Consumul de metale din pământuri rare în Rusia este acum de aproximativ 2.000 de tone pe an. Aproximativ 70% este folosit în electronică, mai multe sute de tone pe an sunt necesare și pentru producerea de catalizatori pentru rafinarea petrolului, o cantitate mai mică este folosită în producția de magneți și optice. În general, doar aproximativ un sfert din metalele pământurilor rare din Rusia este utilizat pentru producția de produse civile, restul - pentru producția de produse militare-tehnice. Principalii consumatori de metale rare din Rusia sunt întreprinderile care fac parte din structura Rostec: Roselectronics, United Engine Corporation, Shvabe holding etc. [11] .

Acțiunea fiziologică și toxicologia metalelor pământurilor rare

Multe elemente de pământuri rare nu joacă un rol biologic pronunțat în corpul uman (de exemplu, scandiu , iterbiu , lutețiu , tuliu și altele). Toxicitatea sistemică a multor metale pământuri rare este scăzută.

Vezi și

Note

  1. ↑ Kogan B. I. Pământuri rare // Natură. 1961. Nr 12. S. 26-34.
  2. ↑ Nickel E.Kh., Grice D.D. KNMNM MMA: reguli și linii directoare pentru nomenclatura mineralelor, 1998  // ZVMO (Notele Societății Mineralogice All-Russian). - 1999. - Nr. 2 . - S. 61 .
  3. ↑ 1 2 3 Călătorie către pământurile rare . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2017.
  4. ↑ SUA va da în judecată pământurile rare din China . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2017.
  5. ↑ REZUMAT DE MĂRFURI MINERALE 2009 . Consultat la 5 octombrie 2009. Arhivat din original la 14 iunie 2010.
  6. ↑ Artyom Terekhov. Japonia a descoperit zăcăminte uriașe de materiale cu pământuri rare . 3DNews (4 iulie 2011). Consultat la 25 februarie 2017. Arhivat din original pe 26 februarie 2017.
  7. ↑ Depozite uriașe de pământuri rare găsite în Pacific: experți japonezi | Reuters . Consultat la 17 septembrie 2017. Arhivat din original la 18 septembrie 2017.
  8. ↑ Noroiul de adâncime în Oceanul Pacific ca o resursă potențială pentru elementele pământurilor rare
  9. ↑ https://www.mayerbrown.com/Files/Publication/856c8826-2823-425a-b4df-b4603e4585b1/Presentation/PublicationAttachment/e45fc80e-0207-4e7a-8c13-b4df-b4603e4585b1/Presentation/PublicationAttachment/e45fc80e-0207-4e7a-8c13-e7a-8c13-b6ea7a394-e13-e13a-8c13-e-2-2-a-8c13-e-b6ea7-13-13-2013 _ _ _ _ depozitele marine conțin în mod obișnuit o concentrație de 0,2 la sută de pământuri rare; depozitele de pe uscat pot avea concentrații de 5 până la 10 la sută”
  10. ↑ Sevredmet părăsește piața . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2017.
  11. ↑ 1 2 3 Șapte cântărind un as - ExpertRU . Consultat la 20 noiembrie 2018. Arhivat din original pe 20 noiembrie 2018.
  12. ↑ Ministerul Industriei și Comerțului va anula taxa pentru extracția staniului și a metalelor pământurilor rare . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2017.
  13. ↑ JV a Rostec și grupul ICT vor procesa minereuri din metale rare . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2017.
  14. ↑ TriArc Mining . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2017.
  15. ↑ Elemente din pământuri rare (link inaccesibil) . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2017. 
  16. ↑ Rusia a fost prima din lume care a învățat cum să extragă metale rare din minereu de apatită . Preluat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2017.
  17. ↑ Rareori, dar pe măsură: Acron umple piața internă a metalelor pământurilor rare . Preluat la 8 iulie 2020. Arhivat din original la 8 iulie 2020.
  18. ↑ Mișcarea publică rusă „Renașterea Epocii de Aur”. În Korolyov, lângă Moscova, a fost deschisă producția de concentrate de metale din pământuri rare . RuAN - Agentia Rusa de Presari. Preluat la 21 februarie 2019. Arhivat din original la 15 aprilie 2019.
  19. ↑ SMZ estimează modernizarea producției de metale rare și pământuri rare la 6-7 miliarde de ruble. . Consultat la 4 octombrie 2017. Arhivat din original la 5 octombrie 2017.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 Metale pământuri rare
P ↓ G →                             3
patru   sc
5   Y
6 La Ce Relatii cu publicul Nd P.m sm UE Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb lu
Lantanide metale de tranziție
 Tabelul periodic
Formate
Lista articole de către
Grupuri
Perioadele
Familii
de elemente chimice
Bloc tabel periodic
Alte
  • Tabel periodic
  • Categorie:Sistem periodic
  • Portal: Chimie
  • {{ Sistem periodic de elemente }}