Континент лантаноидов
Лантаноиды
От каждого - по потребностям
Лантаноидами или лантанидами называют 15 химических элементов, следующих в таблице Менделеева за лантаном. Обычно, чтобы сделать представление периодической таблицы более компактным, лантаноиды выносят в отдельную строчку внизу, как подстрочные примечания в книге.
Но это совсем не значит, что эти элементы второстепенные. В таблице Менделеева полное равноправие: каждый элемент важен и интересен. Тем более, что не известно, какое значение тот или иной элемент может приобрести в будущем.
Если к лантаноидам добавить ещё два элемента, скандий и иттрий, находящиеся в одном столбце Периодической таблицы с лантаном, получим весёлую семейку из 17 редкоземельных элементов. Вопреки названию, они весьма распространены в земной коре и их можно извлекать из рудных «хвостов» многих металлургических производств.
Но всего 60 лет назад всерьёз обсуждалась проблема: нужно ли это делать? Получение лантаноидов обходилось дорого, а перспективы применения этих металлов были неясны. Сейчас вопрос применения редкоземельных элементов решён, они востребованы в современной промышленности и чем дальше, тем больше эта потребность будет расширяться.
Для чего они нужны?
Применение редкоземельных металлов в промышленности
В 1970-х годах стоял вопрос о расширении применения редкоземельных металлов, поскольку их производство превышало спрос на них. Отрасли, где применяли редкоземельные элементы, были немногочисленными и выглядели, как небольшие островки в океане большой металлургии. Главными потребителями были химическая промышленность, где они выступали, как катализаторы, оптика (покрытие линз и оптических стёкол), а также создание люминофоров на основе лантаноидов.
Области применения редкоземельных металлов
С тех пор прошло много лет, и островки стали огромным континентом. Промышленность редкоземельных элементов стала большой и развитой отраслью, а потребности в самых разнообразных лантаноидах непрерывно растут.
Главной областью применения редкоземельных элементов является производство постоянных магнитов. В 1970-е годы началось производство мощных самарий-кобальтовых магнитов. Магнитная энергия магнитов на основе самария в 6 раз выше, а на основе неодима - в 10 раз выше, чем у прежних, ферритовых, магнитов. Кстати, именно с производства постоянных магнитов началось широкое промышленное применения самария.
Повышенная магнитная энергия в сплавах редкоземельных материалов обусловлена особенностями конфигурации электронной структуры лантаноидов. В лантаноидах электроны последовательно заполняют не внешнюю, а внутреннюю электронную оболочку, которая в квантовой механике обозначается, как 4f. Электроны, находящиеся на этой оболочке, не могут участвовать в химической связи. По этой причине редкоземельные элементы имеют очень схожие химические свойства, из-за чего химики в 19-м веке с большим трудом добивались их разделения. Зато электроны внутренних оболочек очень сильно взаимодействуют друг с другом. Из-за этого магнитные моменты атомов выстраиваются в одном направлении и возникает очень сильный магнитный момент. То есть материал становится магнитным. Особенно сильный магнитный эффект возникает в сплавах самария и кобальта, а также неодима, железа и бора. Эти магниты работают в электромоторах самых разных размеров, в ветряных турбинах и обычных силовых установках.
Постоянные редкоземельные магниты используют также в производстве жестких дисков для компьютеров, в лазерных проигрывателях, а также в высококачественных микрофонах.
Особые свойства лантаноидов позволяют создать на их основе уникальные магнитные материалы - молекулярные (а не металлические) магнетики. Для создания этих материалов требуется близко расположить несколько ионов лантаноидов
Иттриевые катализаторы используются при производстве полиэтилена. Лантан и церий используются как катализаторы в нефтехимическом производстве, И там, где нефтепродукты не производят, а наоборот, потребляют, лантаноидам тоже нашлась работа. Их снова используют как катализаторы, но уже для нейтрализации вредных автомобильных выхлопов. Кроме того, редкоземельные элементы добавляют в дизельное топливо, как присадку.
С начала 1960-х годов редкоземельные металлы используют в металлургии. Добавление в сталь лантана повышает ее пластичность, а в молибден - увеличивает термостойкость этого металла. Чугун, используемый при производстве автомобильных двигателей легируют церием для повышения его прочности. В расплав магния применяемого в авиационном двигателестроении также добавляют церий. Это увеличивает стойкость металла к высоким температурам,
Оксиды редкоземельных элементов для полировки стекла применяют с начала 1960-х годов. А когда появилась компьютерная промышленность
Неодим, празеодим и эрбий придают керамике самые удивительные цвета.
Одно из первых применений редкоземельного элемента лантана в оптике - покрытие им объективов для уменьшения внутреннего отражения и повышения светосилы. Эрбий и тербий также применяются в оптике, в лазерах и в осветительных приборах. Лантаноиды применяют для покрытия оптических волокон и увеличения их коэффициента полезного действия. Большинство редкоземельных элементов - прекрасные люминофоры. Люминесцентные метки на основе европия, вспыхивающие ярким цветом при облучении их ультрафиолетом, используются для защиты купюр евро от подделки.
Без редкоземельных элементов сейчас невозможно производить батареи и аккумуляторы, которые используются в мобильных телефонах, в компьютерах, в телевизорах и в электромобилях. И практически во всех военных приборах, например, в приборах ночного видения и различных прицелах используются соединения редкоземельных металлов.
Изотопы гадолиния и гольмия применяются для создания стержней в ядерных реакторах.
Гадолиний и его соединения, а также соединения многих других редкоземельных элементов используются для визуализации в медицине, например, при магнитно-резонансной томографии. Как ни странно, но недолго живущий прометий благодаря своим радиоактивным свойствам довольно широко применяется в медицине. Мне пришлось с ним столкнуться лет двадцать назад. После операции хирурги пожелали проконтролировать мою кровеносную и лимфатическую систему. Через полчаса после приёма внутрь какого-то соединения прометия я стал к специальному экрану и за несколько минут специалисты получили все требуемые фотоснимки.
Где их добывают?
Как известно, первые редкоземельные элементы были обнаружены в 1787 году в шведском городке Иттербю недалеко от Стокгольма.
По мере расширения спроса на редкоземельные элементы, возрастало и предложение. Месторождение редкоземельных элементов Mountain Pass Mine в США было открыто в 1949 году. В начале 1980-х годов США держали мировое лидерство по производству редкоземельных элементов. Однако в 1998 году месторождение в Mountain Pass Mine было закрыто по требованиям охраны окружающей среды.
В настоящее время геологи считают, что 36.7% всех мировых запасов редкоземельных элементов принадлежит Китаю. Далее следуют Вьетнам, Бразилия и Россия. Каждой из этих стран принадлежит от 15 до 20 процентов мировых запасов.
Статья опубликована на сайте Жизнь замечательных имён
Полезные ссылки: