ELEMENTI RIJETKIH ZEMALJA

Međunarodna unija za čistu i primijenjenu kemiju (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) definirala je elemente (metale) rijetkih zemalja (REE) kao skupinu od sedamnaest kemijskih elemenata u periodnom sustavu, koju čine petnaest lantanoida (Napomena: Iako lantanoid znači 'poput lantana' i kao takav ne bi trebao uključivati lantan, uobičajeno je da se i on smješta u skupinu lantanoida.) plus skandij i itrij (Slika 1). Skandij i itrij smatraju se elementima rijetkih zemalja jer imaju tendenciju da se javljaju u istim rudnim ležištima kao i lantanoidi a pokazuju i slična kemijska svojstva. (Napomena: Iako u nekim tekstovima piše 'elementi rijetkih zemlji', u Anićevom rječniku hrvatskoga jezika piše da je genitiv od zemlja zemalja a ne zemlji.)

LREE i HREE

Slika 1. Elementi (metali) rijetkih zemalja obično se dijele na lake (LREE, Light Rare Earth Elements) i teške elemente rijetkih zemalja (HREE, Heavy Rare Earth Elements). → Preuzimanje slike visoke kvalitete

Najčešća podjela elemenata rijetkih zemalja je na lake (LREE, Light Rare Earth Elements) i teške elemente rijetkih zemalja (HREE, Heavy Rare Earth Elements). Definicija LREE i HREE temeljena je na elektronskoj konfiguraciji elemenata rijetkih zemalja. U lake RE spadaju elementi od atomskog broja 57, lantana, do elementa s atomskim brojem 64, gadolinija. Zajednička značajka LREE je povećanje broja nesparenih elektrona, od 0 do 7. U teške RE spadaju elementi od atomskog broja 65, terbija, do elementa s atomskim brojem 71, lutecija, plus itrij s atomskim brojem 39. Teški RE razlikuju od prvih osam po tome što svi imaju jedan ili više sparenih elektrona (spareni elektroni poništavaju svoje magnetske momente). LREE nemaju sparenih elektrona u vanjskoj ljusci. Itrij je uključen u HREE skupinu jer ima sličan ionski radijus i slična kemijska svojstva. Skandij, međutim, ne pokazuje dovoljno sličnosti ni s LREE ni s HREE da bi se smjestio u neku skupinu.

Rasprostranjenost i upotreba

Bez obzira na njihovo ime, elementi rijetkih zemalja (s izuzetkom radioaktivnog prometija) su relativno česti u Zemljinoj kori. Najrasprostranjeniji elementi RE prisutni su u sličnim koncentracijama kao i neki uobičajeni industrijski metali, kao što su krom, nikal, bakar ili olovo (Slika 2). Čak i najrjeđi od REE, tulij, je oko 200 puta češći u Zemljinoj kori od zlata. Međutim, za razliku od uobičajenih i plemenitih metala, REE se veoma rijetko koncentriraju u iskoristiva rudna ležišta.

Slika 2. Relativna rasprostranjenost kemijskih elemenata u Zemljinoj kontinentalnoj kori kao funkcija atomskog broja. Elementi rijetkih zemalja su označeni plavom bojom (U.S. Geological Survey, 2005). → Preuzimanje slike visoke kvalitete

Najveća ležišta metala rijetkih zemalja, u obliku bastanita i monacita, pronađena su u Kini i Sjedinjenim Američkim državama. Od 1965. do sredine osamdesetih, Mountain Pass u Kaliforniji, SAD, bio je glavni izvor REE. Nakon toga, od 1985., proizvodnja REE u Kini je tako naglo rasla da Kina danas kontrolira više od 90 % svjetske ponude REE minerala.

Razdvajanje metala rijetkih zemalja je veoma teško zbog njihovih sličnih kemijskih svojstava. Kemičari su prvi put uspjeli dobiti male količine elemenata rijetkih zemalja sumnjive čistoće frakcijskom kristalizacijom, iznimno napornom i dugotrajnom metodom. Američki kemičar Charles James (1880-1928) proveo je 15 000 rekristalizacija u nizu kako bi dobio tulijev bromat zadovoljavajuće čistoće. Početkom 1947. američki kemičar Frank Harold Spedding (1902-1984) i njegovi suradnici na Iowa State College objavili seriju radova o praktičnom načinu razdvajanja REE pomoću ion-izmjenjivačke kromatografije. Kao rezultat toga, kemičari su po prvi put mogli raditi sa značajnijim količinama čistih elemenata RE.

Elementi rijetkih zemalja neophodni su u širokoj lepezi visokotehnoloških proizvoda koji čine važan dio industrijske ekonomije u 21. stoljeću. Koliko su rijetke zemlje važne kazuje činjenica da su u mnogim zemljama, poput SAD-a i Japana, uvrštene u kategoriju strateških elemenata. Nepopunjena 4f orbitala daje im karakteristična svojstva luminiscencije, magnetizma i elektronike koja se mogu iskoristiti za razvoj mnogih novih materijala. Europij je, primjerice, nezamjenjiv kao crveni fosfor u TV i kompjuterskim monitorima. Cerij slično njemu vlada industrijom poliranja stakla.

Rijetke zemlje se često upotrebljavaju bez razdvajanja, primjerice u proizvodnji čelika za povećanje čvrstoće i obradivosti ili u magnezijevim legurama (mischmetall) u proizvodnji kremena za upaljače.

Dilema rijetkih zemalja

Ekstrakcija elemenata rijetkih zemalja je za okoliš jedan od najdestruktivnijih i najotrovnijih metalurgijskih postupaka. Intenzivno rudarenje rijetkih zemalja rezultira klizištima, zagađenim rijekama, onečišćenjem, pa čak i velikih nesrećama, uzrokujući velike štete za okoliš i ljudsku sigurnost i zdravlje. Prema statistici koja se provodi u Baotou, gdje se odvija primarna proizvodnja rijetkih zemalja u Kini, proizvodnja rijetkih zemalja u Baotou regiji, Unutrašnja Mongolija, proizvode oko 10 milijuna tona otpadnih voda svake godine, koje se ispuštaju bez učinkovitog prečišćavanja. Osim toga, za svaku tonu proizvedenih rijetkih zemalja proizvede se 2000 tona jalovine koja često sadrži radioaktivni torij.

U nastojanju da se smanji ovisnost o uvozu nafte i prirodnog plina, mnoge zemlje okreću se sve više i više zelenim tehnologijama, od kojih sve zahtijevaju obilje REE. Neodimij, jedan od najčešćih elemenata RE, je ključni dio permanentnih magneta koji se koriste u visokoefikasnim motorima i generatorima. Oko dvije tone neodimija potrebno je za svaku vjetrenu turbinu. Lantan je glavni sastojak baterija za hibridne automobile pa se u svakoj ekološkoj Toyoti Prius nalazi 15 kg. Terbij je esencijalan u proizvodnji niskoenergetskih svjetiljki a cerij u proizvodnji katalizatora. Ironično je da su REE, čija je proizvodnja tako ekološki opasna, neophodne za zelene tehnologije.

Kina, koja posjeduje jednu trećinu svjetskih rezervi iz kojih zadovoljava više od 90 % potreba za REE uvidjela je ekološke štete u rudarenju i preradi REE kao i opasnost od iscrpljivanja resursa. Zbog toga je kineska vlada provela niz mjera za poboljšanje održivog razvoja industrije. Uvođenje novih standarda smanjilo je izvoz rijetkih zemlja u prvoj polovici 2011 za 35 %, nakon čega je slijedilo smanjenje od 72 % u drugoj polovici godine. Iako je Kina tvrdila da to čini iz ekoloških razloga a ne zbog ekonomskog utjecaja, smanjenje izvoza izazvalo je veliki rast cijena.