ELEMENTI DI TERRE RARE

L'Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) ha definito gli elementi (metalli) di terre rare (REE) come un gruppo di diciassette elementi chimici nella tavola periodica, costituito da quindici lantanoidi (Nota: Anche se lantanoide significa "come lanthanum" e come tale non dovrebbe includere lantanio, di solito si colloca nel gruppo dei lantanoidi.) più lo scandio e l'ittrio (Figura 1). Lo scandio e l'ittrio sono considerati elementi di terre rare perché tendono a verificarsi negli stessi depositi di minerali come i lantanoidi e presentano delle proprietà chimiche simili.

LREE e HREE

Figura 1 Elementi (metalli) di terre rare si dividono negli elementi leggeri (LREE, Light Rare Earth Elements) e elementi pesanti di terre rare (HREE, Heavy Rare Earth Elements). → Scarica l'immagine di alta qualità

Gli elementi di terre rare sono spesso descritti come un elemento di terre rare di gruppo leggero (LREE) o un elemento di terre rare di gruppo pesante (HREE). La definizione di LREE e HREE è basata sulla configurazione elettronica di ciascun elemento di terre rare. Il LREE è definito come lantanio del numero atomico 57 e come gadolinio del numero atomico 64. Il tratto comune dei LREE è l'aumento del numero degli elettroni spaiati, da 0 a 7. Al gruppo degli elementi pesanti di terre rare appartengono gli elementi dal numero atomico 65, dal terbio, all'elemento del numero atomico 71, il lutezio, più l'ittrio del numero atomico 39. Gli elementi pesanti di terre rare si differenziano dai primi otto in base al fatto che hanno uno o più elettroni appaiati (gli elettroni appaiati annullano i suoi momenti magnetici). I LREE non hanno degli elettroni appaiati nel guscio esterno. L'ittrio è incluso nel gruppo del HREE perché hanno il raggio ionico simile e le proprietà chimiche simili. Lo scandio non mostra abbastanza similarità né con LREE né HREE per collocarlo in un gruppo.

La distribuzione e l'uso

Indipendentemente dal loro nome, gli elementi delle terre rare (ad eccezione di promezio radioattivo) sono relativamente comuni nella Crosta terrestre. Gli elementi più abbondanti RE sono presenti nelle concentrazioni simili nonché alcuni metalli industriali comuni come cromo, nichel, rame o piombo (Figura 2). Anche il più raro dei REE, tullio, è di circa 200 volte più comune nella crosta terrestre che l'oro. Tuttavia, a differenza dei metalli preziosi e consueti, REE sono raramente concentrati in depositi di minerali sfruttabili.

Figura 2 La distribuzione relativa degli elementi chimici nella Crosta terrestre come la funzione del numero atomico. Gli elementi di terre rare sono indicati con il colore blu (U.S. Geological Survey, 2005). → Scarica l'immagine di alta qualità

I maggiori giacimenti di metalli delle terre rare, in forma bastasnite e monazite sono stati trovati in Cina e negli Stati Uniti. Dal 1965 alla metà degli anni ottanta, Mountain Pass, California, Stati Uniti d'America, è stata la principale fonte di REE. Dopo di che, dal 1985, la produzione di REE in Cina è in crescita rapida che la Cina ora controlla oltre il 90% della fornitura mondiale di minerali REE.

La separazione dei metalli delle terre rare è molto difficile a causa delle loro proprietà chimiche simili. I chimici per la prima volta sono riusciti a ottenere una piccola quantità di elementi delle terre rare di dubbia purezza per la cristallizzazione frazionata, un metodo molto faticoso e di lunga durata. Il chimico americano Charles James (1880-1928) ha condotto 15.000 ricristallizzazioni in fila per ottenere il bromato di tulio di una purezza soddisfacente. All'inizio del 1947, il chimico americano Harold Frank Spedding (1902-1984) e i suoi collaboratori all' Iowa State College hanno pubblicato una serie di articoli sul modo pratico di separazione delle terre rare per cromatografia a scambio ionico. Come risultato, i chimici hanno per la prima volta in grado di operare con quantità significative di elementi puri RE.

Gli elementi di terre rare sono essenziali in una vasta gamma di prodotti high-tech, che sono una parte importante dell'economia industriale nel 21°secolo. L'importanza di terre rare si nota nel fatto che in molti paesi, come gli Stati Uniti e il Giappone, sono inclusi nella categoria di elementi strategici. L'orbitale vacante 4F dà loro le proprietà caratteristiche di luminescenza, il magnetismo e l'elettronica, che può essere utilizzato per lo sviluppo di molti nuovi materiali. L'europio è, ad esempio, indispensabile come un fosforo rosso in TV e monitor di computer. Il cerio, come europio, è indispensabile nell'industria di lucidatura di vetro.

Gli elementi di terre rare si utilizzano spesso senza separazione, ad esempio nella produzione dell'acciaio per l'aumento della forza e la lavorabilità oppure nelle leghe di magnesio o (Mischmetall) nella produzione di accendini.

Dilemma delle terre rare

Dal punto di vista ambientale l'estrazione degli elementi delle terre rare è una delle procedure metallurgiche più velenose e più distruttive. L'estrazione intensiva degli elementi di terre rare risulta in frane, fiumi inquinati, l'inquinamento, anche negli incidenti enormi, provocando danni all'ambiente, alla sicurezza umana e alla salute. Secondo le statistiche condotte a Baotou, dove viene effettuata la produzione primaria di terre rare in Cina, la produzione di terre rare nella regione di Baotou della Mongolia Interna, la produzione di circa 10 milioni di tonnellate di acque reflue ogni anno, che vengono scaricate senza purificazione efficace. Inoltre, per ogni tonnellata delle terre rare, si producono 2000 tonnellate di sterili che spesso contengono il torio radioattivo.

Nel tentativo di ridurre la dipendenza dalle importazioni di petrolio e gas naturale, molti paesi si stanno rivolgendo a tecnologie sempre più verdi, i quali richiedono una grande varietà di REE. Il neodimio, uno dei più comuni elementi RE, è una parte fondamentale dei magneti permanenti utilizzati nei motori ad elevata efficienza e generatori. Circa due tonnellate di neodimio sono necessarie per ogni turbina eolica. Il lantanio è l'elemento principale di batterie per auto ibride, ed in ogni ecologica Toyota Prius si trova 15 kg del lantanio. Il terbio è essenziale nella produzione di lampade a bassa energia e cerio nella produzione dei catalizzatori. È paradossale che il REE, la cui produzione è pericolosa per l'ambiente, è indispensabile per la tecnologia green.

La Cina, che possiede un terzo delle riserve mondiali di cui si soddisfa più del 90% della domanda di REE, ha riconosciuto il danno ambientale nell'estrazione e lavorazione di REE, così come il rischio di esaurimento delle risorse. Pertanto, il governo cinese ha attuato una serie di misure per migliorare lo sviluppo sostenibile del settore. L'introduzione dei nuovi standard ha ridotto l'esportazione di terre rare nella prima metà del 2011 del 35%, seguita da riduzione del 72% nella seconda parte dell'anno. Anche se la Cina ha sostenuto che lo fa per motivi ambientali e non per l'impatto economico, la riduzione delle esportazioni ha causato un forte aumento dei prezzi.