Redki zemeljski elementi: definicija, lastnosti, uporaba in viri

Tukaj je tabela s sedemnajstimi redkimi zemeljskimi elementi, njihovim atomskim številom in simbolom, izvorom njihovih imen in nekaterimi načini uporabe. Nekateri redki zemeljski elementi so poimenovani po znanstvenikih, ki so jih odkrili, nekateri pa so poimenovani glede na kraj odkritja.

Redki zemeljski elementi so težji od železa. Nastanejo v supernovah (eksplozijah zvezd). V naravi pri cepitvi urana-238 nastanejo zelo majhne količine radioaktivnega prometija. Večino promethija sintetično ustvarijo v jedrskih reaktorjih.

Redki zemeljski elementi se skozi čas spreminjajo v majhnih količinah (ppm, parts per million). Njihov delež lahko uporabimo za geološko datiranje in datiranje fosilov.

Redke zemeljske elemente pogosto najdemo skupaj. Najdlje živeči izotop promethija ima razpolovno dobo 17,7 leta. Zaradi tega je element v naravi prisoten le v zelo majhnih količinah. Prometij je eden od dveh elementov, ki nimata stabilnih (neradioaktivnih) izotopov in jima sledijo stabilni elementi (drugi je tehnecij).

Ker so si vsi lantanoidi po velikosti blizu, je bilo redke zemeljske elemente vedno težko ločiti. Celo po eonih geološkega časa je ločevanje lantanoidov v naravi le redko prišlo dlje od ločevanja lahkih in težkih lantanoidov, znanih tudi kot cerijeva in itrijeva zemlja. To geokemično ločevanje se kaže v prvih dveh odkritih redkih zemljah. To sta bila itrij leta 1794 in cerij leta 1803. Ob prvem odkritju je bil vsak od njih mešanica vseh redkih zemelj. Velika rudna telesa cerijevih zemljin je mogoče najti po vsem svetu in se izkoriščajo. Rudna telesa itrija so redkejša. Prav tako so običajno manjša in manj koncentrirana.

Do leta 1948 je večina redkih zemelj izhajala iz nahajališč peska v Indiji in Braziliji. V petdesetih letih prejšnjega stoletja je Južna Afrika kopala večino redkih zemeljskih kovin na svetu. To se je zgodilo, ko so tam našli velike žile minerala, ki vsebuje redke zemljine. Od šestdesetih do osemdesetih let prejšnjega stoletja je bil glavni proizvajalec rudnik v Kaliforniji. Danes iz indijskih in južnoafriških nahajališč še vedno pridobivajo nekaj koncentratov redkih zemelj, vendar so ti zelo majhni v primerjavi s količino, ki se proizvaja na Kitajskem. Kitajska je proizvedla več kot 95 % svetovne zaloge redkih zemelj. Večino tega je naredila v Notranji Mongoliji, čeprav je imela le 37 % dokazanih zalog. Čeprav naj bi se ti številki do leta 2012 zmanjšali na 90 % in 23 %. Vse težke redke zemlje na svetu (kot je disprozij) izvirajo iz kitajskih virov redkih zemelj, kot je polimetalno nahajališče Bayan Obo. Leta 2010 je Geološki zavod Združenih držav Amerike (USGS) objavil študijo, v kateri je ugotovil, da imajo Združene države Amerike 13 milijonov metričnih ton redkih zemeljskih elementov.

Novo povpraševanje po teh elementih je večje od njihove ponudbe. Svet se lahko kmalu sooči s pomanjkanjem redkih zemeljskih elementov. V nekaj letih od leta 2009 naprej naj bi bilo svetovno povpraševanje po redkih zemeljskih elementih vsako leto za 40.000 ton večje od ponudbe, če ne bodo razviti novi viri.

Kitajska

Ti pomisleki so se povečali zaradi dejanj Kitajske. Kitajska je izjavila, da bo uvedla predpise za izvoz in si prizadevala za ustavitev tihotapljenja. Kitajska je 1. septembra 2009 sporočila, da bo v obdobju 2010-2015 zmanjšala izvoz na 35 000 ton na leto. Kitajska je dejala, da je to storila zaradi ohranjanja redkih virov in varovanja okolja. Dne 19. oktobra 2010 je časnik China Daily poročal, da bo Kitajska "naslednje leto še dodatno zmanjšala kvote za izvoz redkih zemelj za največ 30 odstotkov, da bi zaščitila plemenite kovine pred prekomernim izkoriščanjem". Konec leta 2010 je Kitajska sporočila, da bo prvi krog izvoza redkih zemelj v letu 2011 znašal 14 446 ton. To je bilo 35-odstotno zmanjšanje v primerjavi s prvim krogom izvoza leta 2010. Septembra 2011 je Kitajska sporočila, da ustavlja proizvodnjo v treh od svojih osmih rudnikov redkih zemelj. Ti rudniki so proizvedli skoraj 40 % celotne kitajske proizvodnje redkih zemelj. Avgusta 2012 je Kitajska sporočila, da se bo proizvodnja zmanjšala še za 20 %.

Zunaj Kitajske

Zaradi povečanega povpraševanja in omejitev izvoza kovin iz Kitajske nekatere države kopičijo zaloge redkih zemelj. Iskanje novih virov poteka v Avstraliji, Braziliji, Kanadi, Južni Afriki, Tanzaniji, Grenlandiji in Združenih državah Amerike. Rudnike v teh državah so zaprli, ko je Kitajska v devetdesetih letih prejšnjega stoletja znižala svetovne cene. Ponovni zagon proizvodnje bo trajal nekaj let.

Evropska unija je danski protektorat Grenlandijo pozvala, naj omeji kitajski razvoj projektov na področju redkih zemelj, saj Kitajska predstavlja 95 odstotkov trenutne svetovne ponudbe. V začetku leta 2013 je grenlandska vlada sporočila, da ne namerava uvesti takšnih omejitev.

Drugi možen vir redkih zemeljskih ali drugih elementov je predelava jedrskega materiala. Pri jedrski cepitvi urana ali plutonija nastanejo številni elementi in vsi njihovi izotopi. Vendar ni verjetno, da bi jih bilo mogoče ustvariti varno in ekonomično zaradi radioaktivnosti številnih teh izotopov.

Recikliranje

Drugi vir redkih zemelj so elektronski odpadki in drugi odpadki, ki vsebujejo veliko redkih zemeljskih sestavin. Z novim napredkom v tehnologiji recikliranja je pridobivanje redkih zemelj iz teh materialov lažje. Obrati za recikliranje trenutno delujejo na Japonskem, kjer je v neuporabljeni elektroniki približno 300 000 ton redkih zemelj. V Franciji skupina Rhodia vzpostavlja dve tovarni v La Rochelle in Saint-Fons. Ti tovarni bosta letno proizvedli 200 ton redkih zemelj iz rabljenih fluorescenčnih sijalk, magnetov in baterij.

Geopolitični vidiki

Kitajska je izjavila, da sta izčrpanost virov in skrb za okolje razloga za okrepljen nadzor nad proizvodnjo redkih zemeljskih mineralov po vsej državi. Za razlago kitajske politike na področju redkih zemelj so bili predlagani tudi razlogi, ki niso povezani z okoljem. Po navedbah revije The Economist "gre pri zmanjševanju izvoza redkih zemeljskih kovin ... za premik kitajskih proizvajalcev po dobavni verigi navzgor, da bi lahko svetu prodajali dragocene končne izdelke in ne poceni surovine."

Ameriško ministrstvo za energijo je v svojem poročilu o strategiji za kritične materiale iz leta 2010 opredelilo disprozij kot element, ki je najbolj kritičen z vidika odvisnosti od uvoza.

Poročilo "China's Rare-Earth Industry", ki sta ga leta 2011 izdala Geološki zavod ZDA in Ministrstvo za notranje zadeve ZDA, obravnava industrijske trende na Kitajskem. Obravnava nacionalne politike, ki lahko usmerjajo prihodnjo proizvodnjo v državi. Poročilo navaja, da se je vodilni položaj Kitajske pri proizvodnji mineralov redkih zemelj v zadnjih dveh desetletjih povečal. Leta 1990 je Kitajska proizvedla le 27 % teh mineralov. Leta 2009 je svetovna proizvodnja znašala 132.000 ton. Kitajska je proizvedla 129.000 teh ton. Po navedbah poročila nedavni vzorci kažejo, da bo Kitajska upočasnila izvoz teh materialov v svet: "Zaradi povečanega domačega povpraševanja je vlada v zadnjih nekaj letih postopoma zmanjšala izvozno kvoto." Leta 2006 je Kitajska dovolila izvoz 47 domačim proizvajalcem in trgovcem z redkimi zemeljskimi kovinami ter 12 kitajsko-tujih proizvajalcev redkih zemeljskih kovin. Do leta 2011 je bilo le še 22 domačih proizvajalcev in trgovcev z redkimi zemeljskimi kovinami ter 9 kitajskih in tujih proizvajalcev redkih zemeljskih kovin. Vlada bo s svojimi prihodnjimi politikami verjetno še naprej izvajala strog nadzor: "V skladu z osnutkom kitajskega razvojnega načrta za redke zemeljske kovine bo letna proizvodnja redkih zemeljskih kovin v obdobju od leta 2009 do 2015 omejena na 130 000 do 140 000 ton. Izvozna kvota za izdelke iz redkih zemelj lahko znaša približno 35 000 [metričnih ton], vlada pa lahko dovoli izvoz redkih zemelj 20 domačim proizvajalcem in trgovcem z redkimi zemeljami."

Geološki zavod Združenih držav Amerike v južnem Afganistanu išče nahajališča redkih zemeljskih kovin pod zaščito ameriških vojaških sil. Od leta 2009 USGS izvaja raziskave na daljavo in terensko delo, da bi preveril sovjetske trditve, da v provinci Helmand v bližini vasi Khanneshin obstajajo vulkanske kamnine, ki vsebujejo redke zemeljske kovine. USGS je v središču ugaslega vulkana našel območje kamnin z lahkimi redkimi zemeljskimi elementi, vključno s cerijem in neodimom. Na zemljevidu je popisala 1,3 milijona ton uporabnih kamnin. To je približno 10 let oskrbe ob trenutni ravni povpraševanja. Pentagon je ocenil, da je njegova vrednost približno 7,4 milijarde dolarjev.

Cene redkih zemljin

Z redkimi zemeljskimi elementi se ne trguje na borzi na enak način kot s plemenitimi (na primer z zlatom in srebrom) ali barvnimi kovinami (kot so nikelj, kositer, baker in aluminij). Namesto tega se prodajajo na zasebnem trgu. Zaradi tega je njihove cene težko spremljati in slediti. Kljub temu so cene redno objavljene na spletnih straneh, kot je mineralprices.com. 17 elementov se običajno ne prodaja v čisti obliki. Običajno se prodajajo v mešanicah različne čistosti, npr. "kovinski neodim ≥ 99,5 %". zato se lahko cene razlikujejo glede na količino in kakovost, ki jo zahteva končni uporabnik.