Рідкісні елементи

Рі́дкісні елеме́нти — умовна назва групи хімічних елементів.

Серед них виділяють:

• легкі (Li, Rb, Cs, Be),
• тугоплавкі (Ti, Zr, Hf, Re, V, Nb, Та, Mo, W),
• розсіяні (Ga, In, Tl, Ge, Se, Te, Re),
• рідкісноземельні (Sc, Y, La і лантаноїди),
• радіоактивні (Ро, Tc, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U, Pu, Np, Cm, Cf, Am та інші трансуранові елементи),
• інертні гази (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).

Така класифікація умовна, оскільки деякі елементи можуть бути віднесені одночасно до різних груп. Назва рідкісні елементи склалася історично: так називали елементи відносно нові в техніці або мало використовувані і освоєні. Причини порівняно пізнього відкриття і освоєння — мала поширеність і (або) розсіяність у земній корі більшості рідкісних елементів, а також технологічні труднощі вилучення з сировини і отримання у чистому вигляді низки рідкісних елементів. Вміст рідкісних елементів у земній корі не перевищує n•10⁻³−10⁻⁴%.

В міру збільшення виробництва і споживання (рідкісних елементів) термін «рідкісні елементи» втрачає своє первинне значення. Термін «рідкісні елементи» не означає, що поширеність даного елемента неодмінно мала (кларк «рідкісного» титану приблизно в 55 000 разів більший від кларку «нерідкісної» ртуті).

Тугоплавкі метали

Тугопла́вкі мета́ли — одна з груп металів, чия температура плавлення вища за температуру плавлення заліза (1539 °C).

До тугоплавких металів відносять титан, цирконій, гафній, ванадій, ніобій, тантал, хром, молібден, вольфрам, реній. Всі ці елементи (окрім хрому) відносяться до рідкісних металів, а реній — до розсіяних рідкісних металів. Високою температурою плавлення відзначаються також метали платинової групи та торій, але вони за технічною класифікацією не стосуються тугоплавких металів.

Велике значення тугоплавких металів, сплавів та елементів, пов'язано з їх винятково сприятливими властивостями та сукупностями ознак, притаманних для окремих тугоплавких металів.

Одна з найважливіших галузей застосування більшості тугоплавких металів — використання їх у вигляді сплавів у якості жаростійких матеріалів, насамперед в літакобудуванні, ракетній та космічній техніці, атомній енергетиці, високотемпературній техніці. Деталі зі сплавів тугоплавких металів водночас, зазвичай закривають жаростійкими покриттями (наприклад, ніобій окиснюється за температури вище 400 °C, тож для таких застосувань необхідне його захисне покриття, щоби запобігти крихкості сплаву). Тугоплавкі метали та їх сплави використовуються як конструкційні матеріали у машинобудуванні, суднобудуванні, електронній, електротехнічній, хімічній, атомній промисловості та в інших галузях техніки. Широке застосування мають оксиди і багато інших хімічних з'єднань тугоплавких металів.

Розсіяні елементи

Розсіяні елементи — група хімічних елементів (цезій, рубідій, кадмій,  скандій, ґалій, індій, талій, ґерманій, гафній, ванадій, селен, телур, реній), які містяться в земній корі переважно у вигляді домішок до мінералів, у складі мінеральних утворень чи металоорганічних сполук і попутно вилучаються з руд інших металів або вугілля, солей, фосфоритів та ін.

В земній корі вони знаходяться в розсіяному стані в інших мінералах. Самостійних промислових родовищ не утворюють, а видобуваються попутно при переробці руд інших корисних копалин. Ці метали відіграють надзвичайно важливу роль в сучасних галузях техніки. Входячи до складу багатьох сплавів, використовуються в радіопромисловості, радарних установках (германій і реній), в телерадіоапаратурі, в підшипниках, у виробництві фарб, в медицині для виготовлення лікувальних препаратів тощо. Основними джерелами їх видобутку є різноманітні руди: цезію і рубідію — гранітні пегматити, галію — алюмінієві руди (боксити), ренію — молібденовий концентрат, індій і кадмій видобувається зі сфалериту, германій — із золи кам'яного вугілля, селен і телур — із продуктів переробки мідних, поліметалічних і нікелевих руд та ін.

Розсіяні елементи власних родовищ не утворюють, їх в осн. отримують попутно при комплексній переробці руд ін. корисних копалин і мінеральних концентратів.

Рудами розсіяних елементів можуть бути мінерали:

• нефелін (Rb, Cs, Ga),
• апатит (Sr, TR),
• біотит (Li, Cr, Rb, Tl, Ga),
• світла слюда (Li, Rb, Cs, Tl, Ga),
• титаномагнетит, ільменіт (Sc, V),
• каситерит (Sc, In, Ga, Та, Nb),
• вольфраміт (Sc, Та, Nb),
• сфалерит (Cd, In, Ga, Tl, Ge),
• ґаленіт (Cd, Tl, Se, Te, Bi, Ag),
• халькопірит (Cd, In, Se, Te, Re, Ni, Pd, Pt, Rh, Ir, Ru, Os, Co, Bi),
• молібденіт (Re, Se, Te),
• пентландит (Pd, Pt, Rh, Co, Se, Te),
• антимоніт, кіновар (Tl, Se).

Розсіяні елементи в більшій або меншій мірі виявляють халькофільні (селен, телур, реній, ґерманій, кадмій, індій, талій, ґалій), літофільні і сидерофільні (ванадій, ґерманій, скандій, родій, рубідій), органофільні (ґерманій, ванадій і ін.) і гідрофільні (рубідій) геохімічні властивості. Геохімічні особливості елементів визначають їх металогенію і приуроченість до певних геол.-геохімічних груп і типів родовищ.

Рідкісноземельні елементи

Рі́дкісноземе́льні елеме́нти — хімічні елементи: Sc, Y, La і 14 елементів сімейства лантаноїдів — Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. Традиційно лантаноїди підрозділяють на дві підгрупи: церієву (Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu) та ітрієву (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). У геохімії прийнято Sc розглядати окремо від рідкісноземельних елементів.

Див. докладніше Рі́дкісноземе́льні елеме́нти

Етимологія та історія

Назва «рідкісноземельні елементи» склалася історично у зв'язку з тим, що у XIX ст. вони вважалися малопоширеними (що насправді неправильно), звідси «рідкісні», а «землі» — це старовинна назва важкорозчинних оксидів, характерних для цих елементів. У вільному вигляді рідкісноземельні елементи є типовими металами.

Практичне використання рідкісноземельних елементів розпочалося лише у XX ст., але розвивалося швидкими темпами. Сьогодні нараховується понад 100 галузей застосування рідкісноземельних елементів. Вони застосовуються в техніці, як легуючі добавки в різних сталях і сплавах, в електронних приладах, магнітних матеріалах і запалювальних сумішах, як каталізатори, акумулятори водню, в ядерній техніці. Більшість з них застосовується у вигляді змішаних сполук, оксидів та мішметалу (сплав на основі рідкісноземельних металів) як каталізатори при крекінгу нафти, у виробництві скла та кераміки, а також у металургії. На ці галузі припадає близько 70 % сумарного споживання рідкісноземельних елементів.

В кінці XX ст. швидко зростало споживання індивідуальних оксидів і металів у виробництві автокаталізаторів (Се, La), постійних магнітів (Nd, Sm), нікель-гідридних батарей (La та La-мішметал), телевізорів і люмінесцентних ламп (Y, Eu, Tb), волоконно-оптичних систем зв'язку (La, Er), оптоелектроніки (Tb, Dy, Er). Оксиди Pr, Ce застосовують у виробництві скла, La — в оптичному склі, Gd, Eu — в атомній техніці, Y — в надпровідній та металокераміці. Металічні Y, La, Nd використовуються для легування алюмінієвих, магнієвих та інших сплавів, в авіації та ракетній техніці. Є перспективи використання Но у надпровідній кераміці, яка у порівнянні з ітрієвою має вищу густину струму. Розвиваються також галузі застосування ітрієвих лантаноїдів: Er — в атомній енергетиці та виробництві волоконно-оптичних пристроїв; Tb, Dy, Gd, Sm — магнітострикційних сплавах; Nd, Gd, Er — у пристроях магнітного охолодження. Споживання рідкісноземельних елементів щорічно зростає на 10—15 % і складає сьогодні 75—80 тис. т.

Сьогодні елементи ітрієвої підгрупи застосовуються для виготовлення наночастинок з гарною біосумісністю. Це, наприклад, наночастинки на основі Gd (як то ортованадат гадолініуму), що можуть бути модифіковані Eu, Lu, Dy (задля отримання флуоресцентного випромінювання, що є корисним для новітніх методів МРТ), а також оболонкою з кремнезему для підвищення біосумісності або різноманітними лігандами для цілеспрямованого постачання наночастинок.

Поширення

Рідкісноземельні елементи зустрічаються практично у кожній гірській породі земної кори, але найбільшим є їх вміст у лужних породах. Вміст рідкісноземельних елементів в земній корі 2·10⁻² (% за масою), причому різні рідкісноземельні елементи поширені неоднаково — так для Tm — 2,7·10⁻⁵ мас.%, а для Се — 7·10⁻³ мас.%.

Відомо близько 100 рідкісноземельних мінералів, але як сировина для одержання рідкісноземельних елементів практичне значення мають фосфати — монацит (Ce, La)[PO₄], ксенотим YPO₄, флуоркарбонати — бастнезит Се[СО₃](F, OH) та ітросинхізит CaY (CeCO₃)₂F, складний оксид-лопарит NaCeTi₂O₆. Промисловими джерелами також є глинисті мінерали кори вивітрювання гранітів. Світові сировинні запаси рідкісноземельних елементів перевищують 90 млн т. Найбільшими запасами володіють Китай, США та Австралія.

На початку 2023 року, шведська гірничодобувна група LKAB заявила, що нещодавно розвідане родовище на крайній півночі Швеції містить понад 1 мільйон тонн оксидів рідкісноземельних елементів, тобто є найбільшим відомим у Європі родовищем рідкісноземельних елементів.

Продукцією первинного збагачення рідкісноземельних руд за кордоном є в основному чотири види концентратів:

• бастнезитові (60—70 і до 85 % рідкісноземельних оксидів, РЗО);
• монацитові (55—60 % РЗО);
• ксенотимові (понад 25 % Y₂O₃);
• концентровані розчини йонних руд (до 90 % РЗО).

Радіоактивні елементи

Радіоактивні елементи  — хімічні елементи, які не мають стабільних ізотопів, тобто всі ізотопи яких радіоактивні.

Зазвичай цим терміном часто називають будь-який елемент, в природній суміші якого є хоча б один радіоактивний ізотоп, тобто якщо елемент проявляє радіоактивність в природі.

Радіоактивними елементами є технецій, прометій, полоній і за суворого підходу, всі наступні за ним елементи в періодичній системі елементів. Більшість радіоактивних елементів належать до рядів урану та торію і до відгалужень від цих рядів, розпад переважної більшості яких завершується ізотопами свинцю. Всі синтезовані нині елементи є радіоактивними хімічними елементами.

Наступні елементи містять в природних сумішах хоча б один радіоактивний ізотоп: калій, кальцій, ванадій, германій, селен, рубідій, цирконій, молібден, кадмій, індій, телур, лантан, неодим, самарій, європій, гадоліній, лютецій, гафній, вольфрам, реній, осмій, платина, торій, уран (в список не внесені дочірні елементи з рядів урану та торію, такі як радій, радон і астат, а також елементи, які утворюються в атмосфері Землі під дією космічних променів, такі як вуглець-14).

Всі елементи, що йдуть за ураном, називаються трансурановими елементами. Є припущення, що деякі далекі трансуранові елементи можуть бути не радіоактивними або, у всякому разі, мати достатньо довгоживучі ізотопи, щоб бути присутніми у природі.

Багато радіоактивних елементів мають важливе практичне значення, зокрема уран і плутоній використовують як матеріал, що ділиться в атомних реакторах та в ядерній зброї, деякі радіоактивні елементи застосовують для виготовлення атомних електричних батарей з терміном безперервної роботи до кількох років, а найбільш довгоживучі природні ізотопи радіоактивних елементів використовуються в геохронології.

Література

1. Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.
2. Шпильовий Л. В. Роль рідкісних і рідкісноземельних металів у 5-6 технологічних устроях: перспективи України / Л. В. Шпильовий, В. С. Білецький // Геотехнології = Geotechnologies. — 2022. — Число 5. — С. 40-44.
3. U.S. Geological Survey, 2022, Mineral commodity summaries 2022: U.S. Geological Survey, 200 p.
4. Мінеральні ресурси України : Щорічник / С.І. Примушко ; В.Ф. Величко. — ДНВП «Геоінформ України». — Київ, 2021. — 270 с.
5. Тугоплавкі матеріали // Термінологічний словник-довідник з будівництва та архітектури / Р. А. Шмиг, В. М. Боярчук, І. М. Добрянський, В. М. Барабаш ; за заг. ред. Р. А. Шмига. — Львів, 2010. — С. 197. — ISBN 978-966-7407-83-4.
6. Шпильовий Л. В. Роль рідкісних і рідкісноземельних металів у 5-6 технологічних устроях: перспективи України / Л. В. Шпильовий, В. С. Білецький // Геотехнології = Geotechnologies. – 2022. – Число 5. – С. 40-44.
7. C. Borger: Alternative Methoden in der Schweinemast: Untersuchungen zum leistungssteigernden Potential Seltener Erden und zur Jodanreicherung im Gewebe durch die Verfütterung von Meeresalgen.
8. Paul Henderson: Rare earth element geochemistry. Elsevier, Amsterdam 1989, ISBN 0-444-42148-3.
9. Keith N. Delfrey: Rare earths - research and applications. Nova Science, New York 2008, ISBN 1-60456-218-8.

Автор

В. С. Білецький

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 12.04.2025