Редкоземельные элементы — пятнадцать почти идентичных металлов, которые незаметно обеспечивают работу современных технологий
От лантана до лютеция: пятнадцать мягких серебристых металлов, настолько похожих по химическим свойствам, что их разделение более века оставалось нерешённой задачей для химиков. На самом деле они не редки. Они есть в вашем телефоне, наушниках, ветряной турбине и МРТ-сканере.
Выделено в периодической таблице
Каждый элемент
Что их определяет
Заполняемые 4f-орбитали находятся *под* внешними электронами и экранированы от внешнего мира. Химия почти не замечает, какая именно 4f-орбиталь занята, поэтому все пятнадцать элементов ведут себя почти одинаково — и поэтому разделить их так сложно.
В пределах ряда атомы постепенно уменьшаются по мере добавления протонов, а диффузные 4f-электроны плохо экранируют заряд ядра. Совокупный эффект настолько велик, что достигает следующего периода: гафний оказывается того же размера, что и расположенный выше него цирконий, поэтому химически их почти невозможно различить.
Почти все образуют ионы со степенью окисления +3. Церий также может иметь +4, а европий — +2; именно эти два исключения помогли химикам научиться отделять их от остальных.
Периодические закономерности
Ионный радиус плавно уменьшается от лантана до лютеция. Магнитные моменты достигают максимума в середине ряда, где имеется больше всего неспаренных f-электронов, — поэтому неодим и диспрозий играют ведущую роль в технологиях постоянных магнитов.
В мире
Самые сильные постоянные магниты из когда-либо созданных. Магниты Nd-Fe-B используются в наушниках, жёстких дисках, электродвигателях и ветряных турбинах.
Добавляются в неодимовые магниты, чтобы те продолжали работать при температурах в моторном отсеке. Поэтому эти материалы являются объектом стратегического соперничества.
Красные и синие люминофоры в дисплеях и люминесцентных лампах; европий также создаёт защитное свечение на банкнотах евро.
Контрастное вещество, делающее мягкие ткани видимыми при МРТ, а также самое большое сечение захвата нейтронов среди всех стабильных нуклидов.
Каталитические нейтрализаторы, полировка стекла и кремень в каждой одноразовой зажигалке.
Добавленный в оптическое волокно, он непосредственно усиливает свет — именно это делает возможной работу межконтинентальных интернет-кабелей.
Обращение
Низкая или умеренная токсичность в виде металлов и простых солей, хотя мелкие порошки пирофорны и легко горят. Настоящая проблема — извлечение: руды редкоземельных элементов содержат торий и уран, поэтому переработка образует радиоактивные хвосты, а для химического разделения требуются большие объёмы кислоты. Прометий радиоактивен и не имеет стабильных изотопов.
Полезно знать
Часто задаваемые вопросы
Потому что, когда их открыли, их действительно было трудно получать: они никогда не встречаются в концентрированном виде в одной руде, залегают вперемешку, и разделить их было почти невозможно. «Земля» — старый термин для оксида. Название отражает трудности XVIII века, а не геологическую редкость.
Их химические свойства почти одинаковы, потому что добавляемые 4f-электроны находятся под внешними оболочками и почти не участвуют в образовании связей. Каждый из них образует ион со степенью окисления +3 и почти одинаковым размером. Современное разделение основано на сотнях последовательных стадий экстракции растворителем, использующих крошечные различия в ионном радиусе, — лантаноидное сжатие является единственным доступным для этого инструментом.
Неодим — самый значимый по экономической ценности. Магниты Nd-Fe-B используются в каждом двигателе электромобиля, генераторе ветряной турбины, жёстком диске и наушниках. Диспрозий занимает второе место, поскольку именно он сохраняет работоспособность этих магнитов при нагревании, а его поставки сосредоточены в очень немногих местах.
Продолжить