Доскоро привличащи вниманието само на специалистите, днес редкоземните елементи се превърнаха в ключов фактор за развитието на много съвременни технологии и дори залог за световния мир.

Редкоземните елементи са незаменими за модерната индустрия и прехода към възобновяеми източници на енергия, което ги прави стратегически ресурс с нарастващо геополитическо значение. Има постоянен научен интерес към разработване на по-екологични методи за добив и рециклиране, както и да се търсят нови находища (дори в космоса), което да намали зависимостта от ограничените първични източници.

Какво може да ни разкажат за редкоземните елементи химиците, геолозите и технолозите?

Редкоземните химически елементи

Редкоземните елементи са група от 17 метала в периодичната таблица, включващи 15-те лантаноиди, наричани и лантаниди (от лантан до лутеций), плюс скандий и итрий, тъй като по принцип се срещат сред същите рудни находища като лантанидите и проявяват сходни химични свойства, макар да имат различни електронни и магнитни свойства.

17-те редкоземни елемента от системата на елементите. Кредит: Wikimedia Commons

Седемнадесетте редкоземни елемента са: церий (Ce), диспросий (Dy), ербий (Er), европий (Eu), гадолиний (Gd), холмий (Ho), лантан (La), лутеций (Lu), неодим (Nd), празеодим (Pr), прометий (Pm), самарий (Sm), скандий (Sc), тербий (Tb), тулий (Tm), итербий (Yb) и итрий (Y). Те често съпътстват минералите на тория (Th), а понякога и тези на урана (U).

Те не са толкова „редки“, колкото подсказва името им - много от тях са разпространени в земната кора, но обикновено се намират в ниски концентрации и рядко се събират в икономически изгодни залежи.

Свойства и характеристики

Физични свойства: Висока електропроводимост, магнитни способности, термична стабилност.

Цветове и оптични свойства: Уникални спектрални свойства, които ги правят ценни за лазери, дисплеи и флуоресцентни лампи.

Химични свойства: Склонност към окисление, лесно образуване на йони с +3 заряд, сходно поведение между елементите (особено лантанидите).

Образци на лантаниди. Кредит: Wikimedia Commons

Скандий, итрий и лантанидите имат висока реактивност. Химическата активност на тези елементи е особено забележима при повишени температури. Когато се нагреят до 300–400 °C, металите реагират дори с водород, образувайки RH3и RH2 (символът R представлява атом на редкоземен елемент). Тези съединения са доста здрави и се смятат за соли. При нагряване в кислород металите лесно реагират с него, образувайки оксиди: R2O3, CeO2, Pr6O11, Tb4O7 (само Sc и Y, заради образуването на защитен оксиден филм, са стабилни на въздух, дори при нагряване до 1000°C). Когато тези метали горят в кислородна атмосфера, се отделя голямо количество топлина. При изгаряне на 1г лантан се отделят 224,2 kcal топлина. Характерна особеност на церия е неговата пирофорност, способността да изпуска във въздуха искри при рязане на метал.

Лантан, церий и другите метали реагират с вода и неокисляващи киселини дори при нормални температури, освобождавайки водород. Поради високата си реактивност към атмосферния кислород и вода парчетата лантан, церий, празеодим, неодим и европий трябва да се съхраняват в парафин; останалите редкоземни метали се окисляват слабо (с изключение на самария, който е покрит с оксиден филм, но не корозира напълно) и могат да се съхраняват при нормални условия без антиоксиданти.

Защо са събрани в една група?

Редкоземните елементи се различават от другите елементи по това, че когато се разглеждат аналитично, те са практически неразличими и имат почти едни и същи химични свойства.

Въпреки това, по отношение на техните електронни и магнитни свойства, всеки заема уникална технологична ниша, която нищо друго не може. Например „редкоземните елементи празеодим (Pr) и неодим (Nd) придават на стъклото специални свойства.

Лантаноидите присъстват в f-блок на периодичната таблица. Обединени са в една група заради някои общи физични и химични свойства, еднаква конфигурация на електроните - те имат частично запълнени f орбитали и енергиите на 4f и 5d орбиталите са почти равни, така че електроните първо запълват 4f орбиталите. Валентните електрони присъстват в подобвивката 4f.

Схема на електронната конфигурация на атома - помагало за илюстриране на структурата на атома. Кредит: Wikimedia Commons

Отличителен фактор в геохимичното поведение на редкоземните елементи е свързан с така нареченото „свиване на лантанидите“, което представлява по-голямо от очакваното намаление на атомния/йонен радиус на елементите по поредицата. Това се определя от промяната на екраниращия ефект към ядрения заряд поради прогресивното запълване на 4f орбиталата, която действа срещу електроните на 6s и 5d орбиталите. Свиването на лантанидите има пряк ефект върху геохимията на лантанидите, които показват различно поведение в зависимост от системите и процесите, в които участват.

Защо се наричат „редки“?

Терминът идва от първоначалната им откривателска история - срещат се в „редки минерали“, а не в чиста форма. Освен това често се срещат в малки количества, което затруднява добива.

Названието „редкоземни“ (от лат. terrae rarae - „редки земи“) им е дадено във връзка с това, че те са:

•     относително редки в земната кора - съдържание 10−2% от масата на земната кора.
•     образуват трудно разтопяващи се оксиди, които са практически неразтворими във вода (такива оксиди са били наричани „земи““ в началото на 19 век и по-рано.

Наименованието „редкоземни елементи“ се формира исторически в края на 18-ти – началото на 19-ти век, когато погрешно се е смятало, че минералите, съдържащи елементи от две подсемейства – цериеви (леки редкоземни – La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu) и итриеви (тежки редкоземни – Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) – рядко се срещат в земната кора. Въпреки това, по отношение на запасите от суровини, редкоземните елементи не са редки по отношение на общо разпространение, те превишават оловото 10 пъти, молибденът 50 пъти и волфрамът 165 пъти.

Количество на елементите в земната кора на милион силициеви атоми. Кредит: Wikimedia Commons

Минерали и геоложки условия за образуване

Редкиземните елементи се намират в над 200 минерала, но най-важните икономически руди са:

•     Бастнезит (Ce, La, Y)(CO3)F
•     Монацит (Ce, La, Th, Nd, Y)PO4
•     Ксенотим (YPO4)
•     Лопарит (Na,Ce,Th)(Ce,Sr)2(Ti,Nb)2O6. и Евксенит (Y,Ca,Ce,U,Th)(Ti,Nb,Ta)2O6.

Те се образуват главно в:

•     Магматични скали: Пегматити, карбонатити, нефелинови сиенити.
•     Метаморфни скали: Богати на фосфати.
•     Разсипни находища: Образувани при изветряне и ерозия на първични рудни тела.

Участък от алувиално разсипно находище в мината Blue Ribbon, АляскаУчастък от алувиално разсипно находище в мината Blue Ribbon, Аляска. Кредит: Wikimedia Commons

Големи находища в света

•     Китай (Баотоу) — най-големият производител, с над 60% от световния добив.
•     САЩ (Маунтин Пас, Калифорния)
•     Австралия (Маунт Уелд)
•     Русия (Ловозеро, Кола)
•     Бразилия, Индия, Виетнам, Малайзия

Ресурси на редкоземни материали по държавиРесурси на редкоземни материали по държави. Кредит: USGS

Добив и преработка

Най-голямото препятствие за извличането на редки земни елементи е, че трябва да се изкопае много почва, за да се получи адекватно количество от минералите, защото са в малки концентрации. Това са изполозваните методи за добив:

•     Минно дело: Открит или подземен добив на рудни тела.
•     Обогатяване: Флотация, магнитна и гравитационна сепарация.
•     Химическа екстракция: Разтваряне с киселини, извличане с разтворители, йонообменна хроматография.
•     Металургия: Превръщане на концентратите в чисти метали чрез електролиза или редукция с калций.

Приложения в съвременните технологии

•     Електроника: Постоянни магнити (неодимови магнити), лазери, дисплеи, фотоволтаици, сензори.
•     Енергетика: Вятърни турбини, хибридни и електромобили (батерии и двигатели).
•     Комуникации: Оптични влакна, мобилни телефони, високочестотна техника.
•     Отбрана: Жироскопи, ракети, радиолокационни системи.
•     Зелени технологии: Катализатори в автомобили, съхранение на енергия, LED осветление.

Редкоземни елементи - пазари и геополитика

Търсенето на редкоземни елементи се очаква да нараства значително в бъдеще, особено поради прехода към зелени технологии и електрификация. Според доклад на Европейската комисия, нуждите на Европейския съюз от редкоземни постоянни магнити може да се удвоят до 40 000 тона годишно до 2030 г., в сравнение с 18 000 тона през 2019 г. Глобалният пазар на редкоземни елементи се очаква да нараства с около 6% годишно през периода 2022–2031 г

Светът зависи силно от Китай за добива на редкоземни елементи – през 2021 г. той представлява 60% от световното производство, докато Съединените щати добиват само 15%. Държавите в Азия и Океания са източниците на останалото количество, което означава, че европейските икономики разчитат единствено на внос.

Китай понастоящем има ефективен монопол върху световната верига на стойността на редкоземни муинерали (Всички рафинерии и преработвателни заводи, които преобразуват суровата руда в ценни елементи.)

Добив на редкоземни минерали по държави. Кредит: Word mining data 2022

Според The ​​Economist, „Намаляването на техния износ на редкоземни метали... е свързано с придвижването на китайските производители нагоре по веригата на доставки, така че да могат да продават ценни готови стоки на света, а не евтини суровини.

По думите на Дън Сяопин, китайски политик от края на 70-те до края на 80-те години на миналия век, „Близкият изток има петрол; ние имаме редкоземни елементи... това е от изключително важно стратегическо значение; трябва да сме сигурни, че ще се справим с проблема с редкоземните елементи правилно и ще направим най-пълното използване на предимството на нашата страна в редкоземните ресурси."

Глобални тенденции в производството на редкоземни оксиди, 1956-2008. Кредит: USGS

Доскоро това не бе проблем за развитите икономики на Европейския съюз, но началото на 21 век бележи важна повратна точка. Тъй като развитите икономики пренасочват производството си към азиатските страни, от 2000 г. насам световните цени на суровините започнаха да се повишават за първи път от Първата световна война, заплашвайки икономиките, зависими от техния внос.

Ситуацията не е по-различна с редкоземните елементи – с плановете за извършване на зелена трансформация на икономиките на ЕС до 2050 г., търсенето им може да се увеличи до три пъти, което надвишава текущия им капацитет за добив. Поради тази причина са наричани ​​„тясното място на дигиталната цивилизация“.

Редкоземни минерали в Украйна

Общата стойност на находищата на редкоземни метали, открити в Украйна, се оценява между 3 трилиона и 11,5 трилиона долара според Украинската геоложка служба.

Сред тях има и значителни находища на литий, който е най-важният елемент, използван в „зелените“ технологии като фотоволтаици, литиево-йонни батерии и инфраструктурата на информационните и комуникационни технологии. В светлината на горното, те са достатъчни, за да „осигурят икономическото бъдеще на Украйна за следващия век“. По този начин те представляват стратегическо конкурентно предимство за украинската икономика, способно да подпомогне възстановяването на страната и да осигури безпрецедентни перспективи за развитие след войната.

Минерални находища в Украйна. Кредит: Украинската геоложка служба

Също така Украйна има по-малко редки, но в по-големи количества минерали, които също са търсени за използване в технологиите и авангардни индустрии: литий например, който се използва широко в батерии от всякакъв вид, и титан, който се използва в производството на самолети. Някои оценки сочат, че залежите на литий в страната могат да бъдат оценени на милиарди долари.

Тръмп може би е имал предвид тези минерали, но не се изрази ясно.

За протокола, Украйна също има много по-големи находища на други, по-често срещани минерални ресурси - въглища, желязна руда, нефт и газ - които осигуряват големи приходи за страната, а също и големи инвестиционни възможности.

Много от тези ресурси се намират в части от Украйна, които са окупирани от руските сили - и в крайна сметка може да се окажат под пълен руски контрол.

Геоложка карта на Украйна. Кредит: Blue Europe

Перспективи за следвоенната икономика на Украйна

На 22 август 2022 г. изследователи от Киевския икономически университет оцениха стойността на загубите в инфраструктурата на Украйна до момента на 113,5 милиарда долара, което ще изисква разходи от 200 милиарда долара за възстановяването ѝ до предвоенното състояние.

Редкоземните залежи в Украйна биха могли да играят изключително важна роля в следвоенното възстановяване на страната. Както бе споменато по-рано, общата им стойност се оценява на между 3 трилиона и 11,5 трилиона долара, което може да се промени, тъй като се добиват поради нарастващото глобално търсене. Това означава, че дори поемането на ролята на доставчик на суровини за западните страни би позволило на БВП на Украйна да се увеличи многократно.

Към стратегическите ресурси на Украйна има интерес не само Тръмп, а и Европа. Ето какво пише полското издание „Blue Europe“:

„В контекста на горните съображения един от най-важните въпроси през следващите години ще бъде и въпросът за потенциалното присъединяване на Украйна към Европейския съюз. Въпреки противопоставянето на някои страни, в израз на политическа подкрепа, Украйна получи официален статут на кандидат през юли 2022 г., отбелязвайки първата значима крачка в тази посока. Докато пътят към членство в ЕС може да отнеме много години, статутът на кандидат ще допринесе за по-голям приток на следвоенни инвестиции от преди - например за Полша, Чехия и балтийските държави, приети в ЕС през 2004 г., процесът на тясна интеграция с пазарите на ЕС започна още през 2000 г. в резултат на разпоредбите на споразуменията за асоцииране и инвестициите за приспособяване. Обявеният стремеж на ЕС да възвърне „суверенитета“ в областта на микрочиповете също е огромна възможност, тъй като досега страните членки бяха зависими от техния внос от Тайван. Украинските находища на редкоземни метали обаче откриват перспектива за развитие на производството им в рамките на Общността след присъединяването на Украйна."

Състезанието за намиране, осигуряване, разработване и монетизиране на редкоземни минерали се ускорява. Очакваме да видим дали този ресурс може да осигури и мир

Източници:

    Resource factors of the conflict in Ukraine: what post-war prospects, Marceli W. Hazla, Blue Europe.
    Ukraine Open to Trump's Rare Earth Mineral Deal, RFE/RL staff, OilPrice.com
    Critical Raw Materials,  Ukrainian Geological Survey
    Втори задълбочен преглед на стратегическите области, които са от интерес за Европ, commission.europa.eu
    Как ще се развива световната търговия с редкоземни елементи: Ще запази ли Китай короната си?, business.dir.bg
    Добивът на редкоземни елементи е важен за бъдещето. Но на каква цена? САЩ, Китай, Швеция, nauka.offnews.bg
    Битката за редкоземните елементи се изостря. Ще бъде ли преодоляна доминацията на Китай?, business.dir.bg