Haruldased muldmetallid
Haruldased muldmetallid (REE) on seitsmeteistkümne keemilise elemendi kogum. Nende hulka kuuluvad viisteist lantaaniidi ning skandium ja ütrium. Skandium ja ütrium on haruldased muldmetallid, kuna neid leidub sageli samades maardlates kui lantaniide ja neil on sarnased keemilised omadused.
Kuigi neid nimetatakse haruldasteks, ei ole haruldased muldmetallid Maal äärmiselt haruldased. Neid nimetati nii, sest nad on Maal väga ühtlaselt levinud, nii et neid on raske ühes kohas palju leida. Prometium on haruldane, sest see on radioaktiivne ja laguneb.
Tseerium, üks lantaniididest, on maakoores 25. kõige sagedamini esinev element. Enamikku haruldasi muldmetalle ei leidu siiski kontsentreeritult ega puhtal kujul.
Haruldaste muldmetallide maag, näidatud koos Ameerika Ühendriikide penniga suuruse võrdlemiseks.
Keskelt ülevalt päripäeva: praseodüüm, tseerium, lantaan, neodüüm, samarium ja gadoliinium.
Haruldaste muldmetallide loetelu
Siin on esitatud tabel, kus on loetletud seitseteist haruldast muldkeha elementi, nende aatomiarv ja sümbol, nende nimede päritolu ja mõned nende kasutusalad. Mõned haruldased muldmetallid on nimetatud nende avastanud teadlaste järgi ja mõned on nimetatud nende avastamiskoha järgi.
| Z | Sümbol | Nimi | Nimi Päritolu | Valitud rakendused |
| 21 | Sc | Skandium | Skandinaaviast, kus avastati esimene haruldaste muldmetallide maak. | Kerget alumiinium-skaandiumsulamit kasutatakse lennundus- ja kosmosetööstuse komponentide valmistamiseks. Samuti on see lisaaineks teatavates lampides. |
| 39 | Y | Yttrium | Rootsi Ytterby küla järgi, kus see avastati. | Ftriumi leidub teatavates laserites ja televisioonifosforites. Seda kasutatakse ka kõrgtemperatuurilistes ülijuhtides ja mikrolainefiltrites, energiatõhusates lambipirnides. |
| 57 | La | Lantaan | kreekakeelsest sõnast "lanthanein", mis tähendab "peidetud". | Kõrge murdumisnäitajaga klaas, tulekivi, vesiniku säilitamine, akuelektroodid, kaameraläätsed, vedeliku katalüütilise krakkimise katalüsaator naftatöötlemistehaste jaoks. |
| 58 | Ce | Tseerium | kääbusplaneedi Ceres järgi, mis on nimetatud Rooma põllumajanduse jumalanna järgi. | Keemiline oksüdeeriv aine, poleerimispulber, kollased värvid klaasi ja keraamika jaoks, katalüsaator isepuhastuvate ahjude jaoks, vedeliku katalüütilise krakkimise katalüsaator õlirafineerimistehastes, tulekivi tulemasinate jaoks. |
| 59 | Pr | Praseodüüm | kreeka keelest "prasios", mis tähendab porru-rohelist, ja "didymos", mis tähendab kaksikut. | Haruldaste maade magnetid, laserid, süsihappegaasivalgustite tuumamaterjal, värvaine, keevitusprillides kasutatav klaasilisand, |
| 60 | Nd | kreeka keelest "neos", mis tähendab uut, ja "didymos", mis tähendab kaksikut. | haruldaste maade magnetid, laserid, violetsed värvid klaasis ja keraamikas, keraamilised kondensaatorid. | |
| 61 | Pm | Promethium | titaani Prometheuse järgi, kes tõi surelike juurde tule. | Tuumapatareid |
| 62 | Sm | Samaarium | Vassili Samarski-Bõhovetsi järgi, kes avastas haruldaste muldmetallide maagiidi samarskiidi. | haruldaste maade magnetid, laserid, |
| 63 | Eu | Europium | pärast Euroopa mandrit. | Punased ja sinised fosforid, laserid, elavhõbedaaurulambid, |
| 64 | Gd | Gadoliinium | Johan Gadolini (1760-1852) järgi, et austada tema haruldaste muldmetallide uurimist. | Haruldaste maade magnetid, kõrge murdumisnäitajaga klaas või granaat, laserid, röntgenkiirte torud, arvutimälud, neutronite püüdmine, MRT kontrastained |- |
| 65 | Tb | Terbium | Rootsi Ytterby küla järgi. | Rohelised fosforid, laserid, luminofoorlambid |
| 66 | Dy | Dysprosium | kreeka keelest "dysprositos", mis tähendab raskesti saada. | haruldaste maade magnetid, laserid |
| 67 | Ho | Holmium | Stockholmi (ladina keeles "Holmia") järgi, mis on ühe selle avastaja sünnilinn. | |
| 68 | Er | Erbium | Rootsi Ytterby küla järgi. | Laser, vanaadiumteras |
| 69 | Tm | Thulium | mütoloogilise põhjapoolse Thule maa järgi. | Kaasaskantavad röntgenseadmed |
| 70 | Yb | Ytterbium | Rootsi Ytterby küla järgi. | Infrapunalaserid, keemiline redutseerija |
| 71 | Lu | Lutetium | Lutetia järgi, linn, millest hiljem sai Pariis. | Meditsiiniseadmed, kõrge murdumisnäitajaga klaas |
Päritolu
Haruldased muldmetallid on raskemad kui raud. Neid tekitavad supernoovad (plahvatavad tähed). Looduses tekib uraan-238 lõhustumisel väga väikestes kogustes radioaktiivset promeetiumi. Enamus prometiumist luuakse sünteetiliselt tuumareaktorites.
Haruldased muldmetallid muutuvad aja jooksul väikestes kogustes (ppm, parts per million). Nende osakaalu saab kasutada geoloogiliseks dateerimiseks ja fossiilide dateerimiseks.
Geoloogiline levik
Haruldased muldmetallid esinevad sageli koos. Prometiumi kõige pikaealisema isotoobi poolväärtusaeg on 17,7 aastat. Seetõttu esineb see element looduses vaid väga väikestes kogustes. Prometium on üks kahest elemendist, millel ei ole stabiilseid (mitte-radioaktiivseid) isotoope ja millele järgnevad stabiilsed elemendid (teine element on tehnetium).
Kuna kõik lantaniidid on lähedase suurusega, on haruldasi muldmetalle alati olnud raske eraldada. Isegi geoloogilise aja eoonide jooksul on lantaniidide eraldamine looduses vaid harva läinud kaugemale kui kergete ja raskete lantaniidide, ehk tseerium- ja ütriummaade, eraldamine. Seda geokeemilist eraldamist näitavad kaks esimest avastatud haruldast muldmetalli. Need olid ütrium 1794. aastal ja tseerium 1803. aastal. Esmakordsel leidmisel olid mõlemad haruldaste muldmetallide segu. Kogu maailmas leidub suuri tseeriumimaade maardlaid, mida ka kasutatakse. Ottriumi maardlaid leidub harvemini. Samuti on need tavaliselt väiksemad ja vähem kontsentreeritud.
Ülemaailmne haruldaste muldmetallide tootmine
Kuni 1948. aastani pärines enamik maailma haruldastest muldmetallidest India ja Brasiilia liivakarjääridest. Kuni 1950. aastateni kaevandas Lõuna-Aafrika enamiku maailma haruldaste muldmetallide varudest. See juhtus pärast seda, kui sealt leiti haruldasi muldmetalle sisaldavaid suuri soonde. Aastatel 1960-1980 oli Californias asuv kaevandus juhtiv tootja. Tänapäeval toodetakse India ja Lõuna-Aafrika maardlatest endiselt haruldaste muldmetallide kontsentraate, kuid need on väga väikesed võrreldes Hiinas toodetava kogusega. Hiina tootis üle 95% maailma haruldaste muldmetallide varudest. Suurem osa sellest on tehtud Sise-Mongoolias, kuigi seal oli vaid 37% tõestatud varudest. Kuigi vahepeal on öeldud, et need arvud on 2012. aastaks langenud 90%-le ja 23%-le. Kõik maailma rasked haruldased muldmetallid (näiteks düsprosium) pärinevad Hiina haruldaste muldmetallide allikatest, näiteks polümetalse Bayan Obo maardlast. 2010. aastal avaldas Ameerika Ühendriikide geoloogiline uuring (USGS) uuringu, milles leiti, et Ameerika Ühendriikides on 13 miljonit tonni haruldasi muldmetalle.
Uus nõudlus nende elementide järele on suurem kui nende pakkumine. Maailmas võib peagi tekkida haruldaste muldmetallide puudus. Aastatel alates 2009. aastast on haruldaste muldmetallide nõudlus maailmas eeldatavasti igal aastal 40 000 tonni võrra suurem kui pakkumine, kui ei arendata uusi allikaid.
Hiina
Need mured on Hiina tegevuse tõttu muutunud suuremaks. Hiina on öelnud, et kehtestab ekspordile eeskirjad ja töötab salakaubanduse peatamiseks. septembril 2009 teatas Hiina, et kavatseb vähendada oma eksporti 35 000 tonnini aastas aastatel 2010-2015. Hiina ütles, et seda tehakse haruldaste ressursside säästmiseks ja keskkonna kaitsmiseks. 19. oktoobril 2010 teatas China Daily, et Hiina "vähendab haruldaste muldmetallide ekspordikvoote järgmisel aastal maksimaalselt 30 protsendi võrra, et kaitsta väärismetalle liigse ekspluateerimise eest". 2010. aasta lõpus teatas Hiina, et haruldaste muldmetallide esimene ekspordiring 2011. aastal on 14 446 tonni. See oli 35% vähem kui 2010. aasta esimeses ekspordiringis. Septembris 2011 teatas Hiina, et ta lõpetab tootmise kolmel oma kaheksast haruldaste muldmetallide kaevandusest. Need kaevandused andsid peaaegu 40% Hiina haruldaste muldmetallide kogutoodangust. Augustis 2012 teatas Hiina, et tootmine väheneb veel 20%.
Väljaspool Hiinat
Suurenenud nõudluse ja Hiinast pärit metallide ekspordipiirangute tõttu on mõned riigid haruldaste muldmetallide varusid kogunud. Uusi allikaid otsitakse Austraalias, Brasiilias, Kanadas, Lõuna-Aafrikas, Tansaanias, Gröönimaal ja Ameerika Ühendriikides. Nende riikide kaevandused suleti, kui Hiina lõi 1990. aastatel maailmaturu hinnad alla. Tootmise taaskäivitamiseks kulub paar aastat.
Euroopa Liit on kutsunud Taani protektoraati Gröönimaad üles piirama Hiina haruldaste muldmetallide projektide arendamist seal, kuna Hiina moodustab 95 protsenti maailma praegusest varustusest. Alates 2013. aasta algusest on Gröönimaa valitsus öelnud, et ta ei kavatse selliseid piiranguid kehtestada.
Tuumaenergia ümbertöötlemine on teine võimalik haruldaste muldmetallide või muude elementide allikas. Uraani või plutooniumi tuumalõhustumisel tekivad paljud elemendid ja kõik nende isotoobid. Siiski on ebatõenäoline, et nende loomine on paljude nende isotoopide radioaktiivsuse tõttu ohutult ja majanduslikult otstarbekas.
Taaskasutamine
Teine haruldaste muldmetallide allikas on elektroonikajäätmed ja muud jäätmed, mis sisaldavad suures koguses haruldasi muldmetalle. Uued edusammud ringlussevõtutehnoloogias on muutnud haruldaste muldmetallide eraldamise nendest materjalidest lihtsamaks. Jaapanis, kus on umbes 300 000 tonni haruldasi muldmetalle kasutamata elektroonikaseadmetes, tegutsevad praegu taaskasutustehased. Prantsusmaal rajab Rhodia kontsern kaks tehast La Rochelle'is ja Saint-Fonsis. Need tehased hakkavad tootma 200 tonni haruldasi muldmetalle aastas kasutatud luminofoorlampidest, magnetitest ja patareidest.
Geopoliitilised kaalutlused
Hiina on öelnud, et haruldaste muldmetallide tootmise üleriigilise kontrolli suurendamise põhjuseks on ressursside ammendumine ja keskkonnaprobleemid. Hiina haruldaste muldmetallide poliitika selgitamiseks on välja pakutud ka muid kui keskkonnaga seotud põhjusi. The Economisti sõnul on "haruldaste muldmetallide ekspordi kärpimine... eesmärk Hiina tootjate ülespoole liikumine tarneahelas, et nad saaksid müüa maailmale väärtuslikke valmistooteid, mitte madalat toorainet".
Ameerika Ühendriikide energeetikaministeeriumi 2010. aasta aruandes "Kriitiliste materjalide strateegia" nimetati düsprosiumi elemendiks, mis on impordisõltuvuse seisukohalt kõige kriitilisem.
USA geoloogilise uuringu ja USA siseministeeriumi 2011. aasta aruanne "Hiina haruldaste maade tööstus" käsitleb tööstuse suundumusi Hiinas. Selles vaadeldakse riiklikku poliitikat, mis võib suunata riigi tootmise tulevikku. Aruandes öeldakse, et Hiina juhtpositsioon haruldaste muldmetallide tootmises on viimase kahe aastakümne jooksul kasvanud. Aastal 1990 oli Hiina osa selliste mineraalide tootmises vaid 27%. Aastal 2009 oli maailma toodang 132 000 tonni. Hiina tootis neist 129 000 tonni. Aruande kohaselt viitavad hiljutised mustrid sellele, et Hiina aeglustab selliste materjalide eksporti maailma: "Sisenõudluse suurenemise tõttu on valitsus viimastel aastatel järk-järgult vähendanud ekspordikvooti." 2006. aastal lubas Hiina eksportida 47 kodumaist haruldaste muldmetallide tootjat ja kauplejat ning 12 Hiina-välist haruldaste muldmetallide tootjat. Aastaks 2011 oli vaid 22 kodumaist haruldaste muldmetallide tootjat ja kauplejat ning 9 välismaist haruldaste muldmetallide tootjat. Valitsuse tulevane poliitika säilitab tõenäoliselt range kontrolli: "Hiina haruldaste muldmetallide arengukava eelnõu kohaselt võib aastane haruldaste muldmetallide tootmine piirduda ajavahemikul 2009-2015 130 000-140 000 [tonnini]. Haruldaste muldmetallide ekspordikvoot võib olla umbes 35 000 [tonni] ja valitsus võib lubada 20 kodumaisel haruldaste muldmetallide tootjal ja kauplejal haruldaste muldmetallide eksporti."
Ameerika Ühendriikide Geoloogiakeskus otsib Lõuna-Afganistanis haruldaste muldmetallide leiukohti Ameerika Ühendriikide relvajõudude kaitse all. Alates 2009. aastast on USGS teinud nii kauguuringuid kui ka välitöid, et kontrollida nõukogude väiteid, et Helmandi provintsis Khanneshini küla lähedal leidub haruldasi muldmetalle sisaldavaid vulkaanilisi kivimeid. USGS on leidnud väljasureva vulkaani keskel kivimite ala, mis sisaldab kergeid haruldasi muldmetalle, sealhulgas tseeriumi ja neodüümi. See on kaardistanud 1,3 miljonit tonni kasulikku kivimit. See on umbes 10 aasta pakkumine praeguse nõudluse korral. Pentagoni hinnangul on selle väärtus umbes 7,4 miljardit dollarit.
Haruldaste muldmetallide hinnakujundus
Haruldased muldmetallid ei ole börsil kaubeldavad samamoodi nagu väärismetallid (näiteks kuld ja hõbe) või värvilised metallid (näiteks nikkel, tina, vask ja alumiinium). Selle asemel müüakse neid eraturul. Seetõttu on nende hindu raske jälgida ja jälgida. Siiski avaldatakse hindu perioodiliselt sellistel veebisaitidel nagu mineralprices.com. 17 elementi ei müüda tavaliselt puhtal kujul. Neid turustatakse tavaliselt erineva puhtusastmega segudena, nt "Neodüüm metall ≥ 99,5%". selle tõttu võib hinnakujundus erineda sõltuvalt lõppkasutajale vajalikust kogusest ja kvaliteedist.
Ülemaailmne toodang 1950-2000
Küsimused ja vastused
K: Mis on haruldased muldmetallid?
V: Haruldased muldmetallid on seitseteist keemilist elementi, sealhulgas viisteist lantaniidi ning skandium ja ütrium.
K: Miks peetakse skandiumi ja ütriumi haruldasteks muldmetallideks?
V: Skandiumi ja ütriumi peetakse haruldasteks muldmetallideks, sest neid leidub sageli samades maardlates kui lantaniide ja neil on sarnased keemilised omadused.
K: Kas haruldased muldmetallid on Maal äärmiselt haruldased?
V: Ei, haruldased muldmetallid ei ole Maal äärmiselt haruldased. Neid nimetati nii, sest nad on Maal väga ühtlaselt levinud, nii et neid on raske ühes kohas palju leida.
K: Mis teeb prometiumi haruldaseks?
V: Prometium on haruldane, sest ta on radioaktiivne ja laguneb.
K: Kas tseerium on haruldane muldkeha?
V: Jah, tseerium kuulub lantaniidide hulka ja seda peetakse haruldaseks muldmetalli elemendiks. Siiski on see maakoores 25. kõige sagedamini esinev element.
K: Kas enamik haruldasi muldmetalle leidub kontsentreeritud või puhtal kujul?
V: Ei, enamikku haruldasi muldmetalle ei leidu kontsentreeritud või puhtal kujul.
K: Kui paljud seitsmeteistkümnest haruldasest muldkehast on lantaniidid?
V: Seitsmeteistkümnest haruldasest muldkehast viisteist on lantaniidid.
