Haruldased muldmetallid (REE) on seitsmeteistkümne keemilise elemendi kogum. Nende hulka kuuluvad viisteist lantaaniidi ning skandium ja ütrium. Skandium ja ütrium liidetakse haruldaste muldmetallide hulka, sest neid leidub sageli samades maardlates kui lantaaniide ning neil on sarnased keemilised omadused.

Määratlus ja nimetus

Kuigi neid nimetatakse "haruldasteks", ei ole haruldased muldmetallid Maal äärmiselt haruldased — paljusid neist leidub mõnesisulgi sagedamini kui näiteks hõbedat. Mõiste tuleneb ajaloolisest faktist, et need elemendid esinevad maakoores väga ühtlaselt hajutatult, mistõttu on neid raske leida ja kaevandada suurel kontsentratsioonil ühes kohas. Ainult üks lantaaniidi liik, Prometium, on tõeliselt haruldane looduses, sest radioaktiivne prometium laguneb ja seetõttu ei esine see stabiilselt suurtes kogustes.

Keemilised ja füüsikalised omadused

  • Põhiline oksüdatsiooniaste lantaaniididel on +3, kuid mõnel elemendil esineb ka +2 või +4 olek.
  • Need metallid on tavaliselt läikivad, pehmed ja hõbedase värvusega, kuid neil on erinevad sulamis- ja keemistemperatuurid.
  • Lantaaniide puhul on iseloomulik nn lantaaniumisurve (lanthanide contraction) — järjestikuste elementide ioonraadius väheneb, mis mõjutab keemilist käitumist ja sulamiste omadusi.
  • Paljudel haruldastel muldmetallidel on tugevad magnetilised ja luminofoorsed omadused (näiteks europium ja terbium), mistõttu neid kasutatakse optikas ja elektroonikas.

Esinemine ja kaevandamine

Haruldasi muldmetalle ei leidu tavaliselt puhtal kujul, vaid mineraalide kujul, näiteks bastnäsiit, monatsiit ja xenotiim. Neid võib leiustada ka ionivahetusklindis (ion-adsorption clays), mis on oluline allikas mõnes Aasia maardlas. Haruldaste muldmetallide eraldamine on keeruline, sest elemendid on keemiliselt väga sarnased — tööstuslikud protsessid hõlmavad peamiselt õlitamist (solvent extraction) ja ioonvahetust.

Üks tuntud näide on Tseerium (Tseerium on eesti teaduses tuntud ka kui laialt levinud lantaaniid), mis on maakoores suhteliselt rikas — see on umbes 25. kõige sagedamini esinev element Maal — ent see esineb tavaliselt koos teiste lantaaniidega ja nõuab eraldamist.

Kasutusalad

Haruldased muldmetallid on tänapäeva tehnoloogias kriitilise tähtsusega. Peamised rakendused:

  • Püsivad magnetid (näiteks neodüüm-magnetid, kus kasutatakse neodüümit ja düsporiumi) — olulised elektrimootorites, tuulegeneraatorites ja kõvakõlarites.
  • Valgustehnika ja ekraanid — europium ja terbium annavad värvifosforitele vajalikud punased ja rohelised toonid LED-ides ja LCD-ekraanides.
  • Katalüsaatorid — lantaaniide (nt räni- ja maagaasides) kasutatakse õlitööstuses ning autoheitgaaside puhastuses.
  • Batareid ja energiahaldus — lanthaan kasutatakse NiMH-akudes; mõned haruldased muldmetallid on olulised ka hüübimis- ja vesinikusisalduse materjalides.
  • Optika, laserid ja meditsiin — gadooliiniumi kasutatakse MRI kontrastainetes; mõned lantaaniidid on olulised laseride ja kliiniliste markerite koostises.
  • Tööstusdetsimeerimine ja klaasi töötlemine — kroomi- ja tseeriumoksiidid klaasi poleerimisel ja filtermaterjalides.

Keskkonna- ja tarneahela küsimused

Haruldased muldmetallid toovad kaasa keskkonnamõjusid ja geopoliitilisi riske. Kaevandamine ja töötlemine võivad tekitada radioaktiivseid jäätmeid (eriti monatsiidi puhul, mis sisaldab uraani ja thoriumi) ning põhjustada maareostust. Samuti on nende varustuskettad ajalooliselt keskendunud mõne üksiku riigi tootmisele, mis võib tekitada tarneriske ja poliitilist sõltuvust. Seetõttu on järjest olulisem ringlussevõtt, alternatiivsete materjalide arendamine ning vastutustundlik kaevandamine.

Isotoopid ja erandid

Enamik lantaaniide on stabiilsete või vähemalt püsivate isotopidega, kuid Prometium on erand — sellel ei ole stabiilseid isotoope ning looduses esinev prometium on radioaktiivne ja tekib peamiselt neutronite või fissioproduktina. Paljude teiste haruldaste muldmetallide eriisotoope kasutatakse teaduslikes ja meditsiinilistes rakendustes.

Kokkuvõte

Haruldased muldmetallid on keemiliselt ja tehnoloogiliselt olulised elemendid, mille spetsiifilised magnetilised, optilised ja katalüütilised omadused muudavad need asendamatuks paljudes kõrgtehnoloogilistes toodetes. Kuigi nad ei ole Maal äärmiselt haruldased, teeb nende tehniliselt keeruline eraldamine ja maardlate hajus paiknemine nende reaalse kättesaadavuse väljakutseks. Seetõttu keskendutakse nii kaevandamise keskkonnamõjude vähendamisele kui ka materjalide ringlussevõtule ja alternatiividele.