في عالم يعتمد بشكل متزايد على التكنولوجيا، العناصر المعروفة باسم الأتربة النادرة لقد برزت باعتبارها معادن بالغة الأهمية، و"ذهباً" جديداً في القرن الحادي والعشرين، وكانت مصدراً للصراع بين البلدان، وستظل كذلك. تعتبر هذه العناصر، على الرغم من اسمها، حيوية، وهنا يمكنك معرفة سبب أهميتها، وما هي عناصر REE (العناصر الأرضية النادرة).
¿ما هي الأراضي النادرة؟
ال الأتربة النادرة، باللغة الإنجليزية REE (العناصر الأرضية النادرة)، وهي مجموعة من المعادن يتواجد منها 15 عنصراً في الجدول الدوري، وتعرف بسلسلة اللانثانيدات. تعتبر هذه العناصر أساسية للتقنيات التي تسعى إلى تقليل الانبعاثات واستهلاك الطاقة وتحسين الكفاءة والأداء والسرعة والمتانة والاستقرار الحراري. وهي أيضًا عنصر أساسي في التقنيات التي تسعى إلى جعل المنتجات أخف وزنًا وأصغر حجمًا. ولذلك، فإن أساس التكنولوجيا الحالية، ومن هنا أهميتها.
وهذا يجعلهم لا غنى عنه ولا يمكن الاستغناء عنه في العديد من التطبيقات الكهربائية والبصرية والمغناطيسية والحفازةوبما أنها ليست كثيرة فقد أدى ذلك إلى صراعات وحروب وتوترات بين الدول، كما سنرى لاحقاً. حسنًا، على الرغم من وفرة العناصر الأرضية النادرة نسبيًا في القشرة الأرضية، إلا أنها عادةً ما تكون منتشرة على نطاق واسع نظرًا لخصائصها الجيوكيميائية. وهذا يعني أنها لا توجد غالبًا بتركيزات تجعلها صالحة للتعدين. وهذه الندرة بالتحديد هي التي أدت إلى تسميتها بالأرض النادرة.
بين العناصر الخمسة من العناصر الأرضية النادرة هي:
- سكانديوم (العلوم)
- الإيتريوم (Y)
- اللانثانم (ال)
- السيريوم (Ce)
- البراسيوديميوم (العلاقات العامة)
- النيوديميوم (ND)
- البروميثيوم (بي إم)
- سماريوم (سم)
- اليوروبيوم (الاتحاد الأوروبي)
- الجادولينيوم (غ)
- تيربيوم (تيرابايت)
- الديسبروسيوم (دي)
- الهولميوم (هو)
- الإربيوم (إيه)
- الثليوم عنصر فلزي
- الإيتربيوم (Yb)
- اللوتيتيوم (لو)
خصائص الأرض النادرة
فيما يتعلق الخصائص من العناصر الأرضية النادرة، أو بالأحرى عناصرها، يجدر تسليط الضوء على:
- الخواص المغناطيسية: يتم تقييم النيوديميوم والديسبروسيوم والسماريوم لخصائصها المغناطيسية. يمكنها تخزين كميات كبيرة من الطاقة المغناطيسية، مما يجعلها مفيدة في توربينات الرياح والمحركات الكهربائية وأنظمة التوجيه ومكبرات الصوت والأقراص الصلبة وما إلى ذلك.
- خصائص الانارة: اليوروبيوم والإيتريوم والإربيوم والنيوديميوم لها خصائص مضيئة، مما يعني أنها تنبعث من الضوء عند تحفيزها بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي. يتم استخدامها في مصادر الضوء الفعالة وشاشات العرض وتضخيم الإشارة في خطوط الألياف الضوئية والليزر.
- الخواص الكهربائية: يستخدم السيريوم واللانثانم والنيوديميوم والبراسيوديميوم في بطاريات هيدريد معدن النيكل (NiMH) بسبب خواصها الكهربائية. إنها تزود البطارية بكثافة طاقة أعلى وقدرة احتفاظ أفضل بعد العديد من دورات التفريغ وإعادة الشحن.
- الخصائص الحفزية: يستخدم السيريوم واللانثانم كمحفزات للتفاعلات الكيميائية بسبب تركيبهما الإلكتروني. وهي أكثر وفرة وأرخص من العناصر الأرضية النادرة الأخرى، مما يجعلها الخيار الأساسي للتطبيقات التحفيزية.
تاريخ
كانت العناصر الأرضية النادرة موجودة منذ تكوين الأرض، ومع ذلك، ولم يتم اكتشافها حتى القرن الثامن عشر من قبل ملازم الجيش السويدي كارل أكسل أرينيوس.. كما أن عزل عناصر هذه الأراضي كان أكثر حداثة، وبعضها لن يصل إلا في القرن العشرين.
خلال 160 عامًا من الاكتشاف (1787-1947)، كان فصل وتنقية العناصر الأرضية النادرة عملية صعبة وطويلة. كرس العديد من العلماء حياتهم كلها للحصول على هذه العناصر النقية. أخيرًا، نظرًا لأنه تبين أن العناصر الأرضية النادرة هي منتجات انشطارية لذرة اليورانيوم، فقد بذلت هيئة الطاقة الذرية الأمريكية جهدًا كبيرًا لتطوير طرق فصل جديدة. وفي عام 1947، نُشرت نتائج تظهر أن عمليات التبادل الأيوني قدمت طريقة أفضل لفصل العناصر الأرضية النادرة لإنتاج العناصر المستخدمة.
العناصر الأرضية النادرة، باستثناء السكانديوم، أثقل من الحديد ويتم إنتاجها بواسطة التخليق النووي للمستعرات الأعظم أو عن طريق عملية s في النجوم من الفرع المقارب العملاق. في الطبيعة، ينتج عن الانشطار التلقائي لليورانيوم 238 كميات صغيرة من البروميثيوم المشع، ولكن يتم إنتاج معظم البروميثيوم صناعيًا في المفاعلات النووية.
احتياطيات العالم من الأتربة النادرة
ال أهم احتياطيات الأرض النادرة في العالم توجد في البلدان التالية:
- الصين: وتمتلك أكبر احتياطيات في العالم بحوالي 44 مليون طن. وبالإضافة إلى ذلك، فهي أكبر منتج للأتربة النادرة.
- فيتنام: فهي موطن لاحتياطيات ضخمة من العناصر الأرضية النادرة، خاصة على طول الحدود الشمالية الغربية مع الصين وعلى طول الساحل الشرقي، تبلغ 22 مليون طن.
- البرازيل وروسيا: لدى كلا البلدين احتياطيات تبلغ 21 مليون طن.
- الهند: لديه احتياطيات قدرها 6,9 مليون طن.
- أستراليا: لديه احتياطيات قدرها 4,2 مليون طن.
- الولايات المتحدة: تبلغ احتياطياتها 2,3 مليون طن.
- غرينلاند: يتم حسابه بحوالي 1,5 مليون طن.
ومن المهم الإشارة إلى أنه على الرغم من أن بعض الدول لديها احتياطيات كبيرة، إلا أن إنتاجها قد يكون منخفضاً لأسباب مختلفة...
وأوروبا؟
في أوروبا، احتياطيات الأرض النادرة نادرة، وتوجد بشكل رئيسي في الأماكن التالية:
- السويد: يُعتقد أنها تحتوي على أكبر احتياطي من العناصر الأرضية النادرة في أوروبا. حددت شركة التعدين السويدية التي تديرها الدولة LKAB رواسب بالقرب من مدينة كيرونا، في شمال البلاد، تحتوي على أكثر من مليون طن من التربة النادرة.
- فنلندا والبرتغال: كما تم تحديد مواقع الاستغلال في هذه البلدان.
بخصوص اسبانيامن المعروف أن احتياطيات الأرض النادرة موجودة، على الرغم من أنه لم يتم التحقيق فيها بشكل شامل. على سبيل المثال، تبرز كامبو دي مونتيل (سيوداد ريال)، ومونتي جالينيرو (بونتيفيدرا)، ومؤخرًا كان هناك الكثير من الحديث عن قاع البحر مقارنة بالأشياء الموجودة في جزر الكناري. بعض هذه الأماكن لم يتم استغلالها بعد، ولا تعرف المحميات الموجودة، ففي حالة المحمية الجاليكية تم رفض استغلالها لأسباب بيئية، وفي حالة جزر الكناري، يحافظ المغرب على التوترات للاستيلاء عليها هذه الاستغلالات..
المعالجة والفصل
يتم الحصول على الأتربة النادرة بشكل رئيسي من خلال التعدين حفرة مفتوحة الصناعيةفي بعض الحالات يتم إنتاج العناصر الأرضية النادرة كمنتج ثانوي لاستخراج الحديد. المعادن التي تحتوي على أتربة نادرة تتواجد على شكل أكاسيد، لذلك يجب معالجتها للحصول على العناصر:
- يتم استخراج العناصر الأرضية النادرة في المناجم المفتوحة باستخدام التفجيرات والآلات الثقيلة.
- بعد الاستخراج، يتم سحق المعدن أو طحنه للمعالجة المناسبة.
- لفصل الخام إلى أكاسيد، يمكن استخدام طرق الترشيح والترسيب والبلورة.
- باستخدام الطرق الفيزيائية والكيميائية، يتم تنفيذ صقل أكاسيد الأتربة النادرة في المعادن بمستويات مختلفة من النقاء.
- صناعة سبائك المعادن الأرضية النادرة من خلال العمليات الكيميائية.
- تحويل السبائك الأرضية النادرة إلى مكونات تستخدم في التطبيقات التجارية.
أنواع الأتربة النادرة
بادئ ذي بدء، يجب أن يقال أن هناك الأتربة النادرة الخفيفة والأتربة النادرة الثقيلة. أما الخفيفة، أو LREE، فهي أكثر وفرة، وتتكون من اللانثانم، والسيريوم، والبراسيوديميوم، والنيوديميوم، والبروميثيوم، والسماريوم، واليوروبيوم والسكانديوم. في حالة العناصر الثقيلة، أو HREE، فهي ليست عادةً وفيرة جدًا، وتحتوي على تركيزات من الجادولينيوم، والتيربيوم، والديسبروسيوم، والهولميوم، والإربيوم، والثوليوم، والإيتربيوم، واللوتيتيوم، والإيتريوم.
التطبيقات
وأخيرا، من المهم أن نعرف ما هي التطبيقات المحتملة من الأتربة النادرة لفهم أهميتها الحالية:
- المحفزات والمغناطيس: على الصعيد العالمي، يتم استخدام معظم العناصر الأرضية النادرة في المحفزات والمغناطيسات عالية الأداء (النيوديميوم)، بالإضافة إلى إنشاء مواد سيراميكية خاصة، والزجاج، والتلميع. على سبيل المثال، يعد السيريوم واللانثانوم من المحفزات المهمة، ويستخدمان في تكرير النفط وكمضافات للديزل. من ناحية أخرى، عندما نتحدث عن المغناطيس، فإننا لا نشير فقط إلى المغناطيس التقليدي، ولكن يتم استخدامه لتطبيقات مثل المحركات الكهربائية في المركبات الهجينة والكهربائية، والمولدات في بعض توربينات الرياح، ومحركات الأقراص الصلبة، والإلكترونيات المحمولة، والميكروفونات و مكبرات الصوت.
- تصنيع السبائك وإنتاج خلايا الوقود وبطاريات هيدريد معدن النيكل: السيريوم واللانثانم والنيوديميوم مهمة في صناعة السبائك وفي إنتاج خلايا الوقود وبطاريات هيدريد معدن النيكل.
- إلكترونيات: السيريوم والجاليوم والنيوديميوم مهمة في الإلكترونيات وتستخدم في إنتاج شاشات LCD وشاشات البلازما والألياف الضوئية والليزر وفي التصوير الطبي.
- التطبيقات الطبية والأسمدة ومعالجة المياه: يتم استخدامها ككاشفات في التطبيقات الطبية والأسمدة ومعالجة المياه.
- زراعة: تم استخدامها في الزراعة لزيادة نمو النبات وإنتاجيته ومقاومته للإجهاد على ما يبدو دون آثار سلبية على الاستهلاك البشري والحيواني. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر العناصر الأرضية النادرة من المواد المضافة إلى أعلاف الماشية، مما أدى إلى زيادة الإنتاج، مثل الحيوانات الكبيرة وزيادة إنتاج البيض ومنتجات الألبان.
- أكثر: الاستخدامات واسعة جدًا، على سبيل المثال، يمكن استخدامها أيضًا لتأريخ الحفريات، نظرًا لأن تركيزات العناصر الأرضية النادرة في الصخور تتغير ببطء فقط من خلال العمليات الجيوكيميائية، وهذا يجعلها مفيدة للتأريخ. ومن الأمثلة الأخرى:
- ويستخدم سكانديوم في صناعة أضواء عالية الكثافة وكعامل تتبع لمصافي النفط.
- يمكن إضافة الإيتريوم إلى العديد من السبائك المعدنية لتحسين خصائصها.
- يستخدم اللانثانم كمحفز لتكسير البترول وكمادة مضافة لصنع الحديد الزهر العقدي.
- يمكن استخدام السيريوم في صناعات مختلفة، بدءًا من المواد الحفازة للحد من التلوث، وحتى عوادم السيارات، ومنتجات التنظيف والأصباغ.
- يمكن خلط البراسيوديميوم مع معادن أخرى لإنشاء مغناطيس للأجهزة الإلكترونية، ولكن أيضًا كمحفز.
- يستخدم النيوديميوم على نطاق واسع لصنع مغناطيسات قوية جدًا، مع تطبيقات مثل صناعة المحركات الكهربائية، على الرغم من أنه يستخدم أيضًا في الكاميرات والبصريات بالليزر وما إلى ذلك.
- يُستخدم البروميثيوم في أجهزة قياس السُمك كمصدر بيتا، وأيضًا كبطارية نبضية، ويمكن تحويله إلى مصدر محمول للأشعة السينية، وما إلى ذلك.
- ويستخدم السماريوم أيضًا في صناعة المغناطيس الدائم عالي الطاقة، والعدسات الخاصة، والمواد الممتصة للنيوترونات للمفاعلات النووية.
- اليوروبيوم هو أكثر المعادن الأرضية النادرة تفاعلاً، وهو غير شائع في التطبيقات العملية.
- يُستخدم الجادولينيوم في الطب، وفي التصوير بالرنين المغناطيسي، وكذلك في أجهزة الميكروويف، وأجهزة التلفزيون الملونة، ومكبرات الصوت، وأنظمة الصوت الاحترافية.
- يُستخدم التيربيوم في غش مكونات معينة، وفي صناعة الأجهزة الإلكترونية، وما إلى ذلك.
- يستخدم الديسبروسيوم في السبائك المغناطيسية القائمة على النيوديميوم لجعلها أكثر مقاومة لإزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية. كما أنها تستخدم في مصابيح تفريغ الهاليد.
- هولميوم للأجهزة الإلكترونية وشاشات البلازما ومصابيح الزئبق وغيرها.
- يستخدم الهربيوم في صناعة السبائك ومكبرات الصوت الإلكترونية والليزر وما إلى ذلك.
- يستخدم الثوليوم في وحدات الأشعة السينية، وأشعة الليزر عالية المدى، والمواد السيراميكية المغناطيسية، وما إلى ذلك.
- الإيتربيوم، وهو شائع في صناعة المعادن للسبائك مع الحديد والصلب، والمحفزات، وأشعة الليزر، والألياف الضوئية. وأيضا في الطب النووي لعلاج بعض الأمراض والعلاج الإشعاعي.
- اللوتيتيوم، يستخدم كمحفز في تكسير الهيدروكربونات في صناعة البتروكيماويات، وعلاج السرطان، وما إلى ذلك.
كما ترون، أمر أساسي لصناعة الإلكترونيات، على وجه الخصوص لتصنيع المكثفات السيراميكية أنك ستجدها في العديد من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ...