Pământurile rare. Noțiuni de bază

Pământurile rare sunt 15 elemente chimice din tabelul periodic al elementelor, cu numerele atomice cuprinse între 57 şi 71, care sunt cruciale pentru tehnologia modernă.

Atomul de Lantan (La), primul element chimic din această grupă, are în plus faţă de atomul de Bariu (Ba), numărul atomic 56, un proton și un electron. Fiecare element chimic din grupa pământurilor rare adaugă succesiv un proton și un electron.

Este semnificativ faptul că există 15 elemente chimice în grupa pământurilor rare.

Tabelul periodic al elementelor. Credit: Wikipedia

Electronii se grupează în straturi, denumite orbitali, a căror formă poate fi aproximată, pentru simplificare, cu niște cercuri ţintă concentrice în jurul nucleului.

Cercul ţintă cel mai apropiat de nucleul oricărui atom conține doar 2 electroni. Adăugarea unui al treilea electron înseamnă adăugarea unui alt cerc ţintă în jurul nucleului. Acesta va fi ocupat şi de următorii 7 electroni.

Următorii electroni trebuie să treacă pe un al treilea cerc ţintă pe care se vor putea afla 18 electroni. Următorii 18 electroni vor intra pe un al patrulea cerc ţintă aflat în jurul nucleului.

În continuare lucrurile devin puțin ciudate. Deși mai există loc pentru electroni în cel de-al patrulea cerc țintă, următorii opt electroni intră în cel de-al cincilea cerc țintă. Și, chiar dacă mai există spaţiu pe cel de-al cincilea cerc ţintă, următorii doi electroni vor intra pe cel de-al șaselea cerc țintă.

Trecerea de la atomul de Bariu (Ba), care are numărul atomic 56, la atomul de Lantan (La), primul element din grupa pământurilor rare, se face prin adăugarea unui nou electron pe al cincilea cerc ţintă.

Obţinerea atomului de Ceriu (Ce), având numărul atomic 58, se va face prin adăugarea unui nou electron pe cel de-al patrulea cerc ţintă.

Configurația electronică a atomilor de Bariu, Lantan şi Ceriu. Credit: Greg Robson și Pumbaa, CC BY-SA 

Pentru toate elementele chimice, electronii aflaţi pe cercul ţintă de la periferie (electronii de valenţă) influențează în mare măsură proprietățile chimice ale elementului respectiv.

Deoarece pământurile rare au configurații electronice identice pe cercul ţintă de la periferie, proprietățile lor chimice sunt destul de asemănătoare.

Pământurile rare sunt într-adevăr rare?

Nu. Pământurile rare sunt mult mai abundente în crusta Pământului decât multe alte elemente chimice valoroase. Chiar și cel mai rar pământ rar, Tuliu (Tm), cu numărul atomic 69, este de 125 de ori mai abundent decât aurul. Cel mai abundent pământ rar, Ceriu (Ce), având numărul atomic 58, este de 15.000 de ori mai abundent decât aurul.

Toate aceste elemente chimice sunt totuşi rare, mineralogii denumindu-le elemente „dispersate”, în sensul că ele pot fi găsite în concentrații relativ scăzute în diferite locuri de pe Pământ.

Europiu. Credit: Alchemist-hp, CC BY-SA

De exemplu, pământurile rare se găsesc adeseori în roci ignifuge rare denumite carbonatite, precum bazaltul din Hawaii sau Islanda sau andezitul de pe Muntele Sfânta Elena (Mount Saint Helens) din sudul statului Washington, SUA, sau vulcanul Fuego din Guatemala.

Există totuşi câteva regiuni având o cantitate mai mare de pământuri rare, majoritatea dintre acestea fiind în China, țară care produce mai mult de 80% din cantitatea totală de pământuri rare la nivel mondial, estimată la 130.000 de tone.

Pământurile rare sunt foarte scumpe?

Da, pământurile rare sunt destul de scumpe.

În anul 2018, costul unui oxid de Neodim (Nd), având numărul atomic 60, este de 107.000 dolari pe tonă. Este de aşteptat ca prețul acestuia să urce la 150.000 dolari până în anul 2025.

Europiu (Eu), având numărul atomic 63, este și mai costisitor, aproximativ 712.000 de dolari pe tonă.

Preţul ridicat al pământurilor rare este şi o consecinţă a faptului că acestea sunt dificil de separat unele de altele, din punct de vedere chimic, pentru a se obține o substanță pură.

Pentru ce sunt utile pământurile rare?

În ultima jumătate a secolului al XX-lea, elementul chimic Europiu (Eu) a fost folosit pe scară largă în construcţia ecranelor video, inclusiv a monitoarelor de calculator și a televizoarelor cu plasmă. De asemenea, barele de control ale reactoarelor nucleare, care absorb neutroni, conţin Europiu.

Alte pământuri rare sunt utilizate, de asemenea, în mod curent pentru construcţia dispozitivelor electronice din prezent. De exemplu, elementul chimic Neodim (Nd), având numărul atomic 60, este un magnet puternic, fiind utilizat în construcţia telefoanelor inteligente, televizoarelor, laserelor, bateriilor reîncărcabile și a unităților hard disk.

O versiune viitoare a motorului maşinii electrice Tesla va utiliza, de asemenea, Neodim.

Cererea de pământuri rare a crescut constant de la mijlocul secolului al XX-lea și nu există materiale alternative care să le înlocuiască.

Pământurile rare au reprezentat „mărul discordiei” într-un conflict comercial între SUA şi China, SUA acuzând China că a limitat exporturile de pământuri rare pentru a creşte preţurile acestora.

Traducere şi adaptare după What are rare earths, crucial elements în modern technology? 4 questions answered