Tutto sulle terre rare
Le Terre rare non sono così conosciute come forse dovrebbero essere, raramente le sentiamo menzionare, le Terre rare sono “relegate” vicino al fondo della tavola periodica degli elementi, la maggior parte delle persone utilizza prodotti realizzati con terre rare ogni anno. Senza di essi, infatti, le nostre vite non sarebbero le stesse, poiché si trovano nella maggior parte dei dispositivi ad alta tecnologia come telefoni cellulari, computer, solo per citarne alcuni.
Come puoi vedere, con quanto sopra menzionato, i metalli delle terre rare in realtà non sono così rari come suggerisce il nome, le terre rare sono semplicemente più difficili da estrarre rispetto alla maggior parte dei metalli e generalmente non si accumulano nei minerali.
Questa “rarità”, combinata con la domanda di metalli per applicazioni ad alta tecnologia, crea complicazioni economiche e politiche che rendono le terre rare più interessanti.
Cosa sono le terre rare?
Gli elementi delle terre rare sono una serie di elementi chimici presenti nella crosta terrestre che sono vitali per molte tecnologie moderne, come l’elettronica di consumo, i computer e le reti, le comunicazioni, l’energia pulita, i trasporti avanzati, la sanità, la mitigazione ambientale, la difesa nazionale e molti altri.
Grazie alle loro proprietà magnetiche, luminescenti ed elettrochimiche uniche, questi elementi aiutano molte tecnologie a funzionare con peso ridotto, emissioni ridotte e consumo energetico; oppure conferire loro maggiore efficienza, prestazioni, miniaturizzazione, velocità, durata e stabilità termica.
I prodotti e le tecnologie delle terre rare contribuiscono a stimolare la crescita economica globale, a mantenere elevati standard di vita e persino a salvare vite umane.
Quanto sono realmente rari gli elementi?
Il termine “elementi delle terre rare” fu usato per la prima volta tra la fine del XVIII e l’inizio del XIX secolo per riferirsi a minerali contenenti elementi delle terre rare e alcuni altri metalli, i cui giacimenti conosciuti erano rari. Solo successivamente il nome “elementi delle terre rare” fu associato ad essi. .elementi delle terre rare (REE) solo all’insieme specifico di elementi che denota oggi.
In effetti, in termini di abbondanza nella crosta terrestre, le terre rare non sono particolarmente rare. In media, in proporzione alla crosta continentale terrestre, il cerio (Ce) è il più abbondante, con 43 parti per milione (ppm), seguito dal lantanio (20 ppm) e dal neodimio (Nd, 20 ppm). Il REE più raro è il tulio (Tm, 0,28 ppm), ad eccezione del promezio (Pm) che è praticamente assente poiché radioattivo con breve emivita. L’ittrio viene prodotto a 19 ppm. Pertanto, la loro abbondanza complessiva non è diversa da quella di molti altri elementi importanti come litio (17 ppm), germanio (1,3 ppm), rame (27 ppm), stagno (1,7 ppm) e uranio (1,3 ppm).
Come si comportano gli elementi delle terre rare?
Le proprietà distintive della REE sono dovute alla sua struttura atomica, in particolare alla configurazione dei suoi elettroni, che è diversa da quella degli altri elementi. Sebbene tutte le terre rare condividano molte proprietà importanti, altre sono specifiche di elementi particolari. A causa delle loro somiglianze chimiche, compaiono insieme nei minerali e nelle rocce e sono difficili da separare gli uni dagli altri (a volte chiamata “coerenza chimica”). Tuttavia, i numerosi usi pratici delle terre rare dipendono spesso da proprietà fisiche (elettriche, magnetiche, spettroscopiche e termiche) specifiche di particolari elementi, quindi la sfida di separarle deve essere superata.
Terre rare leggere e terre rare pesanti
Le sue proprietà chimiche dipendono non solo dalla sua struttura atomica, ma anche dalle sue dimensioni. Insolitamente, la dimensione atomica dei lantanidi diminuisce con l’aumentare del numero atomico, e ciò si traduce in elementi di terre rare leggeri e pesanti presenti in diversi minerali. Ad esempio, il lutezio può sostituire più facilmente altri elementi nei minerali dove i siti disponibili sono relativamente piccoli, dove lo ione lantanio più grande non si adatta. I composti delle terre rare sono generalmente ionici e spesso molto stabili, come nel caso degli ossidi. I composti geologici tendono ad essere ossidi, alogenuri, carbonati, fosfati e silicati, ma non solfuri. La maggior parte dei lantanidi presenta uno stato trivalente (cioè Ln3+, dove Ln è il simbolo generico dei lantanidi), ma il cerio può anche essere quadrivalente (Ce4+) e l’europio è spesso bivalente (Eu2+). Cinque delle terre rare (escluso il promezio) contengono ciascuna una proporzione di un isotopo radioattivo (138La, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 176Lu)
Pertanto abbiamo:
- I lantanoidi sono generalmente classificati come terre rare leggere.
- lantanio
- cerio
- praseodimio
- neodimio
- promezio
- samario
- terre rare pesanti
- europio
- gadolinio
- terbio
- disprosio
- Olmio
- erbio
- tulio
- itterbio
- lutezio
L’unico che non si trova naturalmente sulla Terra è il promecio perché tutti i suoi isotopi sono radioattivi; Si forma nei reattori nucleari.
Scandio o Sc (21)
Lo scandio, un metallo bianco-argenteo, è una terra rara non lantanide. Viene utilizzato in molti prodotti di consumo popolari, come televisori e lampade fluorescenti o a risparmio energetico. Nell’industria, l’uso principale dello scandio è quello di rafforzare i composti metallici. Le uniche fonti concentrate di scandio attualmente conosciute si trovano in minerali rari come tortveitite, euxenite e gadolinite provenienti dalla Scandinavia e dal Madagascar.
Ittrio o Y (39)
L’ittrio è un elemento delle terre rare non lantanide utilizzato in molte applicazioni vitali, come superconduttori, potenti laser pulsati, farmaci per il trattamento del cancro, farmaci per l’artrite reumatoide e forniture chirurgiche. Un metallo argentato, viene utilizzato anche in molti prodotti di consumo popolari, come televisori a colori e obiettivi fotografici.
Lantanio o La (57)
Questo metallo bianco-argenteo è uno degli elementi delle terre rare più reattivi. Viene utilizzato per realizzare vetri ottici speciali, comprese lenti che assorbono il vetro, fotocamere e telescopi, e può anche essere utilizzato per rendere l’acciaio più malleabile. Altre applicazioni del lantanio includono il trattamento delle acque reflue e la raffinazione del petrolio.
Cerio o Ce (58)
Prende il nome dalla dea romana dell’agricoltura, Cerere, il cerio è un metallo bianco-argenteo che si ossida facilmente all’aria. È il più abbondante degli elementi delle terre rare e ha molti usi. Ad esempio, l’ossido di cerio viene utilizzato come catalizzatore nei convertitori catalitici dei sistemi di scarico delle automobili per ridurre le emissioni ed è altamente desiderabile per la lucidatura di precisione del vetro. Il cerio può essere utilizzato anche nelle leghe di ferro, magnesio e alluminio, nei magneti, in alcuni tipi di elettrodi e nell’illuminazione ad arco di carbonio.
Praseodimio o Pr (59)
Questo metallo morbido e argentato fu utilizzato per la prima volta per creare una macchia giallo-arancio per la ceramica. Sebbene sia ancora utilizzato per colorare alcuni tipi di vetro e gemme, il praseodimio viene utilizzato principalmente nei magneti delle terre rare. Può anche essere trovato in applicazioni diverse come la creazione di metalli ad alta resistenza presenti nei motori degli aerei e la selce per appiccare incendi.
Neodimio o Nd (60)
Un altro neodimio metallico argentato morbido viene utilizzato con il praseodimio per creare alcuni dei magneti permanenti più potenti disponibili. Tali magneti si trovano nella maggior parte dei veicoli e degli aerei moderni, nonché nei popolari dispositivi elettronici di consumo come cuffie, microfoni e dischi di computer. Il neodimio viene utilizzato anche per realizzare laser a infrarossi ad alta potenza per applicazioni industriali e di difesa.
Promezio o Pm (61)
Sebbene la ricerca dell’elemento con numero atomico 61 sia iniziata nel 1902, solo nel 1947 gli scienziati hanno prodotto e caratterizzato definitivamente il promezio, che prende il nome da un personaggio della mitologia greca. È l’unico elemento delle terre rare naturalmente radioattivo e praticamente tutto il promezio presente nella crosta terrestre è decaduto molto tempo fa in altri elementi. Oggi viene in gran parte creato artificialmente e viene utilizzato negli orologi, nei pacemaker e nella ricerca scientifica.
Samario o Sm (62)
Questo metallo argentato può essere utilizzato in diversi modi vitali. Prima di tutto, fa parte di magneti molto potenti utilizzati in molte tecnologie di trasporto, difesa e commerciali. In secondo luogo, insieme ad altri composti per la radioterapia endovenosa, può distruggere le cellule tumorali ed è usato per trattare il cancro ai polmoni, alla prostata, al seno e alcune forme di cancro alle ossa. Poiché è un assorbitore di neutroni stabile, il samario viene utilizzato per controllare le barre dei reattori nucleari, contribuendo al loro utilizzo sicuro.
Europio o UE (63)
L’europio, che prende il nome dal continente europeo, è un metallo duro utilizzato per creare luce visibile nelle lampadine fluorescenti compatte e nei display a colori. I fosfori di europio contribuiscono a portare a colori i display rosso vivo e hanno contribuito a promuovere la popolarità delle prime generazioni di televisori a colori. Opportunamente, viene utilizzato per realizzare speciali contrassegni sulle banconote in euro che impediscono la contraffazione.
Gadolinio o Dio (64)
Il gadolinio ha proprietà particolari che lo rendono particolarmente adatto a funzioni importanti, come la schermatura nei reattori nucleari e la radiografia dei neutroni. Può colpire i tumori nella terapia neurale e può migliorare la risonanza magnetica (MRI), aiutando sia nel trattamento che nella diagnosi del cancro. Anche i raggi X e i test di densità ossea possono utilizzare il gadolinio, rendendo questo elemento delle terre rare un importante contributo alle moderne soluzioni sanitarie.
Terbio o Tb (65)
Questo metallo argentato delle terre rare è così morbido che può essere tagliato con un coltello. Il terbio viene spesso utilizzato nell’illuminazione fluorescente compatta, nei display a colori e come additivo ai magneti permanenti delle terre rare per consentire loro di funzionare meglio a temperature più elevate. Può essere trovato nelle celle a combustibile progettate per funzionare a temperature elevate, in alcuni dispositivi elettronici e nei sistemi sonar navali. Scoperto nel 1843, il terbio nella sua forma di lega ha la magnetostrizione più alta di qualsiasi sostanza, il che significa che cambia forma a causa della magnetizzazione più di qualsiasi altra lega. Questa proprietà rende il terbio un componente vitale del Terfenol-D, che ha molti usi importanti nelle tecnologie commerciali e di difesa.
Disprosio o Dy (66)
Un altro morbido metallo argentato, il disprosio, ha una delle forze magnetiche più elevate degli elementi, combinato solo con l’olmio. Il disprosio viene spesso aggiunto ai magneti permanenti delle terre rare per aiutarli a funzionare in modo più efficiente a temperature più elevate. I laser e l’illuminazione commerciale possono utilizzare il disprosio, che può essere utilizzato anche per creare dischi rigidi di computer e altri componenti elettronici che richiedono determinate proprietà magnetiche. Il disprosio può essere utilizzato anche nei reattori nucleari e nei moderni veicoli ad alta efficienza energetica.
Olmio o Ho (67)
L’olmio fu scoperto nel 1878 e prese il nome dalla città di Stoccolma. Insieme al disprosio, l’olmio ha incredibili proprietà magnetiche. In effetti, alcuni dei campi magnetici creati artificialmente più forti sono il risultato di concentratori di flusso magnetico realizzati con leghe di olmio. Oltre a fornire la colorazione alla zirconia cubica e al vetro, l’olmio può essere utilizzato nelle barre di controllo nucleare e nelle apparecchiature a microonde.
Erbio o Er (68)
Un’altra terra rara con applicazioni nucleari, l’erbio può essere trovato nelle barre di controllo che assorbono i neutroni. È un componente chiave dei sistemi di comunicazione in fibra ottica ad alte prestazioni e può essere utilizzato anche per conferire al vetro e ad altri materiali un colore rosa, con scopi sia estetici che industriali. L’erbio può anche aiutare a creare laser, compresi alcuni utilizzati per scopi medici.
Tulio o Tm (69)
Un metallo grigio-argenteo, il tulio è una delle terre rare meno abbondanti. I suoi isotopi sono ampiamente utilizzati come dispositivo di radiazione nei raggi X portatili, rendendo il tulio un materiale altamente utile. Il tulio è anche un componente di laser altamente efficienti con diversi usi nella difesa, nella medicina e nella meteorologia.
Itterbio o Yb (70)
Questo elemento, che prende il nome da una città svedese associata alla sua scoperta, ha diversi usi importanti nel settore sanitario, compresi alcuni trattamenti contro il cancro. L’itterbio può anche migliorare l’acciaio inossidabile ed essere utilizzato per monitorare gli effetti di terremoti ed esplosioni sul terreno.
Lutezio o Lu (71)
L’ultimo degli elementi delle terre rare (in ordine di numero atomico) ha diversi usi interessanti. Ad esempio, gli isotopi del lutezio possono aiutare a rivelare l’età di oggetti antichi, come i meteoriti. Ha anche applicazioni legate alla raffinazione del petrolio e alla tomografia a emissione di positroni. Sperimentalmente, gli isotopi del lutezio sono stati utilizzati per colpire alcuni tipi di tumori.
Collettivamente, gli elementi delle terre rare contribuiscono alle tecnologie vitali su cui facciamo affidamento oggi per la sicurezza, la salute e il comfort. Tutti gli elementi delle terre rare contribuiscono al progresso delle tecnologie moderne e alle scoperte promettenti a venire.
Cosa sono i lantanidi?
I lantanidi sono abbastanza comuni nella crosta terrestre e tendono ad essere molto difficili da estrarre in quantità utilizzabili. Questi elementi sono lucenti e solitamente argentati, almeno finché non vengono esposti all’ossigeno. Sono altamente reattivi e, sebbene non siano esplosivi, si ossidano rapidamente, rendendoli suscettibili alla contaminazione da altri elementi.
Non tutti i lantanidi si ossidano allo stesso ritmo. Il lutezio e il gadolinio, ad esempio, possono essere esposti all’aria per lunghi periodi senza annerirsi, mentre elementi come lantanio, neodimio ed europio sono altamente reattivi e devono essere conservati in olio minerale per evitare l’ossidazione.
I lantanidi hanno tre elettroni di valenza: due nell’orbitale 6s e uno nell’orbitale 5d. La sua configurazione elettronica cambia all’aumentare di Z perché i nuovi elettroni che entrano nella nuvola elettronica si collocano nei sette orbitali 4f. Il lantanio non ha elettroni 4f, il cerio ne ha uno, il praseodimio ne ha due, ecc., fino al lutezio che ha quattordici elettroni che lo completano completamente. riempiono gli orbitali 4f. I tre elettroni di valenza rendono REE 3+ lo ione più stabile presente in natura ad eccezione dell’Eupio, che è principalmente come Eu2+, e del Cerio che può essere parzialmente ossidato a Ce 4 + .
Tutti i membri del gruppo dei lantanidi sono estremamente miti. La maggior parte può essere facilmente tagliata con un coltello e non richiede strumenti pesanti per rimuoverla dal terreno.
Questi oggetti non sono considerati rari perché difficili da trovare. Sono rari perché è difficile estrarre quantità sufficienti della forma pura di ciascun elemento per soddisfare tutte le esigenze industriali.
Terre rare sul mercato e il pericolo di avere un produttore dominante
Secondo lo United States Geological Survey, nel 2000, la Cina produceva oltre il 90% della domanda mondiale di metalli delle terre rare. I suoi minerali sono ricchi di ittrio, lantanio e neodimio.
Nell’agosto 2010, i timori persistenti circa il dominio cinese sulle forniture cruciali di terre rare hanno attirato l’attenzione del mondo quando la Cina ha limitato le quote di esportazione dei metalli senza una spiegazione ufficiale, innescando immediatamente un dibattito sulla decentralizzazione della produzione globale di terre rare.
Distribuzione delle terre rare nel mondo
La Cina ha il maggior numero di riserve di terre rare al mondo con circa il 36%, le nazioni del Commonwealth russo ne hanno il 19% (Comunità di Stati Indipendenti, nazioni post-sovietiche), gli Stati Uniti hanno il 13% e l’Australia il 5% delle riserve di terre rare. 1]. La Cina ha alcune delle più grandi concentrazioni di terre rare al mondo, inclusa la miniera di Bayan Obo nella Mongolia Interna. La mostra mostra l’aumento della produzione dal resto del mondo man mano che aumenta la concorrenza per l’estrazione e la fornitura di ossido di terre rare (REO).
Anche se la Cina estrae la maggior parte delle terre rare del mondo, il paese detiene solo circa un terzo delle riserve rimanenti ed è meno dominante nell’estrazione di altri minerali critici. La Cina produce solo il 7% del litio mondiale , con solo il 20% delle riserve recuperabili. Pechino ha anche un minor controllo sulla produzione di cobalto , che è più raro. Circa il 60% di tutto il cobalto viene estratto nella Repubblica Democratica del Congo, che detiene la metà delle riserve mondiali economicamente recuperabili. Allo stesso modo, i paesi dell’Africa meridionale e orientale offrono il potenziale maggiore per l’estrazione di terre rare. A differenza degli Stati Uniti, la Cina ha meno scrupoli nell’investire in queste miniere, dove sono stati identificati il traffico di esseri umani e il lavoro minorile.
Risorse minerali globali delle terre rare
Gli elementi delle terre rare sono relativamente abbondanti nella crosta terrestre, ma le concentrazioni rilevabili sono meno comuni rispetto alla maggior parte degli altri minerali. Le risorse statunitensi e mondiali si trovano principalmente in bastnäsite e monazite. I depositi di Bastnäsit in Cina e negli Stati Uniti costituiscono la percentuale maggiore delle risorse economiche mondiali di terre rare, mentre i depositi di monazite in Australia, Brasile, Cina, India, Malesia, Sud Africa, Sri Lanka, Tailandia e Stati Uniti costituiscono il secondo posto più grande segmento.
La maggior parte delle risorse rimanenti sono apatite, cheralite, eudialite, loparite, fosforiti, argille contenenti terre rare (adsorbimento di ioni), monazite secondaria , soluzioni di uranio esaurito e xenotime. Si ritiene che le risorse non ancora scoperte siano molto grandi rispetto alla domanda prevista. Questo è secondo il riepilogo dei prodotti minerali del Geological Survey degli Stati Uniti del 2017.
Da dove provengono oggi?
Sebbene siano chiamati elementi terrestri “rari”, in realtà non sono così rari e sono relativamente abbondanti nella crosta terrestre. Ciò che è insolito è trovarli in quantità sufficienti a sostenere lo sviluppo economico dei minerali, soprattutto nei paesi con leggi minerarie e programmi ambientali più rigorosi.
Inizialmente, le REE (acronimo di “Rare earth elements”) venivano recuperate come fase del processo di estrazione e recupero dell’uranio. Negli anni ’60, l’adozione della televisione a colori portò al primo utilizzo commerciale significativo delle terre rare, la maggior parte delle quali venivano estratte in California. Poiché i tradizionali processi di recupero richiedono molta manodopera e generano un notevole inquinamento, negli anni ’90 la Cina è diventata il principale produttore mondiale di REE. Con salari più bassi e leggi ambientali più permissive, nessun’altra nazione potrebbe competere. Nel 2000, la Cina era responsabile di oltre il 95% dell’estrazione mondiale di REE.
Con il mercato messo alle strette dall’estrazione mineraria REE, la Cina ha proceduto a costruire una solida industria dalle miniere ai magneti, che ha visto paesi high-tech come il Giappone e gli Stati Uniti dipendere da loro per le loro tecnologie emergenti. I pericoli di questo monopolio sono diventati molto evidenti dopo che un conflitto territoriale del 2010 ha portato la Cina a imporre l’embargo sulla vendita di REE al Giappone. Diverse amministrazioni statunitensi hanno identificato il monopolio da parte della Cina sulla catena di fornitura delle terre rare come una questione di interesse nazionale. Un rapporto del 2021 del Foreign Policy Research Institute l’ha identificata come “ una delle maggiori vulnerabilità strategiche per gli Stati Uniti e i suoi alleati da quando l’embargo petrolifero arabo scatenò la crisi della sicurezza energetica degli anni ’70.
Negli ultimi anni, l’estrazione di REE si è diversificata. Nel 2022 circa il 35% dei minerali REE veniva estratto al di fuori della Cina. Sfortunatamente, questa diversificazione non si è estesa al resto della catena di fornitura, come dimostra il grafico seguente. Ancora oggi, la maggior parte delle REE estratte in altri paesi vengono ancora inviate in Cina per la separazione, la raffinazione e la produzione di magneti, consentendo alla Cina di continuare a dominare la catena di approvvigionamento delle REE.
Prospettiva degli elementi delle terre rare
Si prevede che la domanda globale di automobili, elettronica di consumo, illuminazione a risparmio energetico e catalizzatori aumenterà rapidamente nel prossimo decennio. Si prevede che la domanda di magneti in terre rare aumenterà, così come la domanda di batterie ricaricabili. Si prevede che i nuovi sviluppi nella tecnologia medica aumenteranno l’uso dei laser chirurgici, della risonanza magnetica e dei rilevatori a scintillazione per tomografia a emissione di positroni.
Gli elementi delle terre rare sono ampiamente utilizzati in tutti questi settori, quindi la loro domanda è destinata a rimanere elevata.