В готовой индивидуальной исследовательской работе по химии на тему "Редкоземельные элементы" кратко изложен теоретический аспект вопроса, а также проведены исследования, направленные на изучение химических свойств редкоземельных элементов и их геологического распределения.

Подробнее о работе:

В ходе работы над ученическим проектом по химии на тему "Редкоземельные элементы" автор дал определение понятия "редкоземельные металлы", перечислил все редкоземельные элементы с указанием их обозначения в периодической таблице, а также охарактеризовал каждый элемент периодической таблицы Менделеева, относящийся к этой группе.

В рамках научно-исследовательской работы "Редкоземельные элементы" рассмотрены исторические данные об открытии и изучении редкоземельных элементов в составе земной коры. В работе указаны области и способы применения редкоземельных элементов, их глобальное производство, геологическое распределение и влияние на экологию планеты и здоровье человека.

Оглавление

Введение
1. История редкоземельных элементов.
2. Химические свойства редкоземельных элементов.
3. Геологическое распределение редкоземельных элементов.
4. Глобальное производство редкоземельных элементов.
5. Применение редкоземельных элементов.
6. Экологические соображения.
Заключение
Список литературы

Редкоземельные элементы или редкоземельные металлы - это группа химических элементов в периодической таблице Д.И.Менделеева, состоящая из пятнадцати лантанидов, а также скандия и иттрия.

Скандий и иттрий считаются редкоземельными элементами, поскольку они, как правило, встречаются в тех же рудных месторождениях, что и лантаноиды, и демонстрируют сходные химические, но при этом различные электронные и магнитные свойства. В редких случаях можно использовать более широкое определение, которое включает актиниды, поскольку актиниды обладают некоторыми минералогическими, химическими и физическими характеристиками.

17 редкоземельных элементов: скандий (Sc), иттрий (Y), лантан (La), церий (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометий (Pm), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Yb), лютеций (Lu).

Несмотря на свое название, редкоземельные элементы, за исключением радиоактивного прометия, многочисленны в земной коре, причем церий является 25-м наиболее распространенным элементом, который встречается чаще, чем медь.

Однако из-за своих геохимических свойств редкоземельные элементы обычно рассеяны и не часто обнаруживаются в виде редкоземельных минералов, поэтому экономически эксплуатируемые рудные месторождения встречаются реже.

В 1787 году первым обнаруженным редкоземельным минералом стал гадолинит - минерал, состоящий из церия, иттрия, железа, кремния и других элементов. Этот минерал был добыт из шахты в деревне Иттерби в Швеции; четыре из редкоземельных элементов носят названия, полученные из этого единственного местоположения.

Первым обнаруженным редкоземельным элементом был черный минерал иттербит (переименованный в гадолинит в 1800 году). Он был обнаружен лейтенантом Карлом Акселем Аррениусом в 1787 году в деревне Иттерби в Швеции.

«Иттербит» Аррениуса дошел до Юхана Гадолина, профессора Королевской академии Турку. Он обнаружил неизвестную до того «редкую землю», которую назвал иттриевой. Андерс Густав Экеберг изолировал бериллий от гадолинита, но не смог распознать другие элементы, содержащиеся в руде. После этого открытия в 1794 году минерал был повторно рассмотрен Берцелиусом и Вильгельмом Хизингером. В 1803 году они получили белый оксид и назвали его оксидом церия.

Таким образом, к 1803 году было два известных редкоземельных элемента. Исследователям потребовалось еще 30 лет, чтобы определить, что другие элементы содержались в двух рудах - церии и иттрии.

В 1839 году помощник Берцелиуса Карл Густав Мосандер отделил церий, нагревая нитрат и растворяя продукт в азотной кислоте. Он назвал оксид растворимой соли «лантаной». Ему потребовалось еще три года, чтобы разделить лантану дальше на «дидимий» и чистую лантану.

В 1842 году Мосандер разделил также иттрию на три оксида: чистую иттрию, тербию и эрбию. Оксид, дающий розовые соли, он назвал тербием, а тот, который дал желтый пероксид, назвал эрбием.

Так, в 1842 году число известных редкоземельных элементов достигло шести: иттрий, церий, лантан, дидим, эрбий и тербий.

Спектроскопия.

В течение 30 лет не было никаких новых открытий, и элемент дидимия включили в периодическую таблицу с молекулярной массой 138. В 1879 году Делафонтейн использовал новый физический процесс оптической спектроскопии пламени и обнаружил несколько новых спектральных линий в дидимии. Также в 1879 году Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном был выделен новый элемент «самария» из минерального самарскита.

Самарийская земля была дополнительно отделена Лекоком де Буабодраном в 1886 году, и аналогичный результат получил Жан Шарль Галиссар де Мариньяк путем прямой изоляции от самарскита. Они назвали элемент «гадолиний» в честь Йохана Гадолина, а его оксид получил название «гадолиния».

Дальнейший спектроскопический анализ самарии, иттрии и самарскита Уильяма Крукса, Лекока де Буасбаудрана и Эжена-Анатоля Демарсея позволил получить несколько новых спектроскопических линий, которые указывали на существование неизвестного элемента. Фракционная кристаллизация оксидов привела к образованию «европия» в 1901 году.

В 1839 году стал доступен третий источник редких земель. Это минерал, похожий на гадолинит – уранотантал, сейчас называется «самарскит». Этот минерал из Миасса на юге Урала был задокументирован Густавом Роузом. Российский химик Р. Харманн предложил, чтобы в этом минерале присутствовал новый элемент, который он назвал «ильмением», но позже Кристиан Вильгельм Бломстранд, Галиссар де Мариньяк и Генрих Роуз обнаружили в нем только тантал и ниобий.

Точное количество существовавших редкоземельных элементов было весьма неясным, максимальное их количество оценили в 25 штук. Использование рентгеновских спектров Генри Гвином Джеффрисом Мозли позволило назначить атомные номера элементам. Мозли обнаружил, что точное число лантаноидов должно составлять 15, но элемент 61 еще не был обнаружен.

Используя эти факты об атомных номерах из рентгеновской кристаллографии, Мозли также показал, что гафний (элемент 72) не будет редкоземельным элементом. Гафний - это элемент, который находится в периодической таблице непосредственно под цирконием, а они очень похожи по своим химическим и физическим свойствам.

В 1940-х годах Фрэнк Спеддинг и другие разработали процедуры химического ионного обмена для отделения и очистки редкоземельных элементов. Этот метод был впервые применен к актинидам для отделения плутония-239 и нептуния от урана, тория, актиния и других актинидов в материалах, полученных в ядерных реакторах.

Основными источниками редкоземельных элементов являются минералы бастназит, монацит, лопарит и латеритные ионно-адсорбционные глины. Несмотря на их высокую распространённость, редкоземельные минералы труднее добывать, чем эквивалентные источники переходных металлов, что делает редкоземельные элементы относительно дорогими.

Их промышленное использование было очень ограниченным, пока в конце 1950-х и начале 1960-х годов не появились эффективные методы разделения, такие как ионный обмен, фракционная кристаллизация и жидкостная экстракция.

Скандий, иттрий и лантаноиды имеют высокую реакционную способность. Химическая активность этих элементов особенно заметна при повышенных температурах. При нагревании в кислороде металлы легко реагируют с ним, образуя оксиды: R2O3 (R – атом редкоземельного элемента), CeO2, Pr6O11, Tb4O7. Во время горения данных металлов в атмосфере кислорода выделяется большое количество тепла. Для церия характерной особенностью является свойство пирофорности — способность искриться при разрезании металла на воздухе.

Лантан, церий и другие металлы уже при обычной температуре реагируют с водой и кислотами-неокислителями, выделяя водород. Из-за высокой активности к атмосферному кислороду и воде куски лантана, церия, празеодима, неодима и европия следует хранить в парафине, остальные из редкоземельных металлов окисляются плохо и их можно хранить в нормальных условиях без противоокислительных веществ.

Химическая активность редкоземельных металлов неодинакова. От скандия до лантана химическая активность возрастает, а в ряду лантан — лютеций — снижается. Отсюда следует, что наиболее активным металлом является лантан. Это обуславливается уменьшением радиусов атомов элементов от лантана до лютеция с одной стороны, и от лантана до скандия — с другой.

Редкоземельные элементы чаще всего проявляют степень окисления +3. Из-за этого наиболее характерными являются оксиды R2O3 — твёрдые, крепкие и тугоплавкие соединения. Будучи основными оксидами, они для большинства элементов способны соединяться с водой и создавать основания — R(OH)3. Гидроксиды редкоземельных металлов малорастворимы в воде.

Поскольку металлы данной подгруппы активны, а их соли с сильными кислотами растворимы, они легко растворяются и в кислотах-неокислителях, и кислотах-окислителях.

Все редкоземельные металлы энергично реагируют с галогенами, создавая RHal3 (Hal — галоген). С серой и селеном они также реагируют, но при нагревании.

Редкоземельный элемент церий является на самом деле 25-м самым распространенным элемент в земной коре. Только крайне нестабильный и радиоактивный элемент прометий довольно редок.

Редкоземельные элементы часто встречаются вместе. Период полураспада самого длинного изотопа прометия составляет больше 17 лет, поэтому этот элемент существует в природе лишь в незначительных количествах (приблизительно 572 г во всей земной коре). Прометий является одним из двух элементов, которые не имеют нерадиоактивных изотопов и сопровождаются стабильными элементами (другим является технеций).

Во время последовательного наращивания Земли плотные редкоземельные элементы были включены в более глубокие части планеты. Ранняя дифференциация расплавленного материала в значительной степени включала редкоземельные элементы в породы мантии.

Высокая напряженность поля и большие ионные радиусы редкоземельных элементов делают их несовместимыми с кристаллическими решетками большинства породообразующих минералов, поэтому элементы подвергаются разделению на фазу расплава, если он будет присутствовать. Редкоземельные элементы химически очень похожи и их всегда было трудно разделить, но постепенное уменьшение ионного радиуса, называемое лантаноидным сокращением, может производить широкое разделение между легкими и тяжелыми элементами.

До 1948 года большинство редкоземельных металлов в мире добывалось из россыпных месторождений в Индии и Бразилии. В течение 1950-х годов редким источником в мире была Южная Африка, а с 1960-х до 1980-х ведущим производителем стали Соединенные Штаты. Сегодня месторождения Индии и Южной Африки до сих пор производят некоторые редкоземельные концентраты, но они не соответствуют масштабам китайского производства.

В 2017 году Китай произвел 81% мировых запасов редкоземельных элементов, в основном, в Внутренней Монголии. Австралия была вторым и единственным другим крупным производителем с 15% мирового производства. Все тяжелые редкие земли в мире (такие как диспрозий) происходят из китайских редкоземельных источников, таких как полиметаллическое месторождение Баян Обо.

Увеличенный спрос ограничил предложение, и есть обеспокоенность, что мир может скоро столкнуться с нехваткой редких земель. Ожидалось, что начиная с 2009 года, мировой спрос на редкоземельные элементы превысит предложение на 40 000 тонн в год, если не будут разработаны новые крупные источники.

В 2013 году было заявлено, что спрос на редкоземельные элементы увеличится из-за зависимости Евросоюза от них, того факта, что редкоземельные элементы не могут быть заменены другими элементами, и что они имеют низкую скорость переработки.

Кроме того, из-за возросшего спроса и низкого предложения ожидается рост цен в будущем, и есть вероятность, что страны, кроме Китая, будут открывать шахты редкоземельных элементов. Спрос растет из-за того, что они необходимы для новых и инновационных технологий. Новые продукты, для производства которых требуются редкоземельные элементы, представляют собой высокотехнологичное оборудование, такое как смартфоны, цифровые камеры, компьютерные комплектующие, полупроводники и т. д.

Кроме того, эти элементы более распространены в следующих отраслях: технология возобновляемых источников энергии, военное оборудование, производство стекла и металлургия.

Опасения усилились из-за действий Китая, основного поставщика. В частности, Китай объявил о правилах экспорта и пресечения контрабанды. 1 сентября 2009 года страна сообщила о планах сократить свою экспортную квоту до 35 000 тонн в год в 2010–2015 годах для сохранения ограниченных ресурсов и защиты окружающей среды.

В сентябре 2011 года Китай объявил о прекращении производства трех из восьми основных редкоземельных рудников, на которые приходится почти 40% общего производства редкоземельных металлов в Китае.

В августе 2012 года Китай объявил о дальнейшем сокращении производства на 20%. После чего в 2012 году Соединенные Штаты, Япония и Европейский союз подали совместный иск с Всемирной торговой организацией против Китая, утверждая, что Китай не должен отрицать такой важный экспорт.

В результате возросшего спроса и ужесточения ограничений на экспорт металлов из Китая некоторые страны запасают редкоземельные ресурсы. Продолжаются поиски альтернативных источников в Австралии, Бразилии, Канаде, Южной Африке, Танзании, Гренландии и Соединенных Штатах.

Значительное количество редкоземельных оксидов обнаружено в хвостах, накопленных за 50 лет добычи урановых руд, сланцев и лопаритов в Силламяэ в Эстонии. Из-за растущих цен на редкоземельные элементы, извлечение этих оксидов стало экономически целесообразно. Страна в настоящее время экспортирует около 3000 тонн в год, что составляет около 2% мирового производства.

Подобные ресурсы подозреваются в западной части Соединенных Штатов, где, как полагают, золотые лихорадки миновали большое количество редкоземельных элементов, поскольку в то время они не имели никакой ценности.

В мае 2012 года исследователи из двух университетов в Японии объявили, что они обнаружили редкие земли в префектуре Эхимэ.

В январе 2013 года японское глубоководное исследовательское судно получило семь глубоководных образцов керна с морского дна Тихого океана на глубине 5600–5800 метров. Исследовательская группа обнаружила слой грязи на глубине 2-4 метра под морским дном с концентрациями до 0,66% редкоземельных оксидов. Потенциальное месторождение может сравниваться по содержанию с месторождениями ионно-абсорбционного типа на юге Китая, которые обеспечивают основную часть добычи рудника в стране.

Другой недавно разработанный источник редкоземельных элементов - это электронные и другие отходы, содержащие значительные редкоземельные компоненты. Новые достижения в технологии утилизации сделали добычу редкоземельных элементов из этих материалов более осуществимой, и в настоящее время в Японии работают перерабатывающие заводы, где, по оценкам, в неиспользованной электронике хранится около 300 000 тонн редкоземельных элементов.

Использование, применение и спрос на редкоземельные элементы расширились за последние годы. Во всем мире большинство элементов используются для катализаторов. В США к основным видам применения также относятся керамика, стекло и полировка.

Другие важные области применения редкоземельных элементов – это производство высокоэффективных магнитов, сплавов, стекол и электроники. Цезий и лантан важны в качестве катализаторов, используются для переработки нефти и в качестве присадок к дизельному топливу.

Неодим важен в производстве магнитов в традиционных и низкоуглеродистых технологиях. Редкоземельные элементы этой категории используются в электродвигателях гибридных и электромобилей, в генераторах ветряных турбин, жестких дисках, портативной электронике, микрофонах, динамиках.

Цезий, лантан и неодим играют важную роль в производстве сплавов, жидкокристаллических и плазменных экранов, волоконной оптики, лазеров, также важны в электронике и в медицинской визуализации. Дополнительное использование редкоземельных элементов в качестве индикаторов в медицинских целях, удобрениях и при очистке воды.

Редкоземельные элементы используются в сельском хозяйстве для увеличения роста растений, продуктивности и стрессоустойчивости. Кроме того, являются кормовыми добавками для скота, что привело к увеличению производства яиц и молочных продуктов. Однако эта практика поспособствовала биоаккумуляции элементов в животноводстве и повлияла на рост растительности и водорослей в этих сельскохозяйственных районах.

Редкоземельные элементы, естественно, находятся в очень низкой концентрации в окружающей среде. Рядом с горнодобывающими и промышленными объектами концентрации могут в несколько раз превышать нормальные фоновые уровни.

Оказавшись в окружающей среде, редкоземельные элементы могут выщелачиваться в почву, где их перенос определяется многими факторами, такими как эрозия, выветривание, водородный показатель рН, осадки, грунтовые воды и т. д. В зависимости от их биодоступности, элементы могут поглощаться растениями и впоследствии потребляться людьми и животными.

Добыча, переработка и утилизация редкоземельных элементов могут иметь серьезные экологические последствия. Потенциальной опасностью являются радиоактивные хвосты низкого уровня, возникающие в результате присутствия тория и урана в рудах редкоземельных элементов. Неправильное обращение с этими веществами может привести к значительному ущербу для окружающей среды. В мае 2010 года Китай объявил о крупном пятимесячном подавлении незаконной добычи полезных ископаемых с целью защиты окружающей среды и ее ресурсов.

Литература, опубликованная в 2004 году, предполагает, что наряду с ранее установленными мерами по предотвращению загрязнения, более круговая цепочка поставок помогла бы смягчить часть загрязнения, которое находится в точке добычи.

Это означает переработку и повторное применение редкоземельных элементов, которые уже используются или достигают конца своего жизненного цикла. Исследования, проведенные в 2014 году, предполагают способ утилизации редкоземельных элементов из отработанных никель-металлогидридных батарей.

Добыча редкоземельных элементов вызвала загрязнение почвы и воды в производственных зонах, что повлияло на растительность в этих районах, уменьшив выработку хлорофилла. Однако существуют растения, способные сохранять и поглощать редкоземельные элементы, поэтому влияние загрязнения зависит от растений, присутствующих в загрязненной среде.

Сельскохозяйственные растения являются основным типом растительности, подверженной загрязнению. А основными растениями, которые имеют более высокую вероятность поглощения и хранения элементов, являются яблоки и свекла.

Кроме того, существует вероятность, что редкоземельные элементы могут выщелачиваться в водную среду и поглощаться водной растительностью, которая затем потенциально попадает в пищевую цепь человека.

Редкоземельные элементы представляют собой большую группу со многими различными свойствами и уровнями в окружающей среде. Из-за этого и из-за ограниченных исследований было трудно определить безопасные уровни воздействия на человека.

В ряде исследований было продемонстрировано, что многочисленные элементы обладают токсическими свойствами и присутствуют в окружающей среде или на рабочих местах. Их воздействие может привести к широкому спектру негативных последствий для здоровья, таких как рак, проблемы с дыханием, потеря зубов и даже смерть.

Доказано, что токсичность проявляется при попадании внутрь загрязненных продуктов питания и воды, вдыхании частиц пыли и дыма, в качестве производственной опасности, а также из-за близости к загрязненным участкам, таким как шахты и города. Было обнаружено, что у людей, живущих рядом с шахтами в Китае, уровень редкоземельных элементов в крови, моче, костях и волосах во много раз выше, чем у людей, находящихся далеко от мест добычи.

Несмотря на то, что уровни редкоземельных элементов варьировались между мужчинами и женщинами, наиболее подверженными риску были дети, потому что вещества могли сказываться на неврологическом развитии детей. Следовательно, это может повлиять на их IQ и привести к потере памяти.

Процесс добычи и плавки редкоземельных элементов может выделять находящийся в воздухе фторид, связывающийся с суммарными взвешенными частицами с образованием аэрозолей, которые могут попадать в дыхательные системы человека и вызывать повреждения и респираторные заболевания.

Несмотря на пагубное воздействие редкоземельных элементов на окружающую среду и здоровье человека, они представляют огромную важность для нашего будущего. Уже сейчас металлы используются в разных промышленных отраслях, а в дальнейшем для них может быть приготовлена ещё большая роль.

Учёные продолжают изучать такую необычную группу, как редкоземельные элементы. Какими ещё удивительными свойствами обладают эти уникальные металлы, покажет лишь время.

1. Каширцев В. А., Лифшиц С. Х., Сукнев В. С. и др. Угли Ленского бассейна как потенциальный источник редкоземельных элементов // Наука — производству. 2004;
2. Михайличенко А. И., Клименко М. А., в сб.: Итога науки -и техники. Металлургия цветных и редких металлов, т. 10, М., 1977, с. 5-36;
3. Редкоземельные элементы, Технология и применение, под ред. Ф. Виллани, пер. с англ., М., 1985;
4. Зеликман А.Н., Меерсон Г.А., Металлургия редких металлов, М., 1973;
5. Зеликман А.Н. Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана. - М.: Металлургия, 1960;
6. Сонгина О.А., Редкие металлы, 3 изд., М., 1964;
7. Справочник по редким металлам, пер. с англ., под ред. В.Е. Плющева, М., 1965.