Σπάνιες γαίες

Κατάλογος στοιχείων σπάνιων γαιών

Εδώ παρατίθεται ένας πίνακας με τα δεκαεπτά σπάνια γήινα στοιχεία, τον ατομικό αριθμό και το σύμβολό τους, την προέλευση των ονομάτων τους και ορισμένες από τις χρήσεις τους. Ορισμένες από τις σπάνιες γαίες έχουν πάρει το όνομά τους από τους επιστήμονες που τις ανακάλυψαν, και ορισμένες έχουν πάρει το όνομά τους με βάση τον τόπο ανακάλυψής τους.

Z	Σύμβολο	Όνομα	Προέλευση ονόματος	Επιλεγμένες εφαρμογές
21	Sc	Scandium	από τη Σκανδιναβία, όπου ανακαλύφθηκε το πρώτο μετάλλευμα σπάνιων γαιών.	Το ελαφρύ κράμα αλουμινίου-σκάνδιου χρησιμοποιείται για αεροδιαστημικά εξαρτήματα. Αποτελεί επίσης πρόσθετο σε ορισμένους λαμπτήρες.
39	Y	Ύττριο	από το χωριό Ytterby της Σουηδίας, όπου ανακαλύφθηκε.	Το ύττριο βρίσκεται σε ορισμένα λέιζερ και φωσφόρους τηλεόρασης. Έχει επίσης εφαρμογές σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας και φίλτρα μικροκυμάτων, ενεργειακά αποδοτικούς λαμπτήρες.
57	La	Λανθάνιο	από το ελληνικό "lanthanein", που σημαίνει κρυφός.	Γυαλί με υψηλό δείκτη διάθλασης, πυριτόλιθος, αποθήκευση υδρογόνου, ηλεκτρόδια μπαταριών, φακοί φωτογραφικών μηχανών, καταλύτης καταλυτικής πυρόλυσης ρευστών για διυλιστήρια πετρελαίου
58	Ce	Cerium	από τον πλανήτη νάνο Δήμητρα, που πήρε το όνομά του από τη ρωμαϊκή θεά της γεωργίας.	Χημικός οξειδωτικός παράγοντας, σκόνη στίλβωσης, κίτρινα χρώματα σε γυαλί και κεραμικά, καταλύτης για αυτοκαθαριζόμενους φούρνους, καταλύτης καταλυτικής πυρόλυσης ρευστών για διυλιστήρια πετρελαίου, πυριτόλιθοι για αναπτήρες
59	Pr	Πρασαιοδύμιο	από τα ελληνικά "πρασιός", που σημαίνει πράσο-πράσινο, και "δίδυμος", που σημαίνει δίδυμος.	Μαγνήτες σπανίων γαιών, λέιζερ, υλικό πυρήνα για φωτισμό τόξου άνθρακα, χρωστική ουσία, πρόσθετο σε γυαλί που χρησιμοποιείται σε γυαλιά συγκόλλησης,
60	Nd	Νεοδύμιο	από τα ελληνικά "νέος", που σημαίνει νέος, και "δίδυμος", που σημαίνει δίδυμος.	Μαγνήτες σπανίων γαιών, λέιζερ, ιώδη χρώματα σε γυαλί και κεραμικά, κεραμικοί πυκνωτές
61	Pm	Προμέθιο	από τον Τιτάνα Προμηθέα, ο οποίος έφερε τη φωτιά στους θνητούς.	Πυρηνικές μπαταρίες
62	Sm	Σαμάριο	από τον Vasili Samarsky-Bykhovets, ο οποίος ανακάλυψε το μετάλλευμα σπάνιων γαιών σαμαρσκίτη.	Μαγνήτες σπανίων γαιών, λέιζερ,
63	Eu	Europium	μετά την ήπειρο της Ευρώπης.	Κόκκινοι και μπλε φώσφοροι, λέιζερ, λαμπτήρες ατμών υδραργύρου,
64	Gd	Γαδολίνιο	από το όνομα του Johan Gadolin (1760-1852), προς τιμήν της έρευνάς του για τις σπάνιες γαίες.	Μαγνήτες σπανίων γαιών, γυαλί ή γρανάτες με υψηλό δείκτη διάθλασης, λέιζερ, σωλήνες ακτίνων Χ, μνήμες υπολογιστών, σύλληψη νετρονίων, παράγοντες αντίθεσης μαγνητικής τομογραφίας |-
65	Tb	Τέρβιο	από το χωριό Ytterby της Σουηδίας.	Πράσινοι φωσφορίζοντες, λέιζερ, λαμπτήρες φθορισμού
66	Dy	Δυσπρόσιο	από το ελληνικό "δυσπρόσιτος", που σημαίνει δύσκολος.	Μαγνήτες σπανίων γαιών, λέιζερ
67	Ho	Χόλμιο	από τη Στοκχόλμη (στα λατινικά, "Holmia"), γενέτειρα ενός από τους ανακαλύπτες της.	Λέιζερ
68	Er	Erbium	από το χωριό Ytterby της Σουηδίας.	Λέιζερ, χάλυβας βαναδίου
69	Tm	Θούλιο	από τη μυθολογική βόρεια χώρα Thule.	Φορητά μηχανήματα ακτίνων Χ
70	Yb	Ytterbium	από το χωριό Ytterby της Σουηδίας.	Υπέρυθρα λέιζερ, χημικός αναγωγικός παράγοντας
71	Lu	Lutetium	από τη Λουτετία, την πόλη που αργότερα έγινε το Παρίσι.	Ιατρικές συσκευές, γυαλί υψηλού δείκτη διάθλασης

Προέλευση

Τα σπάνια γήινα στοιχεία είναι βαρύτερα από τον σίδηρο. Δημιουργούνται από υπερκαινοφανείς αστέρες (αστέρια που εκρήγνυνται). Στη φύση, η σχάση του ουρανίου-238 δημιουργεί πολύ μικρές ποσότητες ραδιενεργού προμεθίου. Το περισσότερο προμέθιο δημιουργείται συνθετικά σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Τα στοιχεία σπάνιων γαιών μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου σε μικρές ποσότητες (ppm, μέρη ανά εκατομμύριο). Η αναλογία τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γεωλογική χρονολόγηση και χρονολόγηση απολιθωμάτων.

Γεωλογική κατανομή

Τα στοιχεία σπάνιων γαιών βρίσκονται συχνά μαζί. Το μακροβιότερο ισότοπο του προμηθίου έχει χρόνο ημιζωής 17,7 έτη. Εξαιτίας αυτού, το στοιχείο υπάρχει στη φύση μόνο σε πολύ μικρές ποσότητες. Το προμέθιο είναι ένα από τα δύο στοιχεία που δεν έχουν σταθερά (μη ραδιενεργά) ισότοπα και ακολουθούνται από σταθερά στοιχεία (το άλλο είναι το τεχνήτιο).

Επειδή όλα τα λανθανίδια έχουν μικρό μέγεθος, τα στοιχεία των σπάνιων γαιών ήταν πάντα δύσκολο να διαχωριστούν. Ακόμα και με αιώνες γεωλογικού χρόνου, ο διαχωρισμός των λανθανιδίων στη φύση σπάνια προχώρησε περισσότερο από το διαχωρισμό μεταξύ ελαφρών και βαρέων λανθανιδίων, γνωστών και ως γαιάνθρακες του κερίου και του υττρίου. Αυτός ο γεωχημικός διαχωρισμός φαίνεται στις δύο πρώτες σπάνιες γαίες που ανακαλύφθηκαν. Αυτές ήταν το ύτριο το 1794 και το κέρι το 1803. Όταν βρέθηκαν για πρώτη φορά, το καθένα ήταν ένα μείγμα όλων των σπάνιων γαιών. Μεγάλα μεταλλεύματα των γαιών του κερίου βρίσκονται σε όλο τον κόσμο και βρίσκονται υπό εκμετάλλευση. Τα μεταλλεύματα του υττρίου είναι σπανιότερα. Επίσης, είναι συνήθως μικρότερα και λιγότερο συμπυκνωμένα.

Παγκόσμια παραγωγή σπάνιων γαιών

Μέχρι το 1948, οι περισσότερες σπάνιες γαίες στον κόσμο προέρχονταν από κοιτάσματα άμμου στην Ινδία και τη Βραζιλία. Μέχρι τη δεκαετία του 1950, η Νότια Αφρική εξόρυττε τις περισσότερες σπάνιες γαίες στον κόσμο. Αυτό συνέβη αφού βρέθηκαν εκεί μεγάλες φλέβες ενός ορυκτού που περιέχει σπάνιες γαίες. Από τη δεκαετία του 1960 έως τη δεκαετία του 1980, ένα ορυχείο στην Καλιφόρνια ήταν ο κύριος παραγωγός. Σήμερα, τα κοιτάσματα της Ινδίας και της Νότιας Αφρικής εξακολουθούν να παράγουν κάποια συμπυκνώματα σπάνιων γαιών, αλλά είναι πολύ μικρά σε σύγκριση με την ποσότητα που παράγεται στην Κίνα. Η Κίνα παρήγαγε πάνω από το 95% της παγκόσμιας προσφοράς σπάνιων γαιών. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού έγινε στην Εσωτερική Μογγολία, παρόλο που είχε μόνο το 37% των αποδεδειγμένων αποθεμάτων. Αν και οι αριθμοί αυτοί έχουν έκτοτε ειπωθεί ότι έχουν μειωθεί στο 90% και στο 23% μέχρι το 2012. Όλες οι βαριές σπάνιες γαίες του κόσμου (όπως το δυσπρόσιο) προέρχονται από κινεζικές πηγές σπάνιων γαιών, όπως το πολυμεταλλικό κοίτασμα Bayan Obo. Το 2010, το Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών (USGS) δημοσίευσε μια μελέτη στην οποία διαπιστώθηκε ότι οι Ηνωμένες Πολιτείες διαθέτουν 13 εκατομμύρια μετρικούς τόνους σπάνιων γαιών.

Η νέα ζήτηση για τα στοιχεία αυτά είναι μεγαλύτερη από την προσφορά τους. Ο κόσμος μπορεί σύντομα να αντιμετωπίσει έλλειψη των σπάνιων γαιών. Σε αρκετά χρόνια από το 2009, η παγκόσμια ζήτηση για στοιχεία σπάνιων γαιών αναμένεται να είναι μεγαλύτερη από την προσφορά κατά 40.000 τόνους κάθε χρόνο, εκτός εάν αναπτυχθούν νέες πηγές.

Κίνα

Οι ανησυχίες αυτές έχουν γίνει μεγαλύτερες λόγω των ενεργειών της Κίνας. Η Κίνα δήλωσε ότι θα θέσει κανονισμούς για τις εξαγωγές και θα εργαστεί για να σταματήσει το λαθρεμπόριο. Την 1η Σεπτεμβρίου 2009, η Κίνα δήλωσε ότι πρόκειται να μειώσει τις εξαγωγές της σε 35.000 τόνους ετησίως την περίοδο 2010-2015. Η Κίνα δήλωσε ότι αυτό έγινε για τη διατήρηση σπάνιων πόρων και την προστασία του περιβάλλοντος. Στις 19 Οκτωβρίου 2010 η China Daily ανέφερε ότι η Κίνα "θα μειώσει περαιτέρω τις ποσοστώσεις για τις εξαγωγές σπάνιων γαιών κατά 30% το πολύ το επόμενο έτος για να προστατεύσει τα πολύτιμα μέταλλα από την υπερεκμετάλλευση". Στα τέλη του 2010 η Κίνα δήλωσε ότι ο πρώτος γύρος εξαγωγών το 2011 για τις σπάνιες γαίες θα είναι 14.446 τόνοι. Πρόκειται για μείωση κατά 35% σε σχέση με τον πρώτο γύρο εξαγωγών του 2010. Τον Σεπτέμβριο του 2011 η Κίνα δήλωσε ότι σταματά την παραγωγή σε τρία από τα οκτώ ορυχεία σπάνιων γαιών που διαθέτει. Τα ορυχεία αυτά παρήγαγαν σχεδόν το 40% της συνολικής παραγωγής σπάνιων γαιών της Κίνας. Τον Αύγουστο του 2012, η Κίνα δήλωσε ότι θα υπάρξει άλλη μια μείωση της παραγωγής κατά 20%.

Εκτός Κίνας

Λόγω της αυξημένης ζήτησης και των περιορισμών στις εξαγωγές των μετάλλων από την Κίνα, ορισμένες χώρες συσσωρεύουν πόρους σπάνιων γαιών. Αναζητούνται νέες πηγές στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, τον Καναδά, τη Νότια Αφρική, την Τανζανία, τη Γροιλανδία και τις Ηνωμένες Πολιτείες. Τα ορυχεία σε αυτές τις χώρες έκλεισαν όταν η Κίνα υποσκέλισε τις παγκόσμιες τιμές τη δεκαετία του 1990. Θα χρειαστούν μερικά χρόνια για την επανεκκίνηση της παραγωγής.

Η Ευρωπαϊκή Ένωση προέτρεψε το προτεκτοράτο της Δανίας Γροιλανδία να περιορίσει την κινεζική ανάπτυξη έργων σπάνιων γαιών εκεί, καθώς η Κίνα αντιπροσωπεύει το 95 τοις εκατό της σημερινής παγκόσμιας προσφοράς. Από τις αρχές του 2013, η κυβέρνηση της Γροιλανδίας δήλωσε ότι δεν σχεδιάζει να επιβάλει τέτοιους περιορισμούς.

Η πυρηνική επανεπεξεργασία είναι μια άλλη πιθανή πηγή σπάνιων γαιών ή άλλων στοιχείων. Η πυρηνική σχάση ουρανίου ή πλουτωνίου δημιουργεί πολλά στοιχεία καθώς και όλα τα ισότοπά τους. Ωστόσο, δεν είναι πιθανό η δημιουργία τους να μπορεί να γίνει με ασφάλεια και οικονομία λόγω της ραδιενέργειας πολλών από αυτά τα ισότοπα.

Ανακύκλωση

Μια άλλη πηγή σπάνιων γαιών είναι τα ηλεκτρονικά απόβλητα και άλλα απόβλητα που έχουν μεγάλη ποσότητα συστατικών σπάνιων γαιών. Οι νέες εξελίξεις στην τεχνολογία ανακύκλωσης έχουν καταστήσει ευκολότερη την παραλαβή των σπάνιων γαιών από αυτά τα υλικά. Εργοστάσια ανακύκλωσης λειτουργούν σήμερα στην Ιαπωνία, όπου υπάρχουν περίπου 300.000 τόνοι σπάνιων γαιών σε αχρησιμοποίητα ηλεκτρονικά είδη. Στη Γαλλία, ο όμιλος Rhodia δημιουργεί δύο εργοστάσια στη La Rochelle και στο Saint-Fons. Τα εργοστάσια αυτά θα παράγουν 200 τόνους σπάνιων γαιών ετησίως από χρησιμοποιημένους λαμπτήρες φθορισμού, μαγνήτες και μπαταρίες.

Γεωπολιτικές εκτιμήσεις

Η Κίνα έχει δηλώσει ότι η εξάντληση των πόρων και οι περιβαλλοντικές ανησυχίες είναι οι λόγοι για τον αυξημένο εθνικό έλεγχο της παραγωγής ορυκτών σπάνιων γαιών. Έχουν επίσης προταθεί μη περιβαλλοντικοί λόγοι για να εξηγηθεί η πολιτική της Κίνας για τις σπάνιες γαίες. Σύμφωνα με τον Economist, "Η περικοπή των εξαγωγών τους σε μέταλλα σπάνιων γαιών... έχει ως στόχο να μετακινήσει τους κινέζους κατασκευαστές προς τα πάνω στην αλυσίδα εφοδιασμού, ώστε να μπορούν να πωλούν πολύτιμα τελικά προϊόντα στον κόσμο και όχι χαμηλές πρώτες ύλες".

Το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών στην έκθεση του 2010 για τη στρατηγική για τα κρίσιμα υλικά προσδιόρισε το δυσπρόσιο ως το στοιχείο που ήταν το πιο κρίσιμο από άποψη εξάρτησης από τις εισαγωγές.

Μια έκθεση του 2011 που εκδόθηκε από το U.S. Geological Survey και το Υπουργείο Εσωτερικών των ΗΠΑ, με τίτλο "China's Rare-Earth Industry", ασχολείται με τις τάσεις της βιομηχανίας στην Κίνα. Εξετάζει τις εθνικές πολιτικές που μπορούν να καθοδηγήσουν το μέλλον της παραγωγής της χώρας. Η έκθεση αναφέρει ότι το προβάδισμα της Κίνας στην παραγωγή ορυκτών σπάνιων γαιών έχει αυξηθεί τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Το 1990, η Κίνα αντιπροσώπευε μόνο το 27% των εν λόγω ορυκτών. Το 2009, η παγκόσμια παραγωγή ήταν 132.000 μετρικοί τόνοι. Η Κίνα παρήγαγε 129.000 από αυτούς τους τόνους. Σύμφωνα με την έκθεση, οι πρόσφατες τάσεις δείχνουν ότι η Κίνα θα επιβραδύνει τις εξαγωγές τέτοιων υλικών στον κόσμο: "Λόγω της αύξησης της εγχώριας ζήτησης, η κυβέρνηση μείωσε σταδιακά την ποσόστωση των εξαγωγών τα τελευταία χρόνια". Το 2006, η Κίνα επέτρεψε σε 47 εγχώριους παραγωγούς και εμπόρους σπάνιων γαιών και σε 12 σινο-αλλοδαπούς παραγωγούς σπάνιων γαιών να εξάγουν. Μέχρι το 2011, υπήρχαν μόνο 22 εγχώριοι παραγωγοί και έμποροι σπάνιων γαιών και 9 σινο-αλλοδαποί παραγωγοί σπάνιων γαιών. Οι μελλοντικές πολιτικές της κυβέρνησης θα διατηρήσουν πιθανότατα αυστηρούς ελέγχους: "Σύμφωνα με το σχέδιο της Κίνας για την ανάπτυξη των σπάνιων γαιών, η ετήσια παραγωγή σπάνιων γαιών μπορεί να περιοριστεί μεταξύ 130.000 και 140.000 [μετρικών τόνων] κατά την περίοδο από το 2009 έως το 2015. Η εξαγωγική ποσόστωση για τα προϊόντα σπάνιων γαιών μπορεί να είναι περίπου 35.000 [μετρικοί τόνοι] και η κυβέρνηση μπορεί να επιτρέψει σε 20 εγχώριους παραγωγούς και εμπόρους σπάνιων γαιών να εξάγουν σπάνιες γαίες".

Το Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών ερευνά το νότιο Αφγανιστάν για κοιτάσματα σπάνιων γαιών υπό την προστασία των στρατιωτικών δυνάμεων των Ηνωμένων Πολιτειών. Από το 2009, το USGS έχει πραγματοποιήσει απομακρυσμένες έρευνες καθώς και εργασίες πεδίου για να επαληθεύσει τους σοβιετικούς ισχυρισμούς ότι υπάρχουν ηφαιστειακά πετρώματα που περιέχουν μέταλλα σπάνιων γαιών στην επαρχία Helmand κοντά στο χωριό Khanneshin. Το USGS έχει βρει μια περιοχή πετρωμάτων στο κέντρο ενός σβησμένου ηφαιστείου με ελαφρά στοιχεία σπάνιων γαιών, συμπεριλαμβανομένου του κεραίου και του νεοδυμίου. Έχει χαρτογραφήσει 1,3 εκατομμύρια μετρικούς τόνους χρήσιμων πετρωμάτων. Αυτό είναι περίπου 10 χρόνια προσφοράς με τα σημερινά επίπεδα ζήτησης. Το Πεντάγωνο έχει εκτιμήσει την αξία του σε περίπου 7,4 δισεκατομμύρια δολάρια.

Τιμολόγηση σπάνιων γαιών

Τα σπάνια γήινα στοιχεία δεν διαπραγματεύονται στο χρηματιστήριο με τον ίδιο τρόπο που διαπραγματεύονται τα πολύτιμα (για παράδειγμα, ο χρυσός και ο άργυρος) ή τα μη σιδηρούχα μέταλλα (όπως το νικέλιο, ο κασσίτερος, ο χαλκός και το αλουμίνιο). Αντιθέτως, πωλούνται στην ιδιωτική αγορά. Αυτό καθιστά δύσκολη την παρακολούθηση και τον εντοπισμό των τιμών τους. Ωστόσο, οι τιμές δημοσιεύονται περιοδικά σε δικτυακούς τόπους όπως το mineralprices.com. Τα 17 στοιχεία δεν πωλούνται συνήθως στην καθαρή τους μορφή. Συνήθως διανέμονται σε μείγματα διαφορετικής καθαρότητας, π.χ. "Μέταλλο νεοδυμίου ≥ 99,5%". εξαιτίας αυτού, η τιμολόγηση μπορεί να διαφέρει ανάλογα με την ποσότητα και την ποιότητα που απαιτεί ο τελικός χρήστης.

Παγκόσμια παραγωγή 1950-2000