De fleste af os bruger sjældne jordelementer hver dag - uden at vide det. Disse lidt kendte og fascinerende elementer gør moderne elektronik mulig.
En håndfuld europium. Billede via Alchemist-hp.
Af Stanley Mertzman, Franklin & Marshall College
De fleste amerikanere bruger sjældne jordelementer hver dag - uden at vide det eller vide noget om, hvad de gør. Det kan ændre sig, da disse usædvanlige materialer er ved at blive et samlingspunkt i den eskalerende handelskrig mellem USA og Kina.
Stanley Mertzman, en geolog, hvis specialitet er røntgenanalyse af sten og mineraler for at bestemme deres kemiske sammensætning, og som underviser i mineralogi ved Franklin & Marshall College, besvarer fire spørgsmål om disse lidt kendte og fascinerende elementer - og den moderne elektronik, de fremstiller muligt.
1. Hvad er sjældne jordelementer?
Strengt taget er det elementer som andre på den periodiske tabel - såsom kulstof, brint og ilt - med atomnummer 57 til 71. Der er to andre med lignende egenskaber, der undertiden er grupperet med dem, men de vigtigste sjældne jordelementer er dem 15. For at fremstille den første, lanthanum, skal du starte med et bariumatom og tilføje en proton og en elektron. Hvert på hinanden følgende sjældne jordelement tilføjer endnu et proton og et mere elektron.
Et elektronisk diagram over et bariumelement, det sidste element før lanthanid sjældne jordelementer. Billede via Greg Robson og Pumbaa.
Et elektronisk diagram over et lanthanatom med et mere elektron i det femte kredsløb end barium. Billede via Greg Robson og Pumbaa.
Cerium har en mere elektron i sin femte orbital og en mere i sin fjerde end barium. Billede via Greg Robson og Pumbaa.
Det er vigtigt, at der er 15 sjældne jordelementer: Kemistuderende husker muligvis, at når elektroner sættes til et atom, samler de sig i grupper eller lag, kaldet orbitaler, som er som koncentriske cirkler af et mål rundt om kerneens tyre øje.
Den inderste målcirkel for ethvert atom kan indeholde to elektroner; at tilføje en tredje elektron betyder at tilføje en i den anden målcirkel. Det er her de næste syv elektroner også går - hvorefter elektroner skal gå til den tredje målcirkel, der kan rumme 18. De næste 18 elektroner går ind i den fjerde målcirkel.
Så begynder tingene at blive lidt underlige. Selvom der stadig er plads til elektroner i den fjerde målcirkel, går de næste otte elektroner ind i den femte målcirkel. Og trods mere plads i den femte, går de næste to elektroner efter det ind i den sjette målcirkel.
Det er når atomet bliver barium, atomnummer 56, og disse tomme rum i tidligere målcirkler begynder at udfyldes. Ved at tilføje endnu et elektron - for at fremstille lanthanum, den første i serien med sjældne jordartselementer - placeres det elektron i den femte cirkel. Ved at tilføje en anden, for at fremstille cerium, atomnummer 58, tilføjes et elektron til den fjerde cirkel. At fremstille det næste element, praseodym, flytter faktisk det nyeste elektron i den femte cirkel til det fjerde og tilføjer et mere. Derfra fylder yderligere elektroner den fjerde cirkel.
I alle elementer påvirker elektronerne i den yderste cirkel stort set elementets kemiske egenskaber. Fordi de sjældne jordarter har identiske yderste elektronkonfigurationer, er deres egenskaber ret ens.
2. Er sjældne jordelementer virkelig sjældne?
Nej. De er meget mere rigelige i jordskorpen end mange andre værdifulde elementer. Selv den sjældneste sjældne jord, thulium, med atomnummer 69, er 125 gange mere almindelig end guld. Og den mindst sjældne sjældne jord, cerium, med atomnummer 58, er 15.000 gange mere rigelig end guld.
Det sjældneste sjældne jordartselement, thulium. Billede via Jurii.
De er dog sjældne på én måde - mineralogikere vil kalde dem "spredt", hvilket betyder, at de stort set er drysset over jorden i relativt lave koncentrationer. Sjældne jordarter findes ofte i sjældne, stødende klipper kaldet carbonatites - intet så almindeligt som basalt fra Hawaii eller Island eller andesite fra St. St. Helens eller Guatemalas vulkan Fuego.
Der er nogle få regioner, der har masser af sjældne jordarter - og de er for det meste i Kina, der producerer mere end 80 procent af det samlede årlige samlede antal på 130.000 tons. Australien har også et par områder, ligesom nogle andre lande. USA har en lille smule område med masser af sjældne jordarter, men den sidste amerikanske kilde til dem, Californiens Mountain Pass Quarry, lukkede i 2015.
3. Er de ikke sjældne, er de meget dyre?
Ja, helt. I 2018 er omkostningerne til et oxid af neodym, atomnummer 60, US $ 107.000 pr. Ton. Prisen forventes at stige til $ 150.000 i 2025.
Europium er endnu dyrere - omkring $ 712.000 pr. Ton.
En del af grunden er, at sjældne jordelementer kan være kemisk vanskelige at adskille fra hinanden for at få et rent stof.
4. Hvad er sjældne jordelementer nyttige til?
I sidste halvdel af det 20. århundrede kom europium med atomnummer 63 i stort efterspørgsel efter sin rolle som en farveproducerende fosfor i videoskærme, herunder computerskærme og plasma-tv'er. Det er også nyttigt til at absorbere neutroner i nukleare reaktors kontrolstænger.
En terning med små neodymmagneter. Billede via XRDoDRX.
Andre sjældne jordarter bruges også ofte i elektroniske apparater i dag. Neodymium, atomnummer 60, er for eksempel en stærk magnet, der er nyttig til smartphones, tv, lasere, genopladelige batterier og harddiske. En kommende version af Teslas elbilmotor forventes også at bruge neodym.
Efterspørgslen efter sjældne jordarter er steget støt siden midten af det 20. århundrede, og der er ingen reelle alternative materialer, der kan erstatte dem. Så vigtige som sjældne jordarter er for et moderne teknologibaseret samfund, og lige så vanskelige som de er at udnytte og bruge, kan toldkampen sætte USA på et meget dårligt sted, hvor både landet og de sjældne jordelementer i sig selv bliver bonde i dette spil af økonomisk skak.
Stanley Mertzman, professor i geovidenskab, Franklin & Marshall College
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den Samtalen. Læs den originale artikel.
Nederste linje: Fire spørgsmål om sjældne jordelementer besvaret.
