Hầu hết chúng ta sử dụng các nguyên tố đất hiếm mỗi ngày - mà không biết. Những yếu tố ít được biết đến và hấp dẫn làm cho thiết bị điện tử hiện đại có thể.
Một số ít europium. Hình ảnh thông qua Nhà giả kim-hp.
Bởi Stanley Mertzman, Đại học Franklin & Marshall
Hầu hết người Mỹ sử dụng các nguyên tố đất hiếm mỗi ngày - mà không biết hoặc không biết gì về những gì họ làm. Điều đó có thể thay đổi, vì những vật liệu bất thường này đang trở thành tâm điểm trong cuộc chiến thương mại leo thang giữa Hoa Kỳ và Trung Quốc.
Stanley Mertzman, một nhà địa chất học có chuyên môn phân tích tia X về đá và khoáng chất để xác định thành phần hóa học của chúng, và là người dạy về khoáng vật học tại Đại học Franklin & Marshall, trả lời bốn câu hỏi về các nguyên tố ít được biết đến và hấp dẫn này - và các thiết bị điện tử hiện đại mà chúng tạo ra khả thi.
1. Nguyên tố đất hiếm là gì?
Nói một cách chính xác, chúng là các nguyên tố giống như các nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn - chẳng hạn như carbon, hydro và oxy - với các số nguyên tử từ 57 đến 71. Có hai nguyên tố khác có tính chất tương tự đôi khi được nhóm với chúng, nhưng các nguyên tố đất hiếm chính là những nguyên tố này 15. Để tạo ra cái đầu tiên, lanthanum, bắt đầu với một nguyên tử bari và thêm một proton và một electron. Mỗi nguyên tố đất hiếm liên tiếp thêm một proton và thêm một electron.
Một sơ đồ điện tử của một nguyên tố bari, nguyên tố cuối cùng trước các nguyên tố đất hiếm lanthanide. Hình ảnh qua Greg Robson và Pumbaa.
Một sơ đồ điện tử của một nguyên tử lanthanum, với một electron nhiều hơn trong quỹ đạo thứ năm của nó so với bari. Hình ảnh qua Greg Robson và Pumbaa.
Cerium có thêm một electron trong quỹ đạo thứ năm của nó và một electron thứ tư hơn barium. Hình ảnh qua Greg Robson và Pumbaa.
Điều quan trọng là có 15 nguyên tố đất hiếm: Sinh viên hóa học có thể nhớ lại rằng khi các electron được thêm vào nguyên tử, chúng thu thập thành nhóm hoặc lớp, được gọi là quỹ đạo, giống như các vòng tròn đồng tâm của một mục tiêu xung quanh mắt bò của hạt nhân.
Vòng tròn mục tiêu trong cùng của bất kỳ nguyên tử nào cũng có thể chứa hai electron; thêm một electron thứ ba có nghĩa là thêm một trong vòng tròn mục tiêu thứ hai. Đó cũng là nơi mà bảy electron tiếp theo cũng đi - sau đó các electron phải đi đến vòng tròn mục tiêu thứ ba, có thể chứa 18. 18 electron tiếp theo đi vào vòng tròn mục tiêu thứ tư.
Sau đó mọi thứ bắt đầu có một chút kỳ lạ. Mặc dù vẫn còn chỗ cho các electron trong vòng tròn mục tiêu thứ tư, tám electron tiếp theo đi vào vòng tròn mục tiêu thứ năm. Và mặc dù có nhiều chỗ hơn trong phần năm, hai electron tiếp theo sau đó đi vào vòng tròn mục tiêu thứ sáu.
Rằng khi nguyên tử trở thành bari, số nguyên tử 56 và những khoảng trống trong các vòng tròn mục tiêu trước đó bắt đầu lấp đầy. Thêm một electron nữa - để tạo ra lanthanum, lần đầu tiên trong chuỗi các nguyên tố đất hiếm - đưa electron đó vào vòng tròn thứ năm. Thêm một thứ nữa, để tạo ra xeri, nguyên tử số 58, thêm một electron vào vòng tròn thứ tư. Tạo ra nguyên tố tiếp theo, praseodymium, thực sự di chuyển electron mới nhất trong vòng tròn thứ năm sang vòng thứ tư, và thêm một yếu tố nữa. Từ đó, các electron bổ sung lấp đầy vòng tròn thứ tư.
Trong tất cả các nguyên tố, các electron ở vòng tròn ngoài cùng phần lớn ảnh hưởng đến các tính chất hóa học của nguyên tố. Bởi vì các loại đất hiếm có cấu hình electron ngoài cùng giống hệt nhau, tính chất của chúng khá giống nhau.
2. Các nguyên tố đất hiếm có thực sự hiếm?
Không. Chúng có nhiều trong lớp vỏ Trái đất hơn nhiều yếu tố có giá trị khác. Ngay cả loại đất hiếm hiếm nhất, thulium, với số nguyên tử 69, phổ biến gấp 125 lần so với vàng. Và loại đất hiếm hiếm nhất, xeri, với số nguyên tử 58, dồi dào hơn vàng gấp 15.000 lần.
Nguyên tố đất hiếm hiếm nhất, thulium. Hình ảnh qua Jurii.
Tuy nhiên, chúng rất hiếm theo một nghĩa nào đó - các nhà khoáng vật học sẽ gọi chúng là phân tán, nghĩa là chúng có thể được rắc khắp hành tinh với nồng độ tương đối thấp. Đất hiếm thường được tìm thấy trong các loại đá lửa hiếm có tên là carbonatite - không có gì phổ biến như đá bazan từ Hawaii hay Iceland, hoặc andesite từ Núi St. Helens hoặc Núi lửa Guatemala Guatemala.
Có một vài khu vực có rất nhiều đất hiếm - và họ chủ yếu ở Trung Quốc, nơi sản xuất hơn 80% tổng số 130.000 tấn hàng năm trên toàn cầu. Úc cũng có một vài khu vực, cũng như một số quốc gia khác. Hoa Kỳ có một khu vực nhỏ với rất nhiều đất hiếm, nhưng nguồn cuối cùng của Mỹ cho họ, mỏ đá đèo California Núi, đã đóng cửa vào năm 2015.
3. Nếu chúng không phải là hiếm, chúng có đắt không?
Vâng, khá. Năm 2018, chi phí cho một oxit của neodymium, số nguyên tử 60, là 107.000 USD mỗi tấn. Giá dự kiến sẽ tăng lên 150.000 đô la vào năm 2025.
Europium thậm chí còn tốn kém hơn - khoảng 712.000 USD mỗi tấn.
Một phần lý do là các nguyên tố đất hiếm có thể khó phân tách về mặt hóa học để có được một chất nguyên chất.
4. Các nguyên tố đất hiếm hữu ích cho việc gì?
Trong nửa cuối thế kỷ 20, europium, với số nguyên tử 63, đã có nhu cầu rộng rãi với vai trò là phốt pho sản xuất màu trong màn hình video, bao gồm màn hình máy tính và TV plasma. Nó cũng hữu ích cho việc hấp thụ neutron trong các lò phản ứng hạt nhân.
Một khối nam châm neodymium nhỏ. Hình ảnh qua XRDoDRX.
Các loại đất hiếm khác cũng thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử ngày nay. Neodymium, nguyên tử số 60, ví dụ, là một nam châm mạnh mẽ, hữu ích trong điện thoại thông minh, TV, laser, pin sạc và ổ cứng. Một phiên bản sắp tới của động cơ xe điện Teslaiên cũng dự kiến sẽ sử dụng neodymium.
Nhu cầu về đất hiếm đã tăng lên đều đặn từ giữa thế kỷ 20, và không có vật liệu thay thế thực sự để thay thế chúng. Quan trọng như đất hiếm đối với một xã hội dựa trên công nghệ hiện đại, và khó khăn như chúng khai thác và sử dụng, trận chiến thuế quan có thể khiến Mỹ rơi vào một nơi rất tồi tệ, biến cả đất nước và các nguyên tố đất hiếm trở thành những con tốt. trò chơi cờ vua kinh tế này.
Stanley Mertzman, Giáo sư Khoa học Địa chất, Đại học Franklin & Marshall
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc hội thoại. Đọc bài viết gốc.
Tóm lại: Bốn câu hỏi về các yếu tố đất hiếm đã trả lời.
