Редкоземельные металлы: что это и почему они всем нужны

Редкоземельные металлы: что это простыми словами

Редкоземельные металлы (РЗМ) — это группа из 17 химических элементов, которая включает 15 лантанидов, а также скандий и иттрий. Несмотря на название, РЗМ встречаются в недрах земли не так уж и редко, однако не в чистом виде, а в составе минералов с другими элементами. В процессе добычи и переработки редкоземельных металлов выделяются токсичные продукты, в некоторых случаях и радиоактивные. При этом самые редкие из них имеют высокую стоимость на международном рынке: цена килограмма может составлять тысячи долларов.

В таблице Менделеева перечислены 17 элементов, относящихся к редкоземельным металлам. 15 лантаноидов располагаются отдельной строкой внизу: их порядковые номера — от 57 до 71. Скандий (Sc) и иттрий (Y) находятся в третьей подгруппе — четвертый и пятой периоды соответственно.

Список редкоземельных металлов::

• скандий;
• иттрий;
• лантан;
• неодим;
• празеодим;
• церий;
• самарий;
• гадолиний;
• европий;
• прометий;
• тербий;
• диспрозий;
• иттербий;
• гольмий;
• эрбий;
• тулий;
• лютеций.

Все металлы объединены в одну подгруппу ввиду того, что обладают общими физико-химическими свойствами:

• серебристо-белый цвет;
• реагируют с галогенами, а также с кислотами, образуя соли;
• в соединениях обычно проявляют +3 степень окисления;
• мягкие и пластичные, кроме гадолиния и тербия;
• обладают особыми магнитными, оптическими и каталитическими свойствами.

Помимо редкоземельных существует и группа редких металлов. Хоть они и звучат похоже, но обозначают различные группы элементов. В отличие от РЗМ, которые объединены по химическим свойствам, список редких металлов более широкий. Он включает не менее 80 элементов: тугоплавких, благородных, рассеянных и радиоактивных.

История открытия редкоземельных металлов

История редкоземельных металлов началась в 1787 году, и они открывались поэтапно на протяжении полутора веков. В Швеции недалеко от деревни Иттерби химик Карл Аррениус обнаружил в карьере черный тяжелый камень. В ходе исследований выяснилось, что это новый, неизвестный науке минерал. Вскоре он получил название “гадолинит”. Спустя семь лет финский химик Йохан Гадолин выделил из этого химического элемента оксид иттрия, положив начало исследованиям редкоземельных металлов.

• 1803 год: химик Андерс Густав Экеберг открыл тантал, а Мартин Клапрот и Вильгельм Хизингер выделили новые элементы из иттрия: церий и лантан.
• 1839 год: шведский химик Карл Густав Мосандер доказал, что “иттриевая земля” содержит сразу несколько редкоземельных элементов: иттрий, тербий и эрбий.
• 1879 год: ученые Жан Мариньяк и Ларс Нильсон выделили гадолиний, самарий и скандий.
• 1886 год: австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах разделил элемент дидамию, который ранее считался единым, и открыл новые: неодим и празеодим.
• 1896 год: француз Южин Демарсе обнаружил диспрозий.
• 1907 год: открытие лютеция.
• 1945 год: ученые Чарльз Кориэлл, Джейкоб Маринский и Лоуренс Гленденин искусственно получили прометий при расщеплении урана в ядерных реакторах.

Уже к середине 20-го века все РЗМ были открыты и изучены. Так, потребовалось более 150 лет, чтобы идентифицировать все 17 редкоземельных элементов. Их разделение и очистка оставались сложными задачами, но с первой удалось справиться в 1950–1960 годах благодаря разработке метода ионного обмена и экстракции.

Где и для чего используют редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы в России

Россия обладает внушительными запасами редкоземельных металлов. В 2024 году Федеральное агентство по недропользованию (Роснедра) оценило количество РЗМ в 28,7 млн тонн, что составляет около 20% мировых запасов. Так, РФ занимает второе место в мире по минерально-сырьевой базе (первое — Китай). Всего в стране находятся 18 разведанных месторождений редкоземельных металлов. Крупнейшими из них считаются Томторское и Ловозерское.

Томторское месторождение располагается в Якутии. Общие ресурсы оцениваются в 154 млн тонн руды, а запасы оксида редких земель — 3,2 млн тонн. Здесь содержатся лантан, церий, неодим, празеодим, самарий, европий, гадолиний, диспрозий, тербий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.

Второе крупное месторождение — Ловозерское в Мурманской области, которое содержит почти половину — 46% — всех редкоземельных металлов в России. Также здесь добывается минерал лопарит, выступающий источником титана, ниобия и редкоземельных металлов: лантана, церия, неодима, празеодима, самария, европия, гадолиния.

Ловозерский ГОК, который полностью перешел под контроль “Росатома” в 2023 году, считается единственным предприятием в России, которое добывает и обогащает лопаритовую руду. Полученный концентрат направляется на переработку на Соликамский магниевый завод (СМЗ), и уже там из руды извлекаются РЗМ. Ежегодно СМЗ выпускает более 2,5 тыс. тонн редкоземельных металлов.

Редкоземельные металлы на Украине

Украина не входит в число стран с крупнейшими запасами редкоземельных металлов, однако обладает богатыми залежами редких и критически важных видов сырья для высокотехнологичных отраслей: титана, лития, урана, графита и других. Всего в стране находятся до 5% мировых запасов “критического сырья”, включая 17 РЗМ. По данным украинского Forbes, общая стоимость запасов полезных ископаемых в стране составляет $15 трлн. Однако, по оценке “Росконгресса”, экономическая ценность этих ресурсов существенно ниже.

Особый интерес для США представляет литий, который используется в ядерной энергетике, медицине, авиации и военной технике, а также при производстве стекла. На Украине он обнаружен на четырех участках: Полоховское, Добринское, Крутая Балка и Шевченковское месторождения. Но нужно учитывать, что его добыча еще не началась. Также в начале года стало известно, что последнее из перечисленных месторождений, Шевченковское, перешло под контроль российских сил.

Возвращаясь к редкоземельным металлам: в недрах страны были обнаружены лантан, церий, эрбий и иттрий, которые присутствуют в апатитовых рудах. Однако детальная информация об объемах редкоземельных металлов засекречена украинскими властями.

В 1970 году советскими геологами было открыто Новополтавское месторождение редкоземельных металлов в Запорожье. При этом украинское правительство отмечало, что добыча на Новополтавском направлении будет относительно сложной, к тому же ей препятствует порода минералов, которая затрудняет извлечение редкоземельных элементов.

На этапе разведки находится Полоховское месторождение в Кировоградской области. Предполагается, что оно станет крупным поставщиком РЗМ и лития. Также примеси редкоземельных металлов могут содержать россыпные месторождения титано-циркониевых руд в Кировоградской и Днепропетровской областях.

Значительная часть наиболее рентабельных месторождений, таких как Азовское и Мазуровское, располагаются в регионах, которые уже неподконтрольны Киеву. На них приходятся порядка 70% известных залежей. По словам первого вице-премьера Украины Юлии Свириденко, запасы полезных ископаемых на территориях, перешедших под контроль России, оцениваются примерно в $350 млрд.

Запасы редкоземельных металлов по странам

По данным Геологической службы США (USGS), топ-10 стран по запасам РЗМ:

1. Китай: 44 млн тонн;
2. Бразилия: 22 млн тонн;
3. Индия: 6,9 млн тонн;
4. Австралия: 5,7 млн тонн;
5. Россия: 3,8 млн тонн;
6. Вьетнам: 3,5 млн тонн;
7. США: 1,9 млн тонн;
8. Гренландия: 1,5 млн тонн;
9. Танзания: 890 тыс. тонн;
10. Южно-Африканская Республика (ЮАР): 860 тыс. тонн.

Занимает лидирующую позицию и располагает крупнейшими месторождениями РЗМ Китай. Их объем — порядка 44 млн тонн. На долю Китая приходится более 70% мирового запаса редкоземельных металлов, поэтому на рынке он фактически считается монополистом.

Как добываются редкоземельные металлы

В природе редкоземельные металлы не встречаются в чистом виде, а содержатся в составе различных минералов. Их добыча и переработка — многоэтапный, сложный и дорогой процесс, который требует применения высоких технологий.

Сначала специалисты проводят геологическую разведку, чтобы определить запасы руды. В зависимости от глубины ее нахождения используется один из методов добычи:

• открытая добыча: используется, если руды залегают близко к поверхности;
• подземная добыча: необходима в случае глубокого залегания руды и предполагает создание шахт и тоннелей для того, чтобы поднять ее на поверхность.

Полученную руду дробят и дополнительно измельчают в специальных мельницах, чтобы избавиться от пустых минералов и получить редкоземельный концентрат. Затем она проходит обогащение и химическую обработку, чтобы получился концентрат РЗМ. Полученные металлы очищаются от примесей и принимают конечную форму: магниты, сплавы и порошки.

Почему редкоземельные металлы стали так важны

С каждым годом редкоземельные металлы становятся более значимыми и находят применение в критически важных высокотехнологичных отраслях, включая оборону, медицину, энергетику, авиационное и автомобилестроение и другие сферы. Обладание этими ресурсами позволяет обеспечить технологический прогресс, в условиях жесткой международной конкуренции обеспечивает независимость от поставок из-за рубежа. При этом редкоземельные металлы становятся еще одним направлением для углубления сотрудничества с другими странами за счет заключения выгодных экономических сделок.

Текущий мировой спрос на редкоземельные металлы составляет более 350 тыс. тонн и продолжает расти. Годовая потребность России в РЗМ на сегодняшний день — около 2 тыс. тонн, сообщил Глава Роснедр Олег Казанов. Кроме того, в июле прошлого года стало известно, что к 2030 году в России планируется нарастить выпуск редких и редкоземельных элементов в восемь раз и сократить долю импорта в потреблении на 15%.